《印制电路板水平电镀技术研究hkmz》由会员分享，可在线阅读，更多相关《印制电路板水平电镀技术研究hkmz（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、印制电路路板水平平电镀技技术一概述述 随着微微电子技技术的飞飞速发展展，印制制电路板板制造向向多层化化、积层层化、功功能化和和集成化化方向迅迅速的发发展。促促使印制制电路设设计大量量采用微微小孔、窄窄间距、细细导线进进行电路路图形的的构思和和设计，使使得印制制电路板板制造技技术难度度更高，特特别是多多层板通通孔的纵纵横比超超过5：1及积积层板中中大量采采用的较较深的盲盲孔，使使常规的的垂直电电镀工艺艺不能满满足高质质量、高高可靠性性互连孔孔的技术术要求。其其主要原原因需从从电镀原原理关于于电流分分布状态态进行分分析，通通过实际际电镀时时发现孔孔内电流流的分布布呈现腰腰鼓形，出出现孔内内电流分分
2、布由孔孔边到孔孔中央逐逐渐降低低，致使使大量的的铜沉积积在表面面与孔边边，无法法确保孔孔中央需需铜的部部位铜层层应达到到的标准准厚度，有有时铜层层极薄或或无铜层层，严重重时会造造成无可可挽回的的损失，导导致大量量的多层层板报废废。为解解决量产产中产品品质量问问题，目目前都从从电流及及添加剂剂方面去去解决深深孔电镀镀问题。在在高纵横横比印制制电路板板电镀铜铜工艺中中，大多多都是在在优质的的添加剂剂的辅助助作用下下，配合合适度的的空气搅搅拌和阴阴极移动动，在相相对较低低的电流流密度条条件下进进行的。使使孔内的的电极反反应控制制区加大大，电镀镀添加剂剂的作用用才能显显示出来来，再加加上阴极极移动非非
3、常有利利于镀液液的深镀镀能力的的提高，镀镀件的极极化度加加大，镀镀层电结结晶过程程中晶核核的形成成速度与与晶粒长长大速度度相互补补偿，从从而获得得高韧性性铜层。 然而当通孔的纵横比继续增大或出现深盲孔的情况下，这两种工艺措施就显得无力，于是产生水平电镀技术。它是垂直电镀法技术发展的继续，也就是在垂直电镀工艺的基础上发展起来的新颖电镀技术。这种技术的关键就是应制造出相适应的、相互配套的水平电镀系统，能使高分散能力的镀液，在改进供电方式和其它辅助装置的配合下，显示出比垂直电镀法更为优异的功能作用。二水平电镀原理简析 水平电镀与垂直电镀方法和原理是相同的，都必须具有阴阳两极，通电后产生电极反应使电解
4、液主成份产生电离，使带电的正离子向电极反应区的负相移动；带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是产生金属沉积镀层和放出气体。因为金属在阴极沉积的过程分为三步：即金属的水化离子向阴极扩散；第二步就是金属水化离子在通过双电层时，逐步脱水，并吸附在阴极的表面上；第三步就是吸附在阴极表面的金属离子接受电子而进入金属晶格中。从实际观察到作业槽的情况是固相的电极与液相电镀液的界面之间的无法观察到的异相电子传递反应。其结构可用电镀理论中的双电层原理来说明，当电极为阴极并处于极化状态情况下，则被水分子包围并带有正电荷的阳离子，因静电作用力而有序的排列在阴极附近，最靠近阴极的阳离子中心点所构成的设相面而称之亥姆
5、霍兹（Helmholtz）外层，该外层距电极的距离约约110纳米。但是由于亥姆霍兹外层的阳离子所带正电荷的总电量，其正电荷量不足以中和阴极上的负电荷。而离阴极较远的镀液受到对流的影响，其溶液层的阳离子浓度要比阴离子浓度高一些。此层由于静电力作用比亥姆霍兹外层要小，又要受到热运动的影响，阳离子排列并不像亥姆霍兹外层紧密而又整齐，此层称之谓扩散层。扩散层的厚度与镀液的流动速率成反比。也就是镀液的流动速率越快，扩散层就越薄，反则厚，一般扩散层的厚度约550微米。离阴极就更远，对流所到达的镀液层称之谓主体镀液。因为溶液的产生的对流作用会影响到镀液浓度的均匀性。扩散层中的铜离子靠镀液靠扩散及离子的迁移方
6、式输送到亥姆霍兹外层。而主体镀液中的铜离子却靠对流作用及离子迁移将其输送到阴极表面。所在在水平电镀过程中，镀液中的铜离子是靠三种方式进行输送到阴极的附近形成双电层。 镀液的对流的产生是采用外部现内部以机械搅拌和泵的搅拌、电极本身的摆动或旋转方式，以及温差引起的电镀液的流动。在越靠近固体电极的表面的地方，由于其磨擦阻力的影响至使电镀液的流动变得越来越缓慢，此时的固体电极表面的对流速率为零。从电极表面到对流镀液间所形成的速率梯度层称之谓流动界面层。该流动界面层的厚度约为扩散层厚度的的十倍，故扩散层内离子的输送几乎不受对流作用的影响。 在电埸的作用下，电镀液中的离子受静电力而引起离子输送称之谓离子迁
7、移。其迁移的速率用公式表示如下： u = ze0E / 6( r ( 其中中 u为为离子迁迁移速率率、 zz 为离离子的电电荷数、ee0 为为一个电电子的电电荷量（即即1.6610119C）、EE为电位位、 rr 为水水合离子子的半径径、(为为电镀液液的粘度度。根据据方程式式的计算算可以看看出，电电位E降降落越大大， 电电镀液的的粘度(越小，离离子迁移移的速率率也就越越快。 根据据电沉积积理论，电电镀时，位位于阴极极上的印印制电路路板为非非理想的的极化电电极，吸吸附在阴阴极的表表面上的的铜离子子获得电电子而被被还原成成铜原子子，而使使靠近阴阴极的铜铜离子浓浓度降低低。因此此，阴极极附近会会形成
8、铜铜离子浓浓度梯度度。铜离离子浓度度比主体体镀液的的浓度低低的这一一层镀液液即为镀镀液的扩扩散层。而而主体镀镀液中的的铜离子子浓度较较高，会会向阴极极附近铜铜离子浓浓度较低低的地方方，进行行扩散，不不断地补补充阴极极区域。印印制电路路板类似似一个平平面阴极极，其电电流的大大小与扩扩散层的的厚度的的关系式式为COOTTRRELLL方程式式： z FADD CCb - Coo ( = (其中中 I为为电流、zz 为铜铜离子的的电荷数数、F 为法拉拉第常数数、 AA为阴极极表面积积、D为为铜离子子扩散系系数（ D= KT/6 ( r (）CCb 为为主体镀镀液中铜铜离子浓浓度、CCo 为为阴极表表面
9、铜离离子的浓浓度、 D 为为扩散层层的厚度度、 KK 为波波次曼常常数（KK = R / N）、TT 为温温度、rr 为铜铜水合离离子的半半径、(为电镀镀液的粘粘度。当当阴极表表面铜离离子浓度度为零时时，其电电流称为为极限扩扩散电流流 i( ： zzFADDCb i( = ( 从上上式可看看出，极极限扩散散电流的的大小决决定于主主体镀液液的铜离离子浓度度、铜离离子的扩扩散系数数及扩散散层的厚厚度。当当主体镀镀液中的的铜离子子的浓度度高、铜铜离子的的扩散系系数大、扩扩散层的的厚度薄薄时，极极限扩散散电流就就越大。 根据上述公式得知，要达到较高的极限电流值，就必须采取适当的工艺措施，也就是采用加温
10、的工艺方法。因为升高温度可使扩散系数变大，增快对流速率可使其成为涡流而获得薄而又均一的扩散层。从上述理论分析，增加主体镀液中的铜离子浓度，提高电镀液的温度，以及增快对流速率等均能提高极限扩散电流，而达到加快电镀速率的目的。水平电镀基于镀液的对流速度加快而形成涡流，能有效地使扩散层的厚度降至10微米左右。故采用水平电镀系统进行电镀时，其电流密度可高达8/dm2。 印制电路板电镀的关键，就是如何确保基板两面及导通孔内壁铜层厚度的均匀性。要得到镀层厚度的均一性，就必须确保印制板的两面及通孔内的镀液流速要快而又要一致，以获得薄而均一的扩散层。要达到薄均一的扩散层，就目前水平电镀系统的结构看，尽管该系统
11、内安装了许多喷咀，能将镀液快速垂直的喷向印制板，以加速镀液在通孔内的流动速度，致使镀液的流动速率很快，在基板的上下面及通孔内形成涡流，使扩散层降低而又较均一。但是，通常当镀液突然流入狭窄的通孔内时，通孔的入口处镀液还会有反向回流的现象产生，再加上一次电流分布的影响，演常常造成入口处孔部位电镀时，由于尖端效应导致铜层厚度过厚，通孔内壁构成狗骨头形状的铜镀层。根据镀液在通孔内流动的状态即涡流及回流的大小，导电镀通孔质量的状态分析，只能通过工艺试验法来确定控制参数达到印制电路板电镀厚度的均一性。因为涡流及回流的大小至今还是无法通过理论计算的方法获知，所以只有采用实测的工艺方法。从实测的结果得知，要控
12、制通孔电镀铜层厚度的均匀性，就必须根据印制电路板通孔的纵横比来调整可控的工艺参数，甚至还要选择高分散能力的电镀铜溶液，再添加适当的添加剂及改进供电方式即采用反向脉冲电流进行电镀才给获得具有高分布能力的铜镀层。 特别是积层板微盲孔数量增加，不但要采用水平电镀系统进行电镀，还要采用超声波震动来促进微盲孔内镀液的更换及流通，再改进供电方式利用反脉冲电流及实际测试的的数据来调正可控参数，就能获得满意的效果。三水平电镀系统基本结构 根据水平电镀的特点，它是将印制电路板放置的方式由垂直式变成平行镀液液面的电镀方式。这时的印制电路板为阴极，而电流的供应方式有的水平电镀系统采用导电夹子和导电滚轮两种。从操作系
13、统方便来谈，采用滚轮导电的供应方式较为普遍。水平电镀系统中的导电滚轮除作为阴极外，还具有传送印制电路板的功能。每个导电滚轮都安装着弹簧装置，其目的能适应不同厚度的印制电路板（0.105.00mm）电镀的需要。但在电镀时就会出现与镀液接触的部位都可能被镀上铜层，久面久之该系统就无法运行。因此，目前的所制造的水平电镀系统，大多将阴极设计成可切换成阳极，再利用一组辅助阴极，便可将被镀互滚轮上的铜电解溶解掉。为维修或更换方面起见，新的电镀设计也考虑到容易损耗的部位便于拆除或更换。阳极是采用数组可调整大小的不溶性钛篮，分别放置在印制电路板的上下位置，内装有直径为25mm圆球状、含磷量为0.0040.00
14、6可溶性的铜、阴极与阳极之间的距离为40mm。 镀液的流动是采用泵及喷咀组成的系统，使镀液在封闭的镀槽内前后、上下交替迅速的流动，并能确保镀液流动的均一性。 镀液为垂直喷向印制电路板，在印制电路板面形成冲壁喷射涡流。其最终目的达到印制电路板两面及通孔的镀液快速流动形成涡流。另外槽内装有过滤系统，其中所采用的过滤网为网眼为1.2微米，以过滤去电镀过程中所产生的颗粒状的杂质，确保镀液的干净无污染。 在制造水平电镀系统时，还要考虑到操作方便和工艺参数的自动控制。因为在实际电镀时，随着印制电路板尺寸的大小、通孔孔径的尺寸的大小及所要求的铜厚度的不同、传送速度、印制电路板间的距离、泵马力的大小、喷咀的方
15、向及电流密度的高低等工艺参数的设定，都需要进行实际测试和调整及控制，才能获得合乎技术要求的铜层厚度。就必采用计算机进行控制。为提高生产效率及高档次产品质量的一致性和可靠性，将印制电路板的通孔前后处理（包括镀覆孔）按照工艺程序，构成完整的水平电镀系统，才是满足新品开发、上市的需要。四水平电镀的发展优势 水平电镀技术的发展不是偶然的，而是高密度、高精度、多功能、高纵横比多层印制电路板产品特殊功能的需要是个必然的结果。它的优势就是要比现在所采用的垂直挂镀工艺方法更为先进，产品质量更为可靠，能实现规模化的大生产。它与垂直电镀工艺方法相比具有以下长处：（1）适应尺寸范围较宽，无需进行手工装挂，实现全部自动化作业，对提高和确保作业过程对基板表面无损害，对实现规模化的大生产极为有利。（2）在工艺审查中，无需留有装夹位置，增加实用面积，大大节约原材料的损耗。（3）水平电镀采用全程计算机控制，使基板在相同的条件下，确保每块印制电路板的表面与孔的镀层的均一
