PCBブログ - PCBボード水平電気めっき技術の紹介について

概要

マイクロエレクトロニクス技術の急速な発展につれて、PCBボードも多層の方向に急速に発達しています。それに、スタックアップ、 機能化、統合及び小さな穴を使用した回路パターンの設計を促進します。 狭い間隔は印刷回路設計における避けられません。これは、プリント回路基板の製造技術をより難しくして、特に、多層基板の貫通孔のアスペクト比は5：1を超え、積層体に広く用いられている深いブラインドホールは、従来の垂直電気めっきプロセスが、高品質で高信頼性の相互接続孔の技術的要求を満たすことができません。主な理由は電気めっき原理から電流分布状態を解析することです。実際の電気めっき中、穴の電流分布がウエストドラム形状を示すことが分かりました。そして、穴の電流分布は、孔の端から穴の中心まで次第に減少します。表面と穴に堆積した多量の銅を生じます。穴の端で、 銅が必要とされる穴の中心における銅層の標準的厚さを確保することは不可能です。時々、銅層は非常に薄いか、または銅層がありません。更に、それは回復できない損失を引き起こすでしょう。多数の多層ボードを廃棄します。大量生産における製品品質問題解決のために、深穴電気めっきの問題は現在電流と添加物の観点から解決されています。高アスペクト比のプリント回路基板のための銅の電気めっきプロセスの大部分は、高品質添加物を用いて比較的低い電流密度で実施されます。適度な空気攪拌、陰極運動、電気メッキ添加剤の効果は、正孔の電極反応制御領域を増加させることによってのみ表示することができます。それに、カソードの移動はめっき液の深めっき性の向上に非常に有益です。そして、メッキ部品の偏光度が増加します。結晶核の形成速度と結晶粒の成長速度は互いに補償します。高靭性銅層を得るために、スルーホールのアスペクト比が増加し続けるかまたは深い盲目の穴が現れるとき、これら2つの方法は効果がありません。水平電気めっき技術の結果として生じます。垂直電気めっき技術の開発の継続です。それで、垂直電気めっきプロセスに基づいて開発した新しい電気めっき技術があります。この技術の鍵は、電気的モードの改善と他の補助
デバイスの協力によって、高い電気的分散性を有するめっき液が垂直電気めっき法よりも優れ得るように、互いに適合する水平電気め
っきシステムを作成することです。

水平電気めっきの原理入門

水平電気めっきおよび垂直電気メッキの方法および原理は同じで、両方ともカソードおよびアノード電極を有します。電化後、電極反応が起こり電解質の主要成分をイオン化し、荷電正イオンが電極反応ゾーンの負相に移動する荷電負イオンは電極の方へ移動します。次いで、反応ゾーンの正の位相シフトは、金属蒸着コーティングおよびアウトガス放出を生じます。カソードにおける金属堆積のプロセスは3つのステップに分けられるので、すなわち、金属の水和イオンはカソードに拡散する第2のステップは、電気二重層を通過するときに、金属水和イオンが徐々に脱水されて、カソードの表層に吸着されるということである第1のステップは、カソード表面に吸着した金属イオンが電子を受け入れ、金属格子に入ることです。作動槽の実際の観察は固相電極と液相めっき液の界面との間の観測不可能な相間電子移動反応です。その構造は電気めっき理論における電気二重層の原理で説明できます。電極が陰極であり、分極状態にあるとき、水分子によって囲まれた正電荷を有する陽イオンは、静電力によりカソードに規則的に配置されます。近傍において、カソード中心付近のカチオン中心点によって形成される位相面は、ヘルムホルツ外層と呼ばれ、外側層と電極との間の距離は約1ナノメートルです。しかし、Helmholtz外層の陽イオンによってもたらされる正電荷の総量のために、正電荷はカソード上の負電荷を中和するには不十分です。陰極から離れためっき液は対流の影響を受け、溶液層中の陽イオン濃度は陰イオンより高いです。この層は静電気力によるhelmholtz外層よりも小さく、また熱運動の影響を受けます。陽イオン配列は、ヘルムホルツ外層としてコンパクトで、正味ではありません。この層を拡散層と呼びます。拡散層の厚さは浴の流量に反比例します。すなわち、メッキ液の流量が速くなり、拡散層が薄くなり、逆に逆になります。一般に、拡散層の厚さは5?50ミクロンです。カソードから遠い方にあり、対流によって到達したメッキ
液層を主メッキ液と呼びます。溶液によって生じた対流は、めっき液の濃度の均一性に影響を及ぼします。拡散層中の銅イオンは、メッキ液中の拡散及びイオンマイグレーションによって外部ヘルメットホール層に輸送されます。主浴中の銅イオンは対流とイオンマイグレーションにより陰極表面に輸送されます。水平電気めっき工程では、メッキ液中の銅イオンを陰極近傍まで3方向に輸送して電気二重層を形成します。

メッキ液の対流は、外部及び内部の機械的攪拌及びポンプ攪拌、電極自体のスイング又は回転、及び温度差によるメッキ液の流れによって発生します。固体電極の表面に近いほど、電気抵抗の流動は摩擦抵抗の影響で遅くなります。電極表面から対流性めっき液に形成される速度勾配層をフロー界面層と呼びます。流れ界面層の厚さは拡散層の約10倍であり、拡散層中のイオンの輸送は対流の影響をほとんど受けません。電場の作用により、電気めっき液中のイオンは静電気力を受けてイオン移動を起こし、イオンマイグレーションと呼ばれます。その移動速度は以下のように表されます。U = Zeon / 6 - Cherno . R .- Uはイオンマイグレーション速度、Zはイオンの電荷数であり、電子の電荷（IE 1.61019 C）、Eは電位、Rは水和イオンの半径、及び、Cellは電気めっき液の粘度である。式の計算によれば、電位Eの低下が大きくなり、電気めっき液の粘度が小さくなり、イオンマイグレーション率が速くなることが分かりました。

電着理論によれば、電気めっきの際、陰極上のプリント回路基板は非理想的な分極電極であり、カソード表面に吸着された銅イオンは電子を得て銅原子に還元され、カソードに近い銅イオンの濃度が増加します。このため、陰極近傍に銅イオン濃度勾配が形成されます。主めっき液の濃度より低い銅イオン濃度のメッキ液層は、メッキ液の拡散層です。しかし、主メッキ液中の銅イオン濃度は高く、銅イオン濃度が低いカソード付近に拡散し、連続的にカソード領域を補充します。プリント回路基板は平坦なカソードに類似しており、散層の電流の大きさと厚さとの関係はCoTTRELL式であり、Iは電流、Zは銅イオンの電荷数、Fはファラデー定数、Aはカソード表面積、Dは銅イオンの拡散係数（D＝KT／6?ΔR）です。Cbは主浴中の銅イオン濃度、Coは陰極表面上の銅イオン濃度、Dは拡散層の厚さ、Kはポストマン定数（K＝R／N）、Tは温度、Rは銅水和物イオンの半径、δは電気めっき液の粘度です。陰極表面の銅イオン濃度がゼロのとき、その電流を制限拡散電流IIと呼びます。

このことから、制限拡散電流の大きさは、主メッキ液の銅イオン濃度、銅イオンの拡散係数、拡散層の厚さによって決まることがわかります。主メッキ液中の銅イオン濃度が高い場合は、銅イオンの拡散係数が大きく、拡散層の厚さが薄くなり、拡散律速電流が大きくなります。

上記式によれば、より高い限界電流値を得るためには、適切な技術的手段、すなわち加熱技術の使用が必要があります。温度を上げることは拡散係数を増加させることができるので、対流速度を増加させることは渦を作ることができて、薄くて均一な拡散層を得ることができます。この理論的解析から、主メッキ液中の銅イオン濃度を増加させ、メッキ液の温度を上昇させ、対流速度を増加させることにより、限界拡散電流を増加させ、めっき速度を加速することを目的とします。水平メッキは、メッキ液の加速された対流速度に起因する渦電流の形成に基づきます。そして、それは効果的に拡散層の厚みを約10ミクロンに減らすことができます。したがって、電気めっきのために水平電気メッキシステムを使用する場合、電流密度は8 A／dm 2となることができます。塗布膜厚の均一性を得るためには、プリント基板とスルーホールの両面のメッキ液の流量を速く且つ一貫して薄く均一な拡散層を得ることが必要があります。このような薄層で均一な拡散層を得るためには、現在の水平電気メッキ方式の構造によれば、多数のノズルをシステム内に設置しているが、メッキ液をプリント基板上に迅速かつ垂直に噴霧して、スルーホール内のメッキ液の流れを速めることができます。メッキ液の流量は非常に高速であり、基板の上下及び貫通孔に渦電流が形成され、拡散層が小さくなり均一になります。しかし、狭い貫通孔にメッキ液が急激に流れ込むと、貫通孔の入口のメッキ液も逆リフローの現象となります。電流分布の影響と併せて，穴の電気めっきがしばしば起こります。この効果により銅層が厚すぎ、貫通孔の内壁が銅骨の形態で銅メッキ層を形成します。スルーホール内のメッキ液の流れ状態、すなわち渦電流とリフローの大きさ、及び導電性メッキスルーホールの品質の解析によれば、プロセスパラメータによって制御パラメータを決定することができ、プリント基板のメッキ厚さの均一性を得ることができます。渦電流と逆流の大きさはまだ理論計算の方法では知ることができないので，測定した方法のみを使用します。この測定結果から、スルーホール銅めっき層の膜厚均一性を制御するためには、プリント配線板のアスペクト比に応じて制御可能なプロセスパラメータを調整し、高分散銅めっき液を選択する必要があることが知られています。そして、適切な添加剤を加えて、電源モードを改良すること、すなわち電気メッキのために逆パルス電流を使用することは、高い分配能力を有する銅コーティングを得ることができます。特に、ラミネートにおけるマイクロブラインドホールの数の増加に伴い、電気メッキには水平電気めっき方式のみならず、超音波振動を利用して、マイクロブラインド孔内のメッキ液の交換及び循環を促進する必要があります。制御可能なパラメータを修正するためにデータを調整し、良好な結果を得ることができます。

水平電気めっきシステムの基本構造

水平電気めっきの特性によれば、プリント配線板の配置方法を垂直から平行メッキ液レベルに変える電気めっき法です。このとき、プリント回路基板は陰極であり、いくつかの水平電気メッキシステムは、電流の供給のために導電性クリップおよび導電性ローラを使用します。運転系の便宜の観点から、ローラ伝導の供給方法を使用することは、より一般的です。陰極であることに加えて、水平電気メッキシステムの伝導性ローラも、プリント回路基板を運ぶ機能を有します。各導電性ローラはばね装置を備え、その厚みは異なるプリント回路板（0.10?5.00 mm）の電気めっきの必要性に適応することが目的です。しかしながら、電気メッキ時にはメッキ液に接する部分を銅層でメッキして、長時間動作させることができません。したがって、現在の水平電気メッキシステムの大部分は、カソードを陽極に切り換えるように設計され、次いで、補助陰極のセットを使用して、めっきされたローラ上の銅を電解溶解します。メンテナンスまたは交換目的のために、新しいメッキ設計も、簡単な除去または摩耗やすい地域の置き換えを考慮に入れます。陽極は、プリント回路基板の上下の位置に配置され、直径25 mmの球状、可溶性銅、0.004?0.006 %のリン含有量、およびカソードとアノードとの間の距離によって充填され、不溶性チタンバスケットの配列で作られています。メッキ液の流れは、ポンプとノズルからなるシステムであり、メッキ液を密閉メッキ槽内で交互に前後に上下に流れ、メッキ液の均一性を確保することができます。メッキ液はプリント基板上に垂直に噴射され、プリント基板の表面に壁面噴流渦電流が形成されます。最終的には、プリント基板とスルーホールの両面にメッキ液を急速に流れ、渦電流を形成することが目標です。また、タンク内にフィルタシステムを設置し、使用したフィルターメッシュを1.2ミクロンとして、電気メッキ処理中に発生した微粒子不純物を除去して、メッキ液を清浄で無害にします。

水平電気めっきシステムの製造においては、操作の容易さとプロセスパラメータの自動制御も考慮すべきです。実際の電気メッキでは、プリント配線板の大きさ、貫通孔径の大きさ、および必要な銅箔の厚さ、伝送速度、プリント回路基板間の距離、ポンプ馬力の大きさ、ノズル、銅の方向や電流密度などのプロセスパラメータの設定などが必要があります。技術的要求を満たす銅層の厚さを得るために調整及び制御されます。それはコンピュータによって制御されなければなりません。サブ製品の製造効率や品質の一貫性及び信頼性を向上させるために、プリント配線板のスルーホール（メッキスルーホールを含む）の前処理と後処理とは、新製品の開発及び立ち上げに適した完全な水平電気メッキシステムを形成するプロセス手順に基づいています。


水平電気めっきの開発利点

水平電気めっき技術の開発は、偶然ではなく、高密度、高精度、多機能、高アスペクト比の多層プリント回路基板製品の特別な機能を必要とする必然的な結果です。その利点は、現在使用されている垂直ラックメッキプロセスよりも高度であり、製品品質がより信頼性が高く、大規模生産を達成することができるという点です。垂直めっき法に比べて以下の利点があります。

1）手動設置と吊り下げなしで広範囲のサイズに適応でき、すべての自動運転を実現でき、操作工程が基板表面を損傷しないことを保証し、大規模生産に極めて有益だ。

2）プロセスレビューでは、クランプ位置を残し、実用面積を増加させ、原料の損失を大幅に節約する必要がない。

3）水平電気めっきの全工程をコンピュータにより制御し、基板の表面と孔の均一性を確保するため、基板を同一条件とする。

4）管理の観点から、めっき槽の洗浄、添加、めっき液の交換が完全に自動化でき、ヒューマンエラーにより管理が切れない。

5）水平電気めっきは多段水平洗浄を採用し、洗浄水の量を大幅に節約し、下水処理の圧力を低下させることが実際の製品から知られている。

6）システムはクローズド運転を採用しているため、作業空間の汚染や熱の蒸発による直接的な影響を低減し、作業環境を大幅に改善する。特に、プレートを焼く場合には、熱損失を低減するため、不要なエネルギー消費量を節約でき、生産効率が大幅に向上する。


まとめ

高アスペクト比でスルーホールめっきのニーズを満たすための水平めっき技術の出現します。しかし、電気めっきプロセスの複雑さと詳細性のために、電気めっきシステムの設計と開発にはまだいくつかの技術的問題があります。これは実際に改善される必要があります。それにもかかわらず、水平電気めっきシステムの使用は印刷回路産業にとって大きな発展と進歩です。高密度多層基板の製造におけるこの種の装置の適用は大きな可能性を示します。それはマンパワーと操作時間を節約できません。しかし、従来の垂直電気メッキラインよりも速く、より効率的に製造します。それに、エネルギー消費量を減らすため、廃液、廃水、そして、処理される排ガスは、減らされます。プロセスの環境と条件が大幅に改善されて、そして、電気メッキ層の品質レベルは改良されます。水平電気めっきラインは大規模生産の24時間連続操業に適しています。水平電気めっきラインは、垂直電気メッキラインよりも、デバッグするのがやや困難です。デバッグが完了すると、非常に安定、メッキ液を調整して長時間安定した操業を行います。

（株）iPCBはPCB＆PCBAの設計、製造販売及びこれらの付随業務の電子相関事業を手掛けています。弊社の詳細はリンク：https://www.ipcb.jp/ 或いはhttps://www.ipcb.com/jp　をご覧ください。