电铸原理和母盘制作

ＣＤ电铸原理

和

母盘（ｓｔａｍｐｅｒ）的制作过程

原文／ Michael Oehler 编译／ 夏雨人

要简要地把CD电铸讲述清楚也不太容易，本文力求用通俗易懂的意思来表达严格的科学含义。有实践经验的读者会体会到，电铸中的某些结论不能光从理论的角度来解释 。

有很多与电铸相关的术语，例如：electr-

o p l a t i n g , p l a t i n g , e l e c t r o f o r m i n g a n d galvanics等都可以解释为电铸。为便于理解, 我们将电铸与其它CD生产工艺概要地叙述一下。

图1 Stamper的规格

1. Ma s t e r i n g 过程 ：母盘预处理过电铸过程的概念

程（premastering）将节目的数据进行格式化（电铸可以简述为镍离子从阳极向阴极运动和转例如可写在CD-R上），刻录机在光刻胶层上将数移，镍离子在阴极沉积下来的过程。离子转移的介据转变为物理符号（即信息坑），然后在光刻胶层质是镍盐（氨基磺酸镍）的水溶液，通过电场、电上面镀一金属层（厚度为50~100nm的镍或镍钒层）。流和时间的调节可以控制镍盘的厚度。

Mastreing过程最终得到的是金属化的玻璃基盘。

电铸的原理如下: 在溶液中所有的离子是可２．电铸过程：在电解过程中，从金属化的玻璃以作自由运动的带电荷的载体，图2显示了作用于基盘拷贝成厚度为300um的镍盘,然后经过清洗；涂保离子的电场力，在溶液达到平衡时，只有在阴极护胶；抛光和冲孔的过程制成适合压片的镍盘（译和阳极发生如下所示的反应。

注：日常我们通俗地称所有拷贝的镍盘为母盘，实际上根据拷贝的顺序，镍盘有父版、母版、子版之分。适合注塑压片的镍盘可以是父版和子版，英语称stamper）。

3.复制过程：注塑机将塑料(聚碳酸脂)注塑成型时复制了stamper上的信息，经过镀金属层、涂保护胶、印刷和包装等步骤最终成为客户需要的CD产品。

自从塑料（乙烯基）唱片问世以来，电铸的阴极 阳极

工艺步骤基本上没有大的变化，仍然以人工操作Ni 2+ ＋2e-→Ni

Nｉ→ Ni 2+ + 2e-为主。下图列出一个母盘的典型的参数。

图2 电铸的原理

下面的文章将叙述母盘参数与电铸控制之间位于阴极的镍的阳离子释放电荷变为镍原子，的关系。

镍原子与早先沉积的镍原子组成镍金属的晶格，镍

沉积成的金属层就是我们需要的镍盘。与此同时，溶液中的负离子驱使镍从金属状态（镍球）溶解到电解液中。这样阳极的镍金属不断地转变为自由运动的离子，以补充阴极上消耗的镍离子。直流电源驱动电铸过程的进行，直流电源可比喻为一台电子泵，它通过导线将电子从阳极输送到阴极。

镍金属在阴极的沉积量遵照法拉弟定律，可以用镍的电化当量来计算，沉积1.095克的镍需要消耗1 安培小时的电流。在实际的工作中我们可以运用经验公式进行估算，对于240mm直径的玻璃母盘： I Ah = 3um，即一个安培小时可沉积3um厚的镍层。一个典型的电铸工作槽的工作电流为80~120A（直流），电压15～20 V。电铸液的配方和工艺参数，

大多数的CD电铸液的配方在下表参数之内氨基磺酸镍浓度 300~450 g/l

[Ni(S03NH )2 ]氯化镍浓度0~20g/l[NiCI*6H0] 硼酸浓度[H30~70 g/l3BO 3]PH值3.5温度4.545阳极材料465 C含硫镍球添加剂：湿润剂光亮剂尽量少用阳极活化剂电流密度

1530 A/dm2

表1 电解液配方表

在电铸过程中会发生不期望的化学反应，水也是影响化学反应的一个因素。因为所有的阴离子都会向阳极运动；所有的阳离子都会向阴极运动，引起了不希望发生的副反应和沉积物。配制正确的电铸液能减少副反应影响，为达到工艺参数的要求，应选用优选的配方和设计性能优良的电铸设备。电解液的配方

氨基磺酸镍浓度，即镍离子浓度

通常镍离子浓度越高，溶液的导电性也越强，对给定的工作电流而言可工作于较低的阴阳

极电压。

当浓度增加到规定范围的上限后导电性趋向饱和。同时，在镍离子浓度较高时镍盘的内应力可达到最低值。

氯化镍浓度

氯化镍浓度对镍离子浓度的影响可以忽略不计，氯化镍的活动成分是氯离子，氯离子可促进阳极镍溶解得更快更稳定，防止阳极在高电流密度下被钝化。阳极钝化必须要防止，钝化的影响之一是消耗电解液中的镍离子，另外钝化还降低了电解液的PH值。 低PH值的电解液会促使氨基磺酸的水解为硫酸盐和氨，即使硫酸盐和氨的含量很少都会使材料的内应力上升。现在大家知道阳极材料改用含硫镍球，可不需要添加氯化镍。使用含硫镍球很受欢迎，否则随着电解液中氯化镍浓度增加，内应力成比例地增加将不可避免。

硼酸的浓度

硼酸是电解液中PH值的缓冲剂，极少量的硼酸可保持阴极的高速度沉积。如果电解液不添加硼酸，在镍沉积表面区域容易形成一个高PH值的薄层, 这一薄层包含镍的氢氧化物，薄层增加了阴阳极的电压，严重时甚至会烧坏已沉积的镍层。

PH值

一般电解液的PH值宜保持在3.5～4.5之间，在此范围内电铸的质量比较稳定，在实际生产上PH的控制范围还要更苛刻些。相当低的PH值（如2.0～2.5）是不足取的，因为这要引起氨基磺酸离子的水解，酸性离子(H3O+)会造成氢在阴极上沉积，适中的PH值（pH =-logc[H3O+]）可以避免产生坑或针孔。

温度的影响

一般将电解液溶液温度设置得稍偏高些，可使溶液中离子的动能增加，进而使溶液的导电率增加、降低给定工作电流下的阴阳极电压。可是过高的温度也会导致氨基磺酸离子的水解。

在设置电铸槽温度时，必须考虑到电铸过程中会产生大量的热能。电解液在阴阳极之间的实际温度要高于整个槽温，所以在电铸系统中需要安装冷却系统。新型的电铸系统普遍采用钛螺旋管，冷却水从设备外部供给。

电铸的阳极材料

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现在CD电铸工艺过程中普遍使用含硫镍球(Ni-S), 在纯镍中添加约0.2%的硫，硫的成分使镍的电化学电位减小，这样即使没有氯化物或氯化物含量极低，也能保持阳极溶解的稳定。但添加硫也存在副作用，当镍球消耗后会残留下称作阳极泥的小量的物质（细小的黑色颗粒），这是电铸系统中需要过滤杂质的主要原因。

添加剂

在CD电铸工艺中有一条操作规则，即尽量少用添加剂。因为几乎所有的添加剂都是有机化合物。湿润剂 （wetting agent）用于防止在镍盘背部产生针孔、光亮剂(brightening agent)有助于提高镍盘背部的光洁度、还有阳极活化剂，可是它们大多数有副作用。现在我们知道已有新型、副作用小的添加剂问世，但凡是有机添加剂都会分解出污染溶液的有机物。为减少污染，活性炭处理步骤就更有必要，有机污染是产生应力的根源。我们可以形

象地描述一下电解液对有机物的敏感性，如果在300升电铸槽中放入两块糖或咖啡甜料，那末电铸发生质量问题的时间竟要持续好几天。

电流密度

电流密度是影响镍的沉积速度的关键，例如在以100A电流工作于直径为240mm玻璃母盘时，如不考虑材料因素（如阳极篮）对电铸的限制，其理论电流密度值约为22.1 A/dm2。为了缩短周期时间电流密度也不能随意增加。随电流密度的增加，镍盘的应力会而成比例地增加，因此要折中地寻找应力和工作周期都能接受的电流密度。但目前还没有专用的电铸测量方法，测量在某电流密度和沉积厚度之下的应力。倘如没有标准的测量方法，镍盘产生变形和应力的主要原因就很难检查。

在电铸的开始阶段，电流-时间曲线缓慢地上升至工作电流的额定值（在玻璃母盘上沉积薄的初始镍层时更有必要）。在新颖的控制系统中，斜坡曲线的编程、安培－小时和厚度的设置都变得较为容易。

如果使用得当电解液可无限期地使用，当然操作者得熟悉电铸的整个过程，能够有效地控制主要参数。由于电解液对与它接触的材料和传感器有极强的的腐蚀性，因此大多数新型设备中的PH值和浓度采用间断的离线测试方式。因为电解液的变化是

缓慢的，需要几天或几个星期才有变化，间断地测试完全可以担负过程控制。处于学习阶段的人员具备了一定的电铸和测试的经验后，继续获取技术支持和咨询是重要的。设计的概念

为了便于理解首先参看电铸系统的简图。设备的材料问题最首先要考虑的，由于氨基磺酸镍对相接触的材料有极强的腐蚀性，还需要考虑电解液对污染的灵敏性，因此电铸设备的主要构件采用高质量的聚丙稀、PTFE、钛金属或类似的材料。电铸系统内有一个电解液主槽，它通过泵过滤系统向一个或多个工作槽供应电解液。电场的分布

要使得镍盘的厚度偏差小，阴阳极间的电场的分布宜保持稳定。我们已知道，设置安培－小时数值可以控制镍盘厚度，为了使得整个镍盘厚度均匀，阴阳极间电场的分布应设计良好。设备制造时对所有影响电场分布的部件（譬如：工作槽和转轴）的公差都要严格控制。所使用的材料（如聚丙稀）要求性能稳定、使用寿命长、电气绝缘性能优良，并且不易变形、不变脆和无微粒析出。

旋转主轴和电场控制

在一个非常均匀的电场中可以获得厚度精确的镍盘，从一个平板电容器简图能看到只有边缘区域是不均匀的。如要使一对阴阳极既完全平行又非常平整，在技术上也是不可能实现的。经常拆卸和按装阳极篮和阴极玻璃母盘不可避免要带来误差。电场越强大镍的沉积速度越高，CD电铸设备中一般用阴极旋转的方法，旋转可使镍在圆周方向均匀地沉积，镍沉积的平坦度还可依靠适当的档板实现。转动阴极的另一个好处是用机械的方法驱赶阴极表面的氢气泡，减少引起针孔形成的机会。高性能的电铸设备可确保镍盘（父版）的质量达到：厚度误差为

图3 磁场控制

电解液的流动

由于电解产生热量缘故，工作槽中电解液需要

作高速循环，在阴阳极之间喷射电解液，以保持均靠性和维护特性要有足够的重视。电铸过程中，匀稳定的工作温度。要注重流动的设计，如果电解人工操作占用的时间（

产生针孔的湿润剂），而改变流动速率后也不会影自从塑料（乙烯基）唱片问世以来，电铸一直响厚度质量。

采用镍盘拷贝（family process）的工艺。如下图所阳极篮和滤布

示，镍盘有父版，母版和子版之分。Mastering系阳极篮是用钛金属材料制成，它在电场中形成统的惯例是：金属化的玻璃基盘只能一次性制作有一个平坦的阳极表面，保证阳极溶解过程正常和成父版的镍盘，再也不能重复mastering过程。父稳定。钛表面产生的氧化层的化学性能十分稳定，版是最先制作的，第一次拷贝得到的是母版，第在阴阳极电压为20～22 V时也不会溶解。为了防止二次拷贝得到的是子版。母版可以多次拷贝成子阳极泥在阴极沉积，阳极与阴极区要分隔开来。比版。厚度适中的父版和子版都能作为在注塑机中较实用的办法是在阴阳极之间装上过滤布，过滤布使用的stamper。

与电解液流动的设计相结合可最大限度地防止阳极为了了解全部电铸过程的细节避免混淆，下面泥在阴极的沉积。过去曾一度采用阳极袋收集阳极只列出制作父版镍盘（stamper）的步骤：泥，用阳极袋把阳极篮围起来。这种方法有弊病，1.玻璃基盘上沉积形成父版镍盘除了阳极袋易产生渗漏外，清洗阳极篮上阳极泥的2.卸下导电环

工作也不轻松。由于装满镍球的阳极篮足有10～30 从玻璃基盘上剥离镍盘

kg，在安装阳极篮时易碰伤阳极袋。

去除附着在镍盘上的残余的光刻胶过滤装置

进一步清洗电铸系统中有一个高效的过滤系统，与工作3. 在镍盘上涂保护胶槽使用的材料相同。杂质的粒子可变为沉积的载4.镍盘背面抛光和冲孔体，过滤系统防止杂质粒子从电解液主槽带入电5.测试镍盘质量参数

铸工作槽。根据过滤技术，过滤系统最好分“粗stamper的滤”和 “精滤”两级, 在有机物污染的情况下活参数之间互有关性炭滤芯能更好发挥作用。

系，我们明显地安装盘（阴极）

注意到冲孔的误与工作槽的材料相仿，安装盘的材料也要求可差对stamper的靠和稳定。安装盘的设计会影响镍盘的厚度，对电直径有相当大的铸过程的误差密切相关。安装盘上所有导电部分要影响。目前电铸

进行密封处理，与电解液绝缘，这可防止在导电部位形成不期望的沉积物。由于玻璃是绝缘体，需要图4 CD生产步骤

系统中有了新型的冲孔设备，内

采用导电环接触被沉积的表面，导电环的重复使用孔、外园可以一次完成。冲孔时定中心的准确度所节约的成本也相当可观, 镍盘的再拷贝（family 与数据区域密切有关，先进的设备准确度可达到 process）则不需要采用导电环。为避免大电流工作5 um的水平，钝的冲头会产生毛刺。

时的热效应对工件（镍盘）和安装盘产生破坏，导为简明扼要起见本文主要讲解电铸的工作过电环与沉积表面之间的接触一定要良好。

程。在Stamper的标准中，受到电铸的影响的参数一般高性能的电铸设备，控制特性优良、操是较难控制的，在下面的两篇文章中将作具体的作和维护容易是其关键的特性，对电铸设备的可

叙述。□

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