高精密線(xiàn)路板水平電鍍工藝詳解

隨著(zhù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，印制電路板制造向多層化、積層化、功能化和集成化方向發(fā)展，使得印制電路板制造技術(shù)難度更高，常規的垂直電鍍工藝不能滿(mǎn)足高質(zhì)量、高可靠性互連孔的技術(shù)要求，于是產(chǎn)生水平電鍍技術(shù)。

本文從水平電鍍的原理、水平電鍍系統基本結構、水平電鍍的發(fā)展優(yōu)勢，對水平電鍍技術(shù)進(jìn)行分析和評估，指出水平電鍍系統的使用，對印制電路行業(yè)來(lái)說(shuō)是很大的發(fā)展和進(jìn)步。

一、概述

隨著(zhù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，印制電路板制造向多層化、積層化、功能化和集成化方向迅速的發(fā)展。促使印制電路設計大量采用微小孔、窄間距、細導線(xiàn)進(jìn)行電路圖形的構思和設計，使得印制電路板制造技術(shù)難度更高，特別是多層板通孔的縱橫比超過(guò)5：1及積層板中大量采用的較深的盲孔，使常規的垂直電鍍工藝不能滿(mǎn)足高質(zhì)量、高可靠性互連孔的技術(shù)要求。

其主要原因需從電鍍原理關(guān)于電流分布狀態(tài)進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)際電鍍時(shí)發(fā)現孔內電流的分布呈現腰鼓形，出現孔內電流分布由孔邊到孔中央逐漸降低，致使大量的銅沉積在表面與孔邊，無(wú)法確?？字醒胄桡~的部位銅層應達到的標準厚度，有時(shí)銅層極薄或無(wú)銅層，嚴重時(shí)會(huì )造成無(wú)可挽回的損失，導致大量的多層板報廢。

為解決量產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，目前都從電流及添加劑方面去解決深孔電鍍問(wèn)題。在高縱橫比印制電路板電鍍銅工藝中，大多都是在優(yōu)質(zhì)的添加劑的輔助作用下，配合適度的空氣攪拌和陰極移動(dòng)，在相對較低的電流密度條件下進(jìn)行的。使孔內的電極反應控制區加大，電鍍添加劑的作用才能顯示出來(lái)，再加上陰極移動(dòng)非常有利于鍍液的深鍍能力的提高，鍍件的極化度加大，鍍層電結晶過(guò)程中晶核的形成速度與晶粒長(cháng)大速度相互補償，從而獲得高韌性銅層。

然而當通孔的縱橫比繼續增大或出現深盲孔的情況下，這兩種工藝措施就顯得無(wú)力，于是產(chǎn)生水平電鍍技術(shù)。它是垂直電鍍法技術(shù)發(fā)展的繼續，也就是在垂直電鍍工藝的基礎上發(fā)展起來(lái)的新穎電鍍技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵就是應制造出相適應的、相互配套的水平電鍍系統，能使高分散能力的鍍液，在改進(jìn)供電方式和其它輔助裝置的配合下，顯示出比垂直電鍍法更為優(yōu)異的功能作用。

二、水平電鍍原理簡(jiǎn)介

水平電鍍與垂直電鍍方法和原理是相同的，都必須具有陰陽(yáng)兩極，通電后產(chǎn)生電極反應使電解液主成份產(chǎn)生電離，使帶電的正離子向電極反應區的負相移動(dòng);帶電的負離子向電極反應區的正相移動(dòng)，于是產(chǎn)生金屬沉積鍍層和放出氣體。

因為金屬在陰極沉積的過(guò)程分為三步：即金屬的水化離子向陰極擴散;第二步就是金屬水化離子在通過(guò)雙電層時(shí)，逐步脫水，并吸附在陰極的表面上;第三步就是吸附在陰極表面的金屬離子接受電子而進(jìn)入金屬晶格中。從實(shí)際觀(guān)察到作業(yè)槽的情況是固相的電極與液相電鍍液的界面之間的無(wú)法觀(guān)察到的異相電子傳遞反應。其結構可用電鍍理論中的雙電層原理來(lái)說(shuō)明，當電極為陰極并處于極化狀態(tài)情況下，則被水分子包圍并帶有正電荷的陽(yáng)離子，因靜電作用力而有序的排列在陰極附近，最靠近陰極的陽(yáng)離子中心點(diǎn)所構成的設相面而稱(chēng)之亥姆霍茲(Helmholtz)外層，該外層距電極的距離約約1-10納米。但是由于亥姆霍茲外層的陽(yáng)離子所帶正電荷的總電量，其正電荷量不足以中和陰極上的負電荷。而離陰極較遠的鍍液受到對流的影響，其溶液層的陽(yáng)離子濃度要比陰離子濃度高一些。此層由于靜電力作用比亥姆霍茲外層要小，又要受到熱運動(dòng)的影響，陽(yáng)離子排列并不像亥姆霍茲外層緊密而又整齊，此層稱(chēng)之謂擴散層。擴散層的厚度與鍍液的流動(dòng)速率成反比。也就是鍍液的流動(dòng)速率越快，擴散層就越薄，反則厚，一般擴散層的厚度約5-50微米。離陰極就更遠，對流所到達的鍍液層稱(chēng)之謂主體鍍液。因為溶液的產(chǎn)生的對流作用會(huì )影響到鍍液濃度的均勻性。擴散層中的銅離子靠鍍液靠擴散及離子的遷移方式輸送到亥姆霍茲外層。而主體鍍液中的銅離子卻靠對流作用及離子遷移將其輸送到陰極表面。所在在水平電鍍過(guò)程中，鍍液中的銅離子是靠三種方式進(jìn)行輸送到陰極的附近形成雙電層。

鍍液的對流的產(chǎn)生是采用外部現內部以機械攪拌和泵的攪拌、電極本身的擺動(dòng)或旋轉方式，以及溫差引起的電鍍液的流動(dòng)。在越靠近固體電極的表面的地方，由于其磨擦阻力的影響至使電鍍液的流動(dòng)變得越來(lái)越緩慢，此時(shí)的固體電極表面的對流速率為零。從電極表面到對流鍍液間所形成的速率梯度層稱(chēng)之謂流動(dòng)界面層。該流動(dòng)界面層的厚度約為擴散層厚度的的十倍，故擴散層內離子的輸送幾乎不受對流作用的影響。

在電埸的作用下，電鍍液中的離子受靜電力而引起離子輸送稱(chēng)之謂離子遷移。其遷移的速率用公式表示如下：u=zeoE/6πrη要。其中u為離子遷移速率、z為離子的電荷數、eo為一個(gè)電子的電荷量(即1.61019C)、E為電位、r為水合離子的半徑、η為電鍍液的粘度。根據方程式的計算可以看出，電位E降落越大，電鍍液的粘度越小，離子遷移的速率也就越快。

根據電沉積理論，電鍍時(shí)，位于陰極上的印制電路板為非理想的極化電極，吸附在陰極的表面上的銅離子獲得電子而被還原成銅原子，而使靠近陰極的銅離子濃度降低。因此，陰極附近會(huì )形成銅離子濃度梯度。銅離子濃度比主體鍍液的濃度低的這一層鍍液即為鍍液的擴散層。而主體鍍液中的銅離子濃度較高，會(huì )向陰極附近銅離子濃度較低的地方，進(jìn)行擴散，不斷地補充陰極區域。印制電路板類(lèi)似一個(gè)平面陰極，其電流的大小與擴散層的厚度的關(guān)系式為COTTRELL方程式：

其中I為電流、z為銅離子的電荷數、F為法拉第常數、A為陰極表面積、D為銅離子擴散系數(D=KT/6πrη)，Cb為主體鍍液中銅離子濃度、Co為陰極表面銅離子的濃度、D為擴散層的厚度、K為波次曼常數(K=R/N)、T為溫度、r為銅水合離子的半徑、η為電鍍液的粘度。當陰極表面銅離子濃度為零時(shí)，其電流稱(chēng)為極限擴散電流ii：

從上式可看出，極限擴散電流的大小決定于主體鍍液的銅離子濃度、銅離子的擴散系數及擴散層的厚度。當主體鍍液中的銅離子的濃度高、銅離子的擴散系數大、擴散層的厚度薄時(shí)，極限擴散電流就越大。根據上述公式得知，要達到較高的極限電流值，就必須采取適當的工藝措施，也就是采用加溫的工藝方法。因為升高溫度可使擴散系數變大，增快對流速率可使其成為渦流而獲得薄而又均一的擴散層。從上述理論分析，增加主體鍍液中的銅離子濃度，提高電鍍液的溫度，以及增快對流速率等均能提高極限擴散電流，而達到加快電鍍速率的目的。水平電鍍基于鍍液的對流速度加快而形成渦流，能有效地使擴散層的厚度降至10微米左右。故采用水平電鍍系統進(jìn)行電鍍時(shí)，其電流密度可高達8A/dm2。

印制電路板電鍍的關(guān)鍵，就是如何確?；鍍擅婕皩變缺阢~層厚度的均勻性。要得到鍍層厚度的均一性，就必須確保印制板的兩面及通孔內的鍍液流速要快而又要一致，以獲得薄而均一的擴散層。要達到薄均一的擴散層。

就目前水平電鍍系統的結構看，盡管該系統內安裝了許多噴咀，能將鍍液快速垂直的噴向印制板，以加速鍍液在通孔內的流動(dòng)速度，致使鍍液的流動(dòng)速率很快，在基板的上下面及通孔內形成渦流，使擴散層降低而又較均一。但是，通常當鍍液突然流入狹窄的通孔內時(shí)，通孔的入口處鍍液還會(huì )有反向回流的現象產(chǎn)生，再加上一次電流分布的影響，演常常造成入口處孔部位電鍍時(shí)，由于尖端效應導致銅層厚度過(guò)厚，通孔內壁構成狗骨頭形狀的銅鍍層。

根據鍍液在通孔內流動(dòng)的狀態(tài)即渦流及回流的大小，導電鍍通孔質(zhì)量的狀態(tài)分析，只能通過(guò)工藝試驗法來(lái)確定控制參數達到印制電路板電鍍厚度的均一性。因為渦流及回流的大小至今還是無(wú)法通過(guò)理論計算的方法獲知，所以只有采用實(shí)測的工藝方法。從實(shí)測的結果得知，要控制通孔電鍍銅層厚度的均勻性，就必須根據印制電路板通孔的縱橫比來(lái)調整可控的工藝參數，甚至還要選擇高分散能力的電鍍銅溶液，再添加適當的添加劑及改進(jìn)供電方式即采用反向脈沖電流進(jìn)行電鍍才給獲得具有高分布能力的銅鍍層。

特別是積層板微盲孔數量增加，不但要采用水平電鍍系統進(jìn)行電鍍，還要采用超聲波震動(dòng)來(lái)促進(jìn)微盲孔內鍍液的更換及流通，再改進(jìn)供電方式利用反脈沖電流及實(shí)際測試的的數據來(lái)調正可控參數，就能獲得滿(mǎn)意的效果。

三、水平電鍍系統基本結構

根據水平電鍍的特點(diǎn)，它是將印制電路板放置的方式由垂直式變成平行鍍液液面的電鍍方式。這時(shí)的印制電路板為陰極，而電流的供應方式有的水平電鍍系統采用導電夾子和導電滾輪兩種。從操作系統方便來(lái)談，采用滾輪導電的供應方式較為普遍。水平電鍍系統中的導電滾輪除作為陰極外，還具有傳送印制電路板的功能。每個(gè)導電滾輪都安裝著(zhù)彈簧裝置，其目的能適應不同厚度的印制電路板(0.10-5.00mm)電鍍的需要。但在電鍍時(shí)就會(huì )出現與鍍液接觸的部位都可能被鍍上銅層，久面久之該系統就無(wú)法運行。因此，目前的所制造的水平電鍍系統，大多將陰極設計成可切換成陽(yáng)極，再利用一組輔助陰極，便可將被鍍互滾輪上的銅電解溶解掉。為維修或更換方面起見(jiàn)，新的電鍍設計也考慮到容易損耗的部位便于拆除或更換。陽(yáng)極是采用數組可調整大小的不溶性鈦籃，分別放置在印制電路板的上下位置，內裝有直徑為25mm圓球狀、含磷量為0.004-0.006%可溶性的銅、陰極與陽(yáng)極之間的距離為40mm。

鍍液的流動(dòng)是采用泵及噴咀組成的系統，使鍍液在封閉的鍍槽內前后、上下交替迅速的流動(dòng)，并能確保鍍液流動(dòng)的均一性。鍍液為垂直噴向印制電路板，在印制電路板面形成沖壁噴射渦流。其最終目的達到印制電路板兩面及通孔的鍍液快速流動(dòng)形成渦流。另外槽內裝有過(guò)濾系統，其中所采用的過(guò)濾網(wǎng)為網(wǎng)眼為1.2微米，以過(guò)濾去電鍍過(guò)程中所產(chǎn)生的顆粒狀的雜質(zhì)，確保鍍液的干凈無(wú)污染。

在制造水平電鍍系統時(shí)，還要考慮到操作方便和工藝參數的自動(dòng)控制。因為在實(shí)際電鍍時(shí)，隨著(zhù)印制電路板尺寸的大小、通孔孔徑的尺寸的大小及所要求的銅厚度的不同、傳送速度、印制電路板間的距離、泵馬力的大小、噴咀的方向及電流密度的高低等工藝參數的設定，都需要進(jìn)行實(shí)際測試和調整及控制，才能獲得合乎技術(shù)要求的銅層厚度。就必采用計算機進(jìn)行控制。為提高生產(chǎn)效率及高檔次產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，將印制電路板的通孔前后處理(包括鍍覆孔)按照工藝程序，構成完整的水平電鍍系統，才是滿(mǎn)足新品開(kāi)發(fā)、上市的需要。

四、水平電鍍的發(fā)展優(yōu)勢

水平電鍍技術(shù)的發(fā)展不是偶然的，而是高密度、高精度、多功能、高縱橫比多層印制電路板產(chǎn)品特殊功能的需要是個(gè)必然的結果。它的優(yōu)勢就是要比現在所采用的垂直掛鍍工藝方法更為先進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量更為可靠，能實(shí)現規?；拇笊a(chǎn)。它與垂直電鍍工藝方法相比具有以下長(cháng)處：

(1)適應尺寸范圍較寬，無(wú)需進(jìn)行手工裝掛，實(shí)現全部自動(dòng)化作業(yè)，對提高和確保作業(yè)過(guò)程對基板表面無(wú)損害，對實(shí)現規?；拇笊a(chǎn)極為有利。

(2)在工藝審查中，無(wú)需留有裝夾位置，增加實(shí)用面積，大大節約原材料的損耗。

(3)水平電鍍采用全程計算機控制，使基板在相同的條件下，確保每塊印制電路板的表面與孔的鍍層的均一性。

(4)從管理角度看，電鍍槽從清理、電鍍液的添加和更換，可完全實(shí)現自動(dòng)化作業(yè)，不會(huì )因為人為的錯誤造成管理上的失控問(wèn)題。

(5)從實(shí)際生產(chǎn)中可測所知，由于水平電鍍采用多段水平清洗，大大節約清洗水的用量及減少污水處理的壓力。

(6)由于該系統采用封閉式作業(yè)，減少對作業(yè)空間的污染和熱量的蒸發(fā)對工藝環(huán)境的直接影響，大大改善作業(yè)環(huán)境。特別是烘板時(shí)由于減少熱量的損耗，節約了能量的無(wú)謂消耗及大大提高生產(chǎn)效率。

五、總結

水平電鍍技術(shù)的出現，完全為了適應高縱橫比通孔電鍍的需要。但由于電鍍過(guò)程的復雜性和特殊性，在設計與研制水平電鍍系統仍然存在著(zhù)若干技術(shù)性的問(wèn)題。這有待于在實(shí)踐過(guò)程中加以改進(jìn)。

盡管如此，但水平電鍍系統的使用，對印制電路行業(yè)來(lái)說(shuō)是很大的發(fā)展和進(jìn)步。因為此類(lèi)型的設備在制造高密度多層板方面的運用，顯示出很大的潛力，它不但能節省人力及作業(yè)時(shí)間而且生產(chǎn)的速度和效率比傳統的垂直電鍍線(xiàn)要高。而且降低能量消耗、減少所需處理的廢液廢水廢氣，而且大大改善工藝環(huán)境和條件，提高電鍍層的質(zhì)量水準。水平電鍍線(xiàn)適用于大規模產(chǎn)量24小時(shí)不間斷作業(yè)，水平電鍍線(xiàn)在調試的時(shí)候較垂直電鍍線(xiàn)稍困難一些，一旦調試完畢是十分穩定的，同時(shí)在使用過(guò)程中要隨時(shí)監控鍍液的情況對鍍液進(jìn)行調整，確保長(cháng)時(shí)間穩定工作。