高精密線路闆PCB水平電鍍工藝詳解

随著(zhe)微電子技術的飛速發展，印制電路闆制造向多層化、積層化、功能化和集成化方向發展，使得印制電路闆制造技術難度更高，常規的垂直電鍍工藝不能滿足高質量、高可靠性互連孔的技術要求，於(yú)是産生水平電鍍技術。本文從水平電鍍的原理、水平電鍍系統基本結構、水平電鍍的發展優勢，對水平電鍍技術進行分析和評估，指出水平電鍍系統的使用，對印制電路行業來說是很大的發展和進步。

關鍵字:印制電(diàn)路闆水平電(diàn)鍍(dù)垂直電(diàn)鍍(dù)

一、概述

随著(zhe)微電子技術的飛速發展，印制電路闆制造向多層化、積層化、功能化和集成化方向迅速的發展。促使印制電路設計大量採用微小孔、窄間距、細導線進行電路圖形的構思和設計，使得印制電路闆制造技術難度更高，特别是多層闆通孔的縱橫比超過５：１及積層闆中大量採用的較深的盲孔，使常規的垂直電鍍工藝不能滿足高質量、高可靠性互連孔的技術要求。其主要原因需從電鍍原理關於(yú)電流分布狀态進行分析，通過實際電鍍時發現孔内電流的分布呈現腰鼓形，出現孔内電流分布由孔邊到孔中央逐漸降低，緻使大量的銅沉積在表面與孔邊，無法確保孔中央需銅的部位銅層應達到的标準厚度，有時銅層極薄或無銅層，嚴重時會造成無可挽回的損失，導緻大量的多層闆報廢。爲解決量産中産品質量問題，目前都從電流及添加劑方面去解決深孔電鍍問題。在高縱橫比印制電路闆電鍍銅工藝中，大多都是在優質的添加劑的輔助作用下，配合适度的空氣攪拌和陰極移動，在相對較低的電流密度條件下進行的。使孔内的電極反應控制區加大，電鍍添加劑的作用才能顯示出來，再加上陰極移動非常有利於(yú)鍍液的深鍍能力的提高，鍍件的極化度加大，鍍層電結晶過程中晶核的形成速度與晶粒長大速度相互補償，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力，於(yú)是産(chǎn)生水平電鍍技術。它是垂直電鍍法技術發展的繼續，也就是在垂直電鍍工藝的基礎上發展起來的新穎電鍍技術。這種技術的關鍵就是應制造出相适應的、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爲優異的功能作用。

二、水平電(diàn)鍍(dù)原理簡介

水平電鍍與垂直電鍍方法和原理是相同的，都必須具有陰陽兩極，通電後産生電極反應使電解液主成份産生電離，使帶電的正離子向電極反應區的負相移動；帶電的負離子向電極反應區的正相移動，於(yú)是産生金屬沉積鍍層和放出氣體。因爲金屬在陰極沉積的過程分爲三步：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雙電層時，逐步脫水，並(bìng)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入金屬晶格中。從實際觀察到作業槽的情況是固相的電極與液相電鍍液的界面之間的無法觀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說明，當電極爲陰極並(bìng)處於(yú)極化狀态情況下，則被水分子包圍並(bìng)帶有正電荷的陽離子，因靜電作用力而有序的排列在陰極附近，最靠近陰極的陽離子中心點所構成的設相面而稱之亥姆霍茲（Helmholtz）外層，該外層距電極的距離約約１－１０納米。但是由於(yú)亥姆霍茲外層的陽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，其溶液層的陽離子濃度要比陰離子濃度高一些。此層由於(yú)靜電力作用比亥姆霍茲外層要小，又要受到熱運動的影響，陽離子排列並(bìng)不像亥姆霍茲外層緊密而又整齊，此層稱之謂擴散層。擴散層的厚度與鍍液的流動速率成反比。也就是鍍液的流動速率越快，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之謂主體鍍液。因爲溶液的産生的對流作用會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将其輸送到陰極表面。所在在水平電鍍過程中，鍍液中的銅離子是靠三種方式進行輸送到陰極的附近形成雙電層。

鍍液的對流的産生是採(cǎi)用外部現内部以機械攪拌和泵的攪拌、電極本身的擺動或旋轉方式，以及溫差引起的電鍍液的流動。在越靠近固體電極的表面的地方，由於(yú)其磨擦阻力的影響至使電鍍液的流動變得越來越緩慢，此時的固體電極表面的對流速率爲零。從電極表面到對流鍍液間所形成的速率梯度層稱之謂流動界面層。該流動界面層的厚度約爲擴散層厚度的的十倍，故擴散層内離子的輸送幾乎不受對流作用的影響。

在電(diàn)埸的作用下，電(diàn)鍍液中的離子受靜電(diàn)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爲離子遷移速率、ｚ爲離子的電(diàn)荷數、eo爲一個電(diàn)子的電(diàn)荷量（即1.61019C）、Ｅ爲電(diàn)位、ｒ爲水合離子的半徑、η爲電(diàn)鍍液的粘度。根據方程式的計算可以看出，電(diàn)位Ｅ降落越大，電(diàn)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，位於(yú)陰極上的印制電路闆爲非理想的極化電極，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爲鍍液的擴散層。而主體鍍液中的銅離子濃度較高，會向陰極附近銅離子濃度較低的地方，進行擴散，不斷地補(bǔ)充陰極區域。印制電路闆類似一個平面陰極，其電流的大小與擴散層的厚度的關系式爲ＣＯＴＴＲＥＬＬ方程式：

其中Ｉ爲電流、ｚ爲銅離子的電荷數、Ｆ爲法拉第常數、Ａ爲陰極表面積、Ｄ爲銅離子擴散系數（Ｄ＝ＫＴ／６πｒη），Ｃb爲主體鍍液中銅離子濃度、Ｃo爲陰極表面銅離子的濃度、Ｄ爲擴散層(céng)的厚度、Ｋ爲波次曼常數（Ｋ＝Ｒ／Ｎ）、Ｔ爲溫度、ｒ爲銅水合離子的半徑、η爲電鍍液的粘度。當陰極表面銅離子濃度爲零時，其電流稱(chēng)爲極限擴散電流ii：

從上式可看出，極限擴散電流的大小決定於(yú)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，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，就必須採(cǎi)取适當的工藝措施，也就是採(cǎi)用加溫的工藝方法。因爲升高溫度可使擴散系數變大，增快對流速率可使其成爲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。水平電鍍基於(yú)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。故採(cǎi)用水平電鍍系統進行電鍍時，其電流密度可高達８Ａ/ｄｍ2。

印制電路闆電鍍的關鍵，就是如何確保基闆兩面及導通孔内壁銅層厚度的均勻性。要得到鍍層厚度的均一性，就必須確保印制闆的兩面及通孔内的鍍液流速要快而又要一緻，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，盡管該系統内安裝瞭(le)許多噴咀，能将鍍液快速垂直的噴向印制闆，以加速鍍液在通孔内的流動速度，緻使鍍液的流動速率很快，在基闆的上下面及通孔内形成渦流，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内時，通孔的入口處鍍液還會有反向回流的現象産生，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，由於(yú)尖端效應導緻銅層厚度過厚，通孔内壁構成狗骨頭形狀的銅鍍層。根據鍍液在通孔内流動的狀态即渦流及回流的大小，導電鍍通孔質量的狀态分析，隻能通過工藝試驗法來確定控制參數達到印制電路闆電鍍厚度的均一性。因爲渦流及回流的大小至今還是無法通過理論計算的方法獲知，所以隻有採用實測的工藝方法。從實測的結果得知，要控制通孔電鍍銅層厚度的均勻性，就必須根據印制電路闆通孔的縱橫比來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，再添加适當的添加劑及改進供電方式即採用反向脈沖電流進行電鍍才給獲得具有高分布能力的銅鍍層。

特别是積層闆微盲孔數量增加，不但要採(cǎi)用水平電鍍系統進行電鍍，還要採(cǎi)用超聲波震動來促進微盲孔内鍍液的更換及流通，再改進供電方式利用反脈沖電流及實際測試的的數據來調正可控參(cān)數，就能獲得滿意的效果。

三、水平電(diàn)鍍(dù)系統基本結構

根據水平電鍍的特點，它是将印制電路闆放置的方式由垂直式變成平行鍍液液面的電鍍方式。這時的印制電路闆爲陰極，而電流的供應方式有的水平電鍍系統採用導電夾子和導電滾輪兩種。從操作系統方便來談，採用滾輪導電的供應方式較爲普遍。水平電鍍系統中的導電滾輪除作爲陰極外，還具有傳送印制電路闆的功能。每個導電滾輪都安裝著(zhe)彈簧裝置，其目的能适應不同厚度的印制電路闆（０．１０－５．００ｍｍ）電鍍的需要。但在電鍍時就會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法運行。因此，目前的所制造的水平電鍍系統，大多将陰極設計成可切換成陽極，再利用一組輔助陰極，便可将被鍍互滾輪上的銅電解溶解掉。爲維修或更換方面起見，新的電鍍設計也考慮到容易損耗的部位便於(yú)拆除或更換。陽極是採用數組可調整大小的不溶性钛籃，分别放置在印制電路闆的上下位置，内裝有直徑爲２５ｍｍ圓球狀、含磷量爲０．００４－０．００６％可溶性的銅、陰極與陽極之間的距離爲４０ｍｍ。

鍍液的流動是採用泵及噴咀組成的系統，使鍍液在封閉的鍍槽内前後、上下交替迅速的流動，並(bìng)能確(què)保鍍液流動的均一性。鍍液爲垂直噴向印制電路闆，在印制電路闆面形成沖壁噴射渦流。其最終目的達到印制電路闆兩面及通孔的鍍液快速流動形成渦流。另外槽内裝有過濾系統，其中所採用的過濾網爲網眼爲１．２微米，以過濾去電鍍過程中所産生的顆粒狀的雜質，確(què)保鍍液的幹淨環保。

在制造水平電鍍系統時，還要考慮到操作方便和工藝參數的自動控制。因爲在實際電鍍時，随著(zhe)印制電路闆尺寸的大小、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、印制電路闆間的距離、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，都需要進行實際測試和調整及控制，才能獲得合乎技術要求的銅層厚度。就必採(cǎi)用計算機進行控制。爲提高生産效率及高檔次産品質量的一緻性和可靠性，将印制電路闆的通孔前後處理（包括鍍覆孔）按照工藝程序，構成完整的水平電鍍系統，才是滿足新品開發、上市的需要。

四、水平電(diàn)鍍(dù)的發展優勢

水平電鍍技術的發展不是偶然的，而是高密度、高精度、多功能、高縱橫比多層(céng)印制電路闆産品特殊功能的需要是個必然的結果。它的優勢就是要比現在所採(cǎi)用的垂直挂鍍工藝方法更爲先進，産品質量更爲可靠，能實現規模化的大生産。它與垂直電鍍工藝方法相比具有以下長處：

（１）适應尺寸範圍較寬，無需進行手工裝挂，實現全部自動化作業，對提高和確(què)保作業過程對基闆表面無損害，對實現規模化的大生産(chǎn)極爲有利。

（２）在工藝審查中，無需留有裝夾(jiā)位置，增加實用面積(jī)，大大節約原材料的損耗。

（３）水平電鍍採(cǎi)用全程計算機控制，使基闆在相同的條件下，確(què)保每塊印制電路闆的表面與孔的鍍層的均一性。

（４）從(cóng)管理角度看，電鍍槽從(cóng)清理、電鍍液的添加和更換，可完全實現自動化作業，不會因爲人爲的錯(cuò)誤造成管理上的失控問題。

（５）從實際生産中可測所知，由於(yú)水平電鍍採(cǎi)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）由於(yú)該系統採用封閉式作業，減少對作業空間的污染和熱量的蒸發對工藝環境的直接影響，大大改善作業環境。特别是烘闆時由於(yú)減少熱量的損耗，節約瞭(le)能量的無謂消耗及大大提高生産效率。

五、總結

水平電鍍技術的出現，完全爲瞭(le)适應高縱橫比通孔電鍍的需要。但由於電鍍過程的複雜性和特殊性，在設計與研制水平電鍍系統仍然存在著(zhe)若幹技術性的問題。這有待於在實踐過程中加以改進。盡管如此，但水平電鍍系統的使用，對印制電路行業來說是很大的發展和進步。因爲此類型的設備在制造高密度多層闆方面的運用，顯示出很大的潛力，它不但能節省人力及作業時間而且生産的速度和效率比傳統的垂直電鍍線要高。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境和條件，提高電鍍層的質量水準。水平電鍍線适用於大規模産量24小時不間斷作業，水平電鍍線在調試的時候較垂直電鍍線稍困難一些，一旦調試完畢是十分穩定的，同時在使用過程中要随時監控鍍液的情況對鍍液進行調整，確保長時間穩定工作。