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    讲一讲电解铜箔翘曲原因分析!

    文章出处:公司动态 责任编辑:东莞市万易燊电子有限公司 发表时间:2022-05-09
      ​随着超薄电解铜箔市场的需求扩增,国内厚度≤18μm 的电解铜箔产能在逐年扩大。超薄电解铜箔的生产对设备、工艺和环境的要求极为苛刻,铜箔产品易形成针孔、翘曲、花斑、截面多孔等缺陷。翘曲是超薄电解铜箔生产过程中较常碰到的问题,一般都是由生产工艺导致,但在双亮面电解铜箔生产过程中较少出现。讲一讲电解铜箔翘曲原因分析!
    电解铜箔
    铜箔翘曲,一方面影响机器叠版、裁切;另一方面影响铜箔与基板之间的平整均匀粘贴,容易使铜箔产生皱褶、气泡等,严重影响了覆铜板和印制电路板的品质。

    1 电解铜箔性能测试及翘曲原因分析

    对5家生产的厚度为18μm、不同翘曲程度的电解铜箔进行取样,进行内应力、织构、毛面形貌和断面分析。

    1.1 残余应力

    利用X-350A 型X射线应力测定仪,采用侧倾固定φ法,测量残余应力。测试前,采用XF-1电解抛光机对试样进行电解抛光,消除试样表面应力、氧化层、表面处理层和污染层。可知各厂铜箔试样亮面和毛面均处于压应力状态,因亮面晶粒较毛面小得多,亮面晶界较多,残余应力主要存在于晶界处。因此,亮面压应力总是大于毛面压应力,残余应力表现为向毛面的压应力,铜箔朝毛面翘曲,与实际情况符合。此外还可以发现,残余应力越大,铜箔翘曲程度越大。

    1.2 织构、孪晶界与晶粒尺寸

    铜箔的电沉积过程中,由于各晶面的生长速度不同,将会出现晶面的择优生长。这会影响铜箔性能。

    采用Oxford-instruments HKLEBSD 系统对样品织构、孪晶界与晶粒尺寸进行测试分析。技术人员解析,晶粒越小,翘曲越明显;孪晶界越多,翘曲程度越低,原因是孪晶界有利于铜箔残余应力的释放。数据显示,铜箔试样以(220)织构为主,同时还有(111)、(200)、(311)等织构。翘曲程度较大试样的(220)织构明显偏大,且孪晶界较少,晶粒尺寸偏小。

    1.3 毛面形貌

    面颗粒尺寸为5~10μm,颗粒形状多为尖锥状。从图1可知,除JT 厂外其他厂家翘曲程度较低,其表面熟化处理电镀层一般生长在颗粒的尖锥顶部,且颗粒均匀,尖锥状明显;而JT厂试样表面熟化处理电镀层不仅生长在铜颗粒顶部,且在大颗粒间隙的谷底处大量生长,与其他厂试样有着明显区别。

    再取JT 厂熟箔对应的生箔试样进行扫描电镜分析,发现颗粒顶部较为圆润,呈丘陵状,且颗粒尺寸不均匀,大尺寸颗粒的谷底生长着大量小尺寸颗粒,可知JT 厂铜箔毛面颗粒细化程度较其他厂家高。

    1.4 断面分析

    采用FEIQuanta200F 环境扫描电镜对各厂试样作断面分析,见图3。在电沉积过程中,由于晶体塌陷、晶粒错位、晶粒吞并、析氢或添加剂、杂质等夹杂,会形成一些孔洞。从图2可知,JT厂铜箔断面晶粒结合良好,空洞相对较少,并且分布不均匀。其余厂家试样有较多的空洞,且分布在整个断面。空洞有利于铜箔残余应力的释放。

    1.5 翘曲原因分析

    铜箔亮面、毛面均存在压应力,且亮面压应力大于毛面,因此整体表现为朝毛面的残余应力,使铜箔朝毛面翘曲,与实际情况相符。

    铜箔残余应力与织构、孪晶界、晶粒尺寸及内部孔洞有一定关系。从产品抽样分析来看,铜箔(220)织构越多,翘曲越明显。孪晶界有利于残余应力的释放,能降低铜箔翘曲。晶粒越细,晶界越多,残余应力越大且不易释放铜箔翘曲越明显。

    内部孔洞有利于残余应力的释放,空隙越多且分布越均匀,翘曲程度越小。通过不同厂家工艺对比分析及试验论证发现,添加剂、电沉积参数与阴极辊表面粗糙度等对上述因素影响大,会引起铜箔翘曲。

    2 添加剂对铜箔翘曲的影响

    试验表明某些添加剂的使用,会引起铜箔翘曲。电解液循环流速过快,添加剂在电解液中的浓度就高,会引起铜箔翘曲。添加剂SP(聚二硫二丙烷磺酸钠)、HEC(羟乙基纤维素)、PEG(聚乙二醇)对铜箔翘曲影响显著,且都是随着用量的增加,翘曲加剧。

    随着SP 用量增加,铜箔(220)织构增加,(111)织构和孪晶界减少,晶粒逐渐变小;而铜箔残余应力及翘曲程度增加。图6 为SP 对铜箔毛面颗粒的细化整平效果。当SP 用量为1.3 mg/L 时,铜箔毛面呈现出亮面所具有的光亮度,毛面颗粒大大细化、整平。SP 吸附阴极上,提高了电极电化学反应的极化,阻碍铜粒子的过分长大,提高形核率,使晶粒细小。SP 能与Cu离子形成表面络合物,改变晶粒生长方式,能促进铜箔(220)织构生长,抑制(111)织构生长。

    随着HEC 用量增加,铜箔(220)织构增加,(111)织构、孪晶界减少,晶粒尺寸无一定影响规律;而铜箔残余应力与翘曲程度加剧。HEC 在吸附电解液中Pb、Zn、Fe、As、Cr等杂质离子时,也与Cu 离子络合,进入沉积层,进而影响晶粒织构生长。

    随着PEG 用量增加,铜箔(220)织构增加,晶粒变小,(111)织构和孪晶界无一定规律变化;而铜箔残余应力与翘曲有一定程度加剧。在PEG 作用下,能增大形核率,PEG 能与Cu离子形成复杂的络合物,并且吸附在电极表面,从而增大了阻化效果。随着过电位的增大,成核机理逐渐由连续成核转变为瞬时成核,进而影响晶粒织构生长,能细化整平颗粒,防止颗粒异常长大。

    由此可见,某些添加剂的使用会引起铜箔翘曲。添加剂通过提高阴极极化、增大阻化、改变成核密度,进而影响铜箔晶粒生长,促进晶粒向(220)织构生长,或细化铜箔晶粒等作用机理来影响铜箔的内应力(残余应力),进而影响铜箔翘曲程度。

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