发布时间：2023-05-13 12:19:37
捕要：电镀镀液对镀层均匀，性及镀层厚度的影响展开分析，采用数值模拟的方法，模拟电镀镀液中电流密度的变化，以及变化的电流 密度对镀层厚度变化的影响情况展开计算，再通过实验取样后SEM电镜扫描观察样品微观组织的变化，进一步验证模拟结果。通过这个过 程，找出影响镀层厚度及镀层均匀性的主要影响因素，以期为电镀工作提供研究思路及发展方向。
1 引言"
近年电子元器件行业的发展愈来愈快，在电子行业的地 位也更加举足轻重。由于终端产品一直向着高精度、高可靠性 和特殊环境适应性的方向发展，对于电子元器件封装因数的设 计的要求也日趋细致、精巧、高密度化。电子元器件内部和外 部的线路走向、封装工艺以及阻抗控制已经成为衡量电子元器 件质量的重要因素之一。如果封装外壳镀层的厚度不均匀或者 厚度不达标（过薄或过厚），会造成使用性能产生偏差、使用 寿命缩短等。而且如果外镀层不均匀时，会对内部器件的可靠 性造成影响，而为满足电子元器件规范的可靠性必须增加电镀 的时间，造成了大量的资源浪费，无异于增加了成本。若承载 芯片的外壳镀层不达标，不仅加工出的电子元器件产品不能满 足高精度均匀线宽的产品需求，而且对于要求线宽在土20%的 产品也无法满足。因此***镀层均匀鞋镀层厚度是电子元器件安全稳定的投入使用的必要条件。
2. 理论概述及计算方法
⑴理论概述
① 远、近阴极
工件各部位距离阳极最近的一处（点、线或面）被叫 做"近阴极",这处与阳极间距离用表示；离阳极最远一 处被叫做"远阴极"，该处与阳极的距离用L还表示。
② 远近阴极距离差
远、近阴极与阳极距离之差，称为远近阴极距离差，用 △L表示，则远-L近。
⑵镀层厚度计算方法
当电解液中通过电流时，阴极表面的沉积物体积可按照 Faraday定律计算：
八 AJt
Q = （1）
96500〃〃
式中：Q一沉积物体积，皿3；
A一沉积物的相对原子量；
n一沉积物的原子价；
P一沉积物的密度，g/mm3；
J一电流密度，A/m2；
t一时间。
阳极与阴极间的工作距离为y,极板间电压为V,电流密度可按式（2）计算。
,V
J = — （2）
y-k
式中：k—电阻率，V/mm<>
联立式（1）、式（2）,可得镀层计算实式为式（3）。
八 A-V-t
D = （3）
96500R
式中：D—镀层厚度，mm。
所以，为了研究与实际情况相似，通过数值模拟的方法 进一步计算镀层厚度的变化过程。
⑶装层均匀性计算方■法
镀层的均匀性一般可以通过铜厚测试仪通过五十点法测 量量测铜厚度，测量点具体排布。将测量所得的数据减掉基 础材料铜厚（15 ntn）,并计算铜厚的CoV数值，其中，CoV 指的是均匀性变化系数，计算公式如式（4）所示：
(4)
2. 数值模拟计算及结果分析
⑴速立集合模型及设置参数
釆用Ansys建立电解槽中阴阳两极板以及绝缘挡板的三维模型。电解槽的阴阳版、绝缘挡板的整体三维模型如图1 所示。
阳极板
绝缘挡板
图1三挡板三维模型
Fig. 1 Three-dimensiona1 model of three baffles 数值模拟一共分为四组：A组：不设置挡板，阳极与阴 极之间距离为30nm； B组：设置挡板，阳极与阴极之间距离 为30皿；C组：不设置挡板，阳极与阴极之间距离为60mm； D 组：设置挡板，阳极与阴极之间距离为60皿1。模拟过程中绝 缘挡板放置于阳极与阴极板之间，而且距离阴、阳两板之间 的距离相等。中间绝缘挡板的作用是为了解决镀层不均匀的 问题，挡板上设置孔隙可以对镀液中的电线起到收缩的作 用，可以使阴极板附近的电场分布愈加均匀，但需要注意的 是，每组模拟中，各个板材上的孔隙形状、尺寸均相同，而 且绝缘挡板上的孔隙应当小于阴、阳两板的尺寸。其中，阳 极板釆用的材料是伯，阴极板的材料是铜，中间的绝缘挡板 与底部的衬底都选用绝缘材料(电阻率无穷大)。将图1中 建立的三维模型设置成STL格式，导AAnsys中设置参数并网 格划分，单元类型选择SOLID231,材料的电阻率参数按表1 中设置，然后进行下一步计算。
表]材料参数
Tab. 1 Material parameters
材料名称 | 电阻率(%) |
钢 | 1.67 x 10-8 |
销 | 2.22x10-7 |
电镀液 | 2. 1 x 10-2 |
挡板 | 1. 1 X 10-813 |
材料属性设置完毕后，开始网格划分，划分时釆用扫 掠的方法。模拟过程中起到主要作用的是两块极板和中间的 挡板，所以为了提高计算效果同时为了更直观的观察计算结 果，中间挡板和两块极板均要细化，其他部分的网格尺寸可 适量放大。网格划分结果如图2所示，电镀液中阳极板电压 设置为6V,阴极板电压设置为0V。并在电镀液表面设置边界 条件，设置为外部电压全部0V,然后开始进行计算。
⑵结杲分析
由式(3)可知，镀层的厚度与电流密度间呈正比例， 所以，在结果分析时，可以在阴极板上选择一条水平方向的 路径，对该路径上电流密度发生的变化进行分析计算，来评 价镀层厚度以及镀层均匀性的影响因素。图3所示为各个模 型水平路径汇总电流密度数值模拟结果处理图。
图3电流密度数值模拟结果处理
Fig.3 Processing of numerical simulation results of
current density
由图3可知，A组和组C不设置挡板，此时阴极板表面的 中间位置镀层厚度明显小于两端。由于电场线沿x、y、z三 方向通行，阴极板边缘处正负离子聚集量较多，使得两端边 缘厚度比中间厚度大的多。B组、D组设置挡板时，镀层厚度 比不设置挡板时均匀得多。但B组挡板设置的距离阴极板过 近，中间位置的镀层厚度更高。另外，A组、B组镀层的厚度 明显高于C组、D组镀层的厚度。由式(2)可知，两极板间 的电场强度不变，但随着挡板到阴极板间的距离逐渐增大， 电流密度反而减少，使得镀层厚度逐渐减小。
4.结论
(1) 通过对电镀过程的数值模拟及实验分析表明：数 值模拟能够有效地预测镀层厚度变化趋势，可为实际生产及 成熟工艺优化提供参考。
(2) 镀层液位控制在溢出板面10nim-20nm时，板件电镀 后的镀层均匀性与板中相差均在3並以内。
设置绝缘挡板可以在一定程度上，使得镀层更加 均匀、平整。另外，极板间距离逐渐增大的过程，镀层的厚 度也逐渐减小，对电镀的效率有所影响。
