单纯形优化法研究改良型全加成PCB的铜电镀液配方

何慧蓉，陈际达，*，陈世金，何为，胡志强，郭茂桂，龚智伟



单纯形优化法研究改良型全加成PCB的铜电镀液配方

何慧蓉1，陈际达1，*，陈世金2，何为3，胡志强3，郭茂桂2，龚智伟2

（1.重庆大学化学化工学院，重庆 401331；
2.博敏电子股份有限公司，广东 梅州 514000；
3.电子科技大学微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）

在铜基电镀液配方的基础上，运用单纯形优化法获得了适用于改良型全加成法制作印制电路板（PCB）工艺的优良铜电镀液配方：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速剂0.5 ～ 0.9 mL/L，湿润剂13 ～ 20 mL/L。验证试验结果表明，采用该配方在铝板上进行电镀，所获得的铜镀层均匀、稳定，其镀层厚度的变异系数（COV）降至2.71% ～ 4.39%，有利于改善全加成PCB产品的品质。

印制电路板；全加成法；电镀铜；镀液配方；厚度均匀性；变异系数；单纯形优化

First-author's address: School of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University， Chongqing 401331， China

印制电路板（PCB）的制作工艺主要有减成法［1］、半加成法［2-3］、全加成法［4］等。其中，全加成法是指有选择性地在绝缘基材上形成导电层，该法具有诸多优势，如可避免侧蚀，降低 HDI（高密度互联）板厚度，大幅减少铜资源的浪费，因此受到广泛的关注和研究［4］。但传统全加成法采用绝缘材料为基体，在形成导电层时要先制作导电种子层，这样不仅增加了工序，延长了生产周期，而且加重了对环境的污染［4-7］。为解决这一问题，李东明［8］、杨为正［9］等提出了改良型全加成法（也称线路转移法、图形转移法），先在导电基板上制作出导电图案，再经压合将导电层转移到绝缘基材上。由于该法用导电基材替代绝缘基材，因此直接通过电镀即可形成铜导电层，不仅节约了时间、成本，而且在很大程度上减少了环境污染。铝本身可导电，与铜的结合力适中，可成功将导电层进行转移［10］。因此，本文采用铝板代替绝缘基材，以期在铝板上形成铜导电层后再经压合，将导电层转移到PP（印刷电路板用半固化片）基材上。镀铜液组成对镀层厚度的均匀性有很大影响，而镀层厚度的均匀性直接影响线路的形状，最终影响PCB产品的品质［11-12］。另外，目前PCB制作仍以减成法为主，镀铜液配方一般都只适用于铜表面电镀，不一定适用于铝基体。因此有必要对镀铜液组成进行优化。单纯形优化法不受实验因素数量的限制，在因素较多的情况下使用该法可通过较少的实验得到较优的实验条件，在大大缩短实验周期的同时也减少了成本投入［13］。本文以某公司的硫酸盐体系镀铜液配方为基础，以镀层厚度分布的均匀性为指标，采用单纯形优化法对镀铜液各组分含量进行优化，以获得适用于改良型全加成法制造PCB的镀液配方。

1　实验

1. 1 主要试剂

CuSO4·5H2O、硫酸、盐酸，市售分析纯；加速剂（硫醇类化合物）、湿润剂（聚醇类化合物），杰希优（深圳）贸易有限公司；蒸馏水，自制。

1. 2 电镀铜工艺

基体为0.18 mm厚的铝板，依次对其进行微蚀（硫酸70 ～ 110 g/L，双氧水6 ～ 12 g/L）、水洗、酸洗（硫酸20 ～50 mL/L）、水洗、烘干等前处理后裁剪为12 cm × 6 cm（施镀面积为9 cm × 6 cm）大小，备用。

采用PYI-3020D直流电源（深圳怡展丰仪器），在1 500 mL哈林槽（东莞思博电子材料有限公司）中，使用不溶性钛网为阳极，于2 A/dm2、空气搅拌和室温下电镀铜65 min。镀液由CuSO4·5H2O、硫酸、Cl-、加速剂和湿润剂组成。

1. 3 镀铜层厚度测量及其均匀性表征

将电镀后的铜面平均划分为18个网格区域，每格的面积为15 mm × 20 mm，并采用牛津CMI-700铜厚测试仪测定每个区域中心位置的镀层厚度。根据测定结果，按式（1）-（3）计算COV（coefficient of variation，变异系数）。业界要求COV不超过12%，COV越小，说明镀层厚度分布的均匀性越好；其波动范围越窄，说明电镀稳定性越好。

1. 4 单纯形法优化镀铜液组成

1. 4. 1 初始单纯形构建

以电镀均匀性COV为指标，选择CuSO4·5H2O、硫酸、Cl-、加速剂、湿润剂的含量为因素，优化镀液配方，根据该公司现有配方各组分的用量范围选择初点和步长（见表 1），并选用五因素的均匀设计表 U6（65）构建初始单纯形（见表2）。

表1 初点和步长Table 1 Initial points and step lengths

表2 初始单纯形顶点Table 2 Initial simplex vertices

1. 4. 2 单纯形优化过程表的建立

以镀层厚度的COV为优化指标，根据改进单纯形法进行反射、扩大、收缩、内收缩等寻优操作，找到最优的电镀配方［13］。改进单纯形顶点计算公式为：

式中a的取值是根据按基本单纯形法（a = 1）计算新顶点的情况来确定的，具体如下：

（1） 初始单纯型中响应值最差的点（坏点）的等距反射，取a = 1，称为反射，这时改进单纯形为基本单纯形。

（2） 新顶点的响应值最好时，取a ＞ 1，称为扩大，是指沿试验点方向加大步长。

（3） 新顶点的响应值最坏，但比去掉点好时，取0 ＜ a ＜ 1，称为收缩。

（4） 新顶点的响应值比去掉点更坏时，取-1 ＜ a ＜ 0，称为内收缩。

2　结果与讨论

2. 1 优化过程及结果

单纯形调优过程及结果见表3。如表3所示，在初始单纯形的6个顶点中，顶点1的COV最大，即顶点1为最坏点，舍弃顶点1，保留顶点2、3、4、5和6，取a = 1，按式（5）算得顶点1的反射点──顶点7，如顶点7中硫酸铜的质量浓度计算式为0.4 × （60 + 70 + 80 + 90 + 100） -50 = 110 （g/L）。从实验结果可以看出，顶点7的COV远远超出12%，即顶点7的结果比去掉的顶点1更差，因此需要采用-1＜ a ＜ 0进行内收缩计算新的试验点，取a = -0.5，按式（6）算得新顶点8，如顶点8中硫酸铜的质量浓度计算式为0.1 × （60 + 70 + 80 + 90 + 100） + 0.5 × 50 = 65 （g/L）；在新单纯形中，顶点8的COV最小，顶点2的COV最大，因此舍弃顶点2，保留3、4、5、6和8，取a = 1算得顶点2的反射点──顶点9；顶点9的COV大于去掉的顶点2，故进一步确定了不能向反射的方向进行优化，需要继续进行内收缩，取a = -0.5计算新顶点10；顶点10的COV最小，效果最好，顶点5的效果最差，继续内收缩，取a = -0.5算得新顶点11；此时顶点4的结果最差，继续内收缩，舍弃顶点4，保留顶点3、6、8、10和11，取a = -0.5算得新顶点12。

表3 优化过程Table 3 Process of optimization

从单纯形优化的结果可知，经过6次单纯形优化后，顶点10的效果是最好的，对顶点10进行5次重复验证试验，得到平均COV为3.32%，说明顶点10满足行业内对电镀均匀性的要求，停止试验。

在电镀过程中，镀液中各组分含量并非一成不变，而是在一定范围内变化。因此，找到适宜的物质浓度范围对于实际电镀更具有指导意义。从表3可见，顶点10、11和12对应的COV均较小且很接近，表明对应条件下电镀的均匀性和稳定性良好。即在铝基上镀铜的优化配方为：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速剂0.5 ～ 0.9 mL/L，湿润剂13 ～ 20 mL/L。

2. 2 优化配方的电镀均匀性及稳定性的验证

为验证上述配方是否更佳，分别采用该公司现用配方和优化配方对铝基体电镀铜，各进行 6组试验，试验过程中各组分均在允许的浓度范围内，结果见表4。由表4可见，采用优化配方时，最小和最大COV分别为2.71%和4.39%，其波动范围比现用配方COV的范围窄，表明优化配方的电镀均匀性和稳定性均优于现用配方，采用改进单纯形法对镀液配方进行优化可行。

表4 优化配方的电镀均匀性与稳定性Table 4 Electroplating uniformity and stability of the optimized bath composition

3　结论

在使用单纯形优化法的过程中，通过进行反射、扩大、收缩、内收缩等操作来调整反射的距离，加速了探索过程并提高了精度。结果表明，铝板上镀铜的优化镀液配方为：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速剂0.5 ～ 0.9 mL/L，湿润剂13 ～ 20 mL/L。采用优化配方后，COV从现有工艺的3.82% ～7.28%缩小到2.71% ～ 4.39%，电镀的均匀性和稳定性得到提高。

［1］ 姚小山， 彭镜辉. 酸性减成法图形制作时线宽与铜厚关系研究［J］. 印制电路信息， 2012 （增刊1）： 68-84.

［2］ 何杰， 何为， 陈苑明， 等. 印制电路板孔线共镀铜工艺研究［J］. 电镀与精饰， 2013， 35 （12）： 27-30， 43.

［3］ 江俊锋， 何为， 冯立， 等. 半加成法制作30 μm精细线路及其工艺优化［J］. 印制电路信息， 2014 （3）： 36-39.

［4］ 马慧君. CC-4′全加成工艺的研究［J］. 电子工艺技术， 1986 （1）： 13-18.

［5］ ZHANG X， GE T， CHANG J S. Fully-additive printed electronics： transistor model， process variation and fundamental circuit designs ［J］. Organic Electronics，2015， 26： 371-379.

［6］ SHIBATA T， KAWASHIMA T， KUBOTA T， et al. Direct polymer-transfer lithography for high-throughput fabrication of Cu line patterns ［J］. Microelectronic Engineering， 2010， 87 （5/6/7/8）： 843-847.

［7］ VANFLETEREN J， GONZALEZ M， BOSSUYT F， et al. Printed circuit board technology inspired stretchable circuits ［J］. MRS Bulletin， 2012， 37 （3）： 254-260.

［8］ 李东明. 印刷电路板载板电路图形转移成型工艺： 200710007867.X ［P］. 2008-03-19.

［9］ 杨为正. 线路转移法制造印制电路板［J］. 电子工艺技术， 2006， 27 （4）： 218-220.

［10］ 北京凯迪思电路板有限公司， 武汉凯迪思特科技有限公司. 线路板厂自制超薄铜箔的方法： 201210301255.2 ［P］. 2012-11-21.

［11］ PETTER P M H， VEIT H M， BERNARDES A M. Evaluation of gold and silver leaching from printed circuit board of cellphones ［J］. Waste Management， 2014，34 （2）： 475-482.

［12］ 周文木， 徐杰栋， 吴梅珠， 等. IC封装基板超高精细线路制造工艺进展［J］. 电子元件与材料， 2014， 33 （2）： 6-9， 15.

［13］ 何为， 薛卫东， 唐斌. 优化试验设计方法及数据分析［M］. 北京： 化学工业出版社， 2012： 205.

［ 编辑：周新莉 ］

Study on copper electroplating bath composition by simplex optimization for PCB made by modified full additive process

HE Hui-rong， CHEN Ji-da*， CHEN Shi-jin， HE Wei， HU Zhi-qiang， GUO Mao-gui， GONG Zhi-wei

Based on the existing bath composition used for electroplating copper on copper substrate， an excellent copper electroplating bath composition for fabrication of printed circuit board （PCB） by modified full additive process was obtained using simplex optimization as follows： CuSO4·5H2O 71-84 g/L， H2SO496-108 mL/L， Cl-44-65 mg/L， accelerant 0.5-0.9 mL/L，and wetting agent 13-20 mL/L. The result of verification test showed that the copper coating on aluminum plate obtained from the given electroplating bath is uniform and stable. The coefficient of variation （COV） of coating thickness is decreased to 2.71%-4.39%， which is favorable for the improvement of PCB products made by full additive method.

printed circuit board； full additive process； copper electroplating； bath composition； thickness uniformity；coefficient of variation； simplex optimization

TQ153.14

A

1004 - 227X （2016） 13 - 0677 - 04

2016-06-01

2016-06-17

2015年广东省“扬帆计划”先进印制电路关键技术研发及产业化项目（2015YT02D025）。

何慧蓉（1991-），女，四川绵阳人，在读硕士研究生，主要研究方向为高密互连印制电路板电镀技术。

陈际达，教授，（E-mail） chencqu@cqu.edu.cn。