电镀技术最佳条件之研究分析.doc

水平一次銅
電鍍最佳條件之研究

專題成員

指導老師：張忠樸
組長：張家銘
組員：廖建榮、廖炎煌、蔡美惠、郭芳清、吳星慧

1.前言:
隨著表面黏裝技術(Surface Mount Technology)的蓬勃發展，印刷電路板未來的趨勢必然走向細線、小孔、多層之高密度封裝型態。事實上，現今的電路板越趨精密，對於盲孔、小孔及薄板等要求越趨嚴格，然而製造此種高層次電路板其鍍銅製程也將面臨一些技術瓶頸，例如：如何使面板中央和邊緣得到均勻之鍍層，如何提高小孔孔壁之分佈力(Throwing Power)，如何改善鍍層之物性如延長性(Elongation)、抗拉強度(Tensile Strength)等都是未來值得努力之課題。

2.選題理由:
水平式鍍銅於台灣電路板界已不是陌生的話題，大家都注視著水平鍍銅及脈衝鍍銅的發展對於盲孔、小孔及薄板等能有卓越的貢獻。
公司主要行銷導向多為增層之通訊市場，在鍍銅製程中首當其衝的技術瓶頸即為如何使面板中央和邊緣得到均勻之鍍層及如何提高小孔孔壁之分佈力(Throwing Power)。
因此希望能藉由學習 DOE 的機會進行諸項實驗，期能從各項實驗數據之分析，確定水平一次銅電鍍之最佳生產參數條件，改善不良率，降低報廢率並提昇製程能力，以因應更高層之技術挑戰。

3.品質問題現況分析:
3-1、主要品質問題：鍍層均勻性

月份
規格
X
　σ
Ca
Cp
Cpk
10
1.7 ± 0.3 mil
1.62 mil
0.29
0.28
0.34
0.25
3-2、主要品質問題：分佈力(Throwing Power)
月份
規格
X
　σ
Ca
Cp
Cpk
10
100 ± 30 %
94.82%
11.73
0.17
0.85
0.71

4.預期目標：
期望上述兩項主要品質問題，鍍層均勻性及分佈力(Throwing Power) ，其製程能力指標值 ( Cpk )能提昇至 10 以上。

5.缺點現象示意圖: 
5-1、缺點名稱：鍍層均勻性不佳
5-1-1、缺點現象正視圖

5-1-2、缺點現象側視圖

5-2-1、缺點現象正視圖

5-2-2、缺點現象側視圖

6.樣本量測說明:
6-1、主要品質問題：鍍層均勻性
針對鍍層均勻性的量測部分，以 MRX 為量測基準，每一樣本量測 3PNL，每 1 PNL正反兩面各量測 9點，並以 mil 為量測單位，有效數據共 54 筆，合併計算每一樣本的標準差值。
6-2、主要品質問題：分佈力(Throwing Power)

針對分佈力(Throwing Power)的量測部分，以 500 倍放大鏡為量測基準 ，每一樣本量測 1 PNL，每 1 PNL 分別量測面銅及孔銅的最大值及最小值 ，並以 mil 為量測單位，有效數據共 4 筆，並以下述公式計算分佈力

分佈力(Throwing Power) % =
孔銅 (最大值 + 最小值)
x 100 %
面銅 (最大值 + 最小值)

7.特性要因分析(魚骨圖)
針對如何提高鍍層均勻性及分佈力部份，將其所有可能形成之要因，合併歸納如下圖(特性要因分析)所示：

8.第一階段實驗配置及解析
8-1、計劃構想：
希望能找出顯著影響的要因，故初步即將所有可能影響的因子全數納入，以期達到〝多因子少水準〞方面之配置。
在此實驗中我們選擇 9 個在製程中可以加以控制，且為較大的影響因子(Factor)。並將每個影響因子的操作條件再分成兩種水準分別進行。
8-2、 2N 型直交配置
8-2-1、因子水準對照表

8-2-2、點線圖(採 L 16 2 15 方式配置)

8-3、直交配列表及實驗數據

均勻性
分佈力
Factor

A
B
AB
C
AC
BC
GD
D
H
I
AI
F
J
AG
G

Date
Date
NO.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0.031
81.3
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0.043
77.8
2
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
0.044
94.4
3
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
0.156
71.4
4
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
0.095
81.5
5
1
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
0.033
33.3
6
1
2
2
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
0.036
52.0
7
1
 2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
0.101
100.0
8
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
1
1
2
2
0.044
73.9
9
2
1
2
1
2
1
2
1  
2
1
2
1
2
1
2
0.031
77.8
10
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
0.072
63.4
11
2
1
2
2
1
2
1
1
2
1
2
2
1
2
1
0.088
78.3
12
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
0.092
77.8
13
 2
2
1
1
2

2
1
1  
2
2
1
1
2
2
1
0.034
63.6
14
2
 2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
0.062
81.8
15
2
2
1
2
1
1
2
1
2
2
1
2
1
1
2
0.102
43.8
16
2
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
1
2
2
1
8-4、變異數分析
8-4-1、品質特性：鍍銅均勻性
8-4-1-1、合併後 ANOVA

FACTOR
Si
DF
V
F
@(%)
F
噴盒流量
0.007832
1
0.007832
21.86470
38.07450
★★
C
電流密度
0.004160
1
0.004160
11.61385
19.36840
★
BC
正反電流時間比與電流密度之交互作用
0.001681
1
0.001681
4.69272
6.73859

H
硫酸濃度
0.001260
1
0.001260
3.51815
4.59518

I
硫酸銅濃度
0.001260
1
0.001260
351815
4.59518

D
槽液溫度
0.000784
1
0.000784
2.18863
2.16905

B
正反電流時間比
0.000132
1
0.000132
0.36919
1.15111

A
正反電流值比
0.000012
1
0.000012
0.03420
1.76242

e
誤差項
0.002507
7
0.000358

21.54530

S t =
0.019630

@ t =
78.45460

此處之 F 表示統計學上的 〝F檢定〞 F1,7,0.05)=5.59
      F(1,7,0.01)=12.1
顯著因子 (表★)： C (電流密度)
非常顯著因子(表★★)： F (噴盒流量)
8-4-1-2、貢獻率柏拉圖

8-4-2、品質特性：分佈力(Throwing Power)
8-4-2-1、合併後 ANOVA

FACTOR
Si
DF
V
F
@(%)
G
Additive濃度
1415.64000
1
1415.64000
17.186440
29.36350
★★
AI
正反電流值比與硫酸銅濃度之交互作用
591.70560
1
591.70560
7.183541
11.21740
★
J
氯離子濃度
500.64060
1
500.64060
6.077976
9.21186

B
正反電流時間比
446.26560
1
446.26560
5.417842
8.01432

AG
正反電流值比與Additive濃度之交互作用
409.05060
1
409.05060
4.966037
7.19471

AC
正反電流值比與電流密度之交互作用
303.63060
1
303.63060
3.686196
4.87297

F
噴盒流量
255.20060
1
255.20060
3.098237
3.80637

I
硫酸銅濃度
124.88060
1
124.88060
1.516100
0.93624

A
正反電流值比
61.23062
1
61.23062
0.743364
0.46555

C
電流密度
20.47562
1
20.47562
0.248582
1.36313

e
誤差項
411.84810
5
82.36962

23.55380

S t =
4540.56900

@ t =
76.44610

此處之 F 表示統計學上的 〝F檢定〞 F(1.5,0.05)=6.61
F(1.5,0.01)=16.3
顯著因子 (表★)： AI (正反電流值比與硫酸銅濃度之交互作用)
非常顯著因子(表★★)： G (Additive濃度)
8-4-2-2、貢獻率柏拉圖

8-5、Cross Table
因子

A
B
C
D
F
G
H
I
J
AB
AC
BC
GD
AI
AG
特性質
1.鍍銅均勻性

C1

F2

顯著性

★

★★

貢獻率%

19.37

38.1

2.分佈力

G2

A2I2

顯著性

★★

★

貢獻率%

29.4

11.2

綜合較佳條件
A2

C1

F2
G2

I2

交互作用之解析 Throwing Power
AI :  A1 I1 = ( 81.3+94.4+33.3+100.0 ) / 4 = 77.250
 A1 I2 = ( 77.8+71.4+81.5+52.0 ) / 4 = 70.675
 A2 I1 = ( 73.9+63.4+63.6+43.8 ) / 4 = 61.175
 A2 I2 = ( 77.8+78.3+77.8+81.8 ) / 4 = 78.925★
　 本特性屬於望大特性，是故選擇 A2I2

結論

1.A2,C1,F2,G2,I2為經Cross Table 分析後之較佳之條件。
2.本次實驗之兩個多特性質經分析後，第二階段實驗中保留A,C,F,G四因子繼續作第二階段實驗，其餘因子視為常數項，以便找出最佳化操作條件。　

9.第二階段實驗配置及解析
9-1、計劃構想：
在實驗計劃法中，為對實驗的正確性做再次確認及肯定，同時亦想找尋 出較明確的操作條件，故必須做第二次實驗。而在此進一步的實驗中，因為因子的顯著性已十分明確，故選用因子已減少。且為確定良好的操作範圍，在此改以多水準方式配置，再以 ANOVA 進行解析。
9-2、3N型直交配置
9-2-1、因子水準對照表
因子
代號
水準
交互作用
1
2
3
正反電流值比
A
A21
A22
A23

電流密度
C
C11
C12
C13

噴盒流量
F
F21
F22
F23

Additive濃度
G
G21
G22
G23

9-2-2、點線圖(採 L 27 3 13 方式配置)

9-2-3、實驗常數項

因子

設定條件

B 正反電流時間比

B1

D 槽液溫度

D2

H 硫酸濃度

H

I 硫酸銅濃度

I

J 氯離子濃度

J
9-3、直交配列表及實驗數據
均勻性
分佈力
Factor

A
G
AG
AG
C
AC
AC
GC
e
e
GC
F
e
Date
Date
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0.048
86.68
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0.046
88.23
2
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
0.072
68.00
3
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0.047
115.38
4
1
2
2
2
1
1
1
2
2
2
3
3
3
0.057
80.96
5
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
1
1
1
0.056
76.00
6
1
2
2
2
3
3
2
1
1
1
2
2
2
0.081
86.67
7
1
3
3
3
1
1
3

2
2
3
2
2
2
0.057
100.00
8
1
3
3
3
2
2
1
3
3
1
3
3
3
0.056
70.00
9
1
3
3
3
3
3
3
1
1
2
1
1
1
0.050
118.75
10
2
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0.063
110.53
11
2
1
2
3
2
3
1
2
3
1
2
3
1
0.055
84.00
12
2
1
2
3
3
1
2
3
1
2
3
1
2
0.055
86.67
13
2
2
3
1
1
2
3
2
3
1
3
1
2
0.059
89.47
14
2
2
3
1
2
3
1
3
1
2
1
2
3
0.066
87.50
15
2
2
3
1
3
1
2
1
2
3
2
3
1
0.182
113.33
16
2
3
1
2
1
2
3
2
1
2
2
3
1
0.029
89.47
17
2
3
1
2
2
3
1
3
2
3
3
1
2
0.089
8391
18
2
3
1
2
3
1
2
1
3
1
1
2
3
0.073
84.62
19
3
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
0.094
100.00
20
3
1
3
2
2
1
3
2
1
3
2
1
3
0.087
96.00
21
3
1
3
2
3
2
1
3
2
1
3
2
1
0.046
86.24
22
3
2
1
3
1
3
2
2
1
3
3
2
1
0.059
86.36
23
3
2

1
3
2
1
3
3
2
1
1
3
2
0.061
74.07
24
3
2
1
3
3
2
1
1
3
2
2
1
3
0.055
113.33
25
3
3
2
1
1
3
2
2
2
1
2
1
3
0.062
90.48
26
3
3
2
1
2
1
3
3
3
2
3
2
1
0.075
77.78
27
3
3
2
1
3
2
1
1
1
3
1
3
2
9-4、變異數分析
9-4-1、品質特性：鍍銅均勻性
9-4-1-1、ANOVA 結果
FACTOR
Si
DF
V
F
@(%)
GC
Additive濃度與電流密度之交互作用
0.004633
4
0.001158
2.13434
12.57380

AG
正反電流時間比與Additive濃度之交互作用
0.003329
4
0.000832
1.53374
5.91643

AC
正反電流時間比與電流密度之交互作用
0.002883
4
0.000720
1.32808
3.63678

F
噴盒流量
0.001930
2
0.000965
1.77902
4.61761

G
Additive濃度
0.001804
2
0.000902
1.66273
3.67309

A
正反電流時間比
0.000968
2
0.000484
0.89210
0.59799

C
電流密度
0.000777
2
0.000388
0.71664
1.57045

e
誤差項
0.003256
6
0.000542

67.71370

                                                    S t =0.019583                                            @ t =32.28620
此處之 F 表示統計學上的 〝F檢定〞
F(2,6,0.05)=5.14
F(2,6,0.01)=10.9
經 ANOVA 解析，鍍銅均勻性之品質特性並未出現顯著因子 (表★)，因此，第二階段實驗配置之水準範圍都可以適用。
9-4-1-2、貢獻率柏拉圖

9-4-2、品質特性：分佈力
9-4-2-1、ANOVA 結果
FACTOR
Si
DF
V
F
@(%)
C
電流密度
2021.1200
2
1010.56000
4.94663
31.22840

AG

正反電流時間比與Additive濃度之交互作用
667.3997
4
166.84990
0.81672
2.90045

GC
Additive濃度與電流密度之交互作用
378.4779
4
94.61948
0.46315
8.49573

A
正反電流時間比
371.2790
2
185.63950
0.90869
0.72246

F
噴盒流量
192.2531
2
96.12658
0.47053
4.18949

AC
正反電流時間比與電流密度之交互作用
154.9695
4
38.74239
0.18964
12.82420

G
Additive濃度
152.4124
2
76.20620
0.37302
4.96105

e
誤差項
1225.7540
6
204.29230

34.67800

                                                S t =5163.6660                                            @ t =65.32190
此處之 F 表示統計學上的 〝F檢定〞
F(2,6,0.05)=5.14
F(2,6,0.01)=10.9
經 ANOVA 解析，分佈力(Throwing Power)之品質特性並未出現顯著因子 (表★)，因此，第二階段實驗配置之水準範圍都可以適用。
9-4-2-2、貢獻率柏拉圖

9-5、第二階段實驗結果
經 ANOVA 解析，鍍銅均勻性及分佈力(Throwing Power)，兩項主要品質特性並未出現顯著因子 (表★)，代表第二階段實驗配置之水準範圍都可以適用。考慮生產營運成本及產能效益下，決定採用之最佳操作條件如下表(操作條件對照表)所示：
操作條件對照表
實驗因子
因子代號
原始作業條件
最佳作業條件
正反電流值比
A
Ax
Ay
正反電流時間比
B
Bx
Bx
電流密度
C
Cx
Cx
槽液溫度
D
Dx±2
Dy±3
噴盒流量
F
Fx
Fx
Additive濃度
G
Gx±0.5
Gy±1.5
硫酸濃度
H
Hx±10
Hy±40
硫酸銅濃度
I
Ix±10
Iy±20
氯離子濃度
J
Jx±10
Jy±20

10.再現性確認

10-1、再現性實施期間
10-2、再現性生產記錄： 生產批數： 16 批
                          生產總數量： 3840 PNL
10-3、改善成果對照表
主要品質問題
規格
改善前
改善後
Ca
Cp
Cpk
Ca
Cp
Cpk
鍍層均勻性
1.7 ± 0.3 mil
0.28
0.34
0.25
0.024
1.69
1.65
分佈力(Throwing Power)
100 ± 30 %
0.17
0.85
0.71
0.12
1.32
1.16
10-4、製程能力改善方向圖

    由製程能力改善方向圖，可明顯看出 鍍層均勻性 Cpk 由 0.25 提昇至1.65，分佈力(Throwing Power) Cpk 由 0.71 提昇至 1.16，二項主要品質 特性均落於安全區。
10-5、標準化修訂
經再現性確認採用之最佳操作條件可訂為製程最佳作業參數，並將 相關製程參數 修定規範。

11.結論
11-1、第一階段實驗結論
11-1-1、在槽液濃度操作因子中，經 ANOVA 分析，硫酸濃度、硫酸銅濃度及氯離子濃度，皆非顯著因子，因此，每一因子之各項水準均可以使用，在此情形下，達到了降低成本又容易控制之目的。
11-1-2、在設備操作因子中，經 ANOVA 分析為非顯著因子者，考慮生產營運成本及產能效益下，選擇有利端的操作水準定為最佳作業條件，是故，正反電流時間比(B)選用Bx，槽液溫度選用Dy。
11-1-3、針對鍍銅均勻性之品質特性，由 ANOVA 分析得到噴盒流量(F)及電流密度(C)為顯著因子，其累積貢獻率為 57.44 %。針對鍍銅均勻性之品質特性，由 ANOVA 分析得到 Additive 濃度(G)及正反電流值比與硫酸銅濃度之交互作用(AI)為顯著因子，其累積貢獻率為 40.58 %。為得到較明確的操作條件，且要追求產品品質要更好，則根據第一階段實驗結果中所顯示成果較佳之一端來作起點，再根據貢獻率來決定期望端，並巧設保險端，以進行第二階段實驗。
11-2、第二階段實驗結論
經 ANOVA 解析，鍍銅均勻性及分佈力(Throwing Power)，兩項主要品質特性並未出現顯著因子 (表★)，代表第二階段實驗配置之水準範圍都可以適用。考慮生產營運成本及產能效益下，決定採用之最佳操作條件如操作條件對照表所示，並說明如下：
A.電流密度(C)操作因子，在考量產能效益上，並經由再現性確認品質變異不大下，可由有利端Cz，提昇至期望端 Cx，產能效益不會被降低。
B. Additive濃度(G)操作因子，操作範圍擴大為 Gy±1.5，達到容易控制的目的。然而，在考量生產成本上，以操作範圍偏下限 Gx±0.5的控制模式作業。原控制點 Gy 降低為 Gz，則預估 cost down NTD$ 181,500.00。
每年的 Running cost down NTD$12,390,440.00。

12.學理探討及心得分享
針對鍍銅均勻性之品質特性，由 ANOVA 分析得到噴盒流量(F)及電流密度(C)為顯著因子，我們可以大膽推測對於鍍銅均勻性部份主要需考慮設備設計的一次電流分佈(Primar Current Distribution)。
根據電場基本理論，一次電流分佈完成取決於鍍槽之幾何形狀。亦即陰陽極之距離、大小、形狀都會影響其電流分佈。對電路板板面而言，其邊緣部份等位面分佈較密集，故鍍層較厚而中央部份較薄。若要改善此種現象必須強調設計的概念。例如增加陰陽極的距離、加大陽極之面積、使用絕緣之屏蔽物(shield)來改變等位平面、採用輔助陽極(auxiliary anode)來改善低電流區域之電流分佈，使用輔助陰極(thief)來分散高電流區域之電流等都是可行的方法。
針對鍍銅分佈力之品質特性，由 ANOVA 分析得到 Additive 濃度(G)及正反電流值比與硫酸銅濃度之交互作用(AI)為顯著因子。若就微觀探討電路板通孔，可由二次電流分佈(Secondary Current Distribution)及三次電流分佈(Tertiary Current Distribution)來說明，主要受槽液之電阻、電極極化、質量傳遞速率、銅離子的濃度等複雜因素影響。
13.參考文獻
13-1、電路板資訊第七期……多層印刷電路板之鍍銅製程---萬海威
13-2、電路板資訊第二十六期……鍍層細部微結構之剖析---萬海威
13-3、電路板資訊第三十七期……添加劑對酸性鍍銅層之影響---江德馨
13-4、電路板資訊第五十九期……再談硫酸銅電鍍---楊新登