PCB部落格 - PCB板水准電鍍科技介紹

一、概述

隨著微電子技術的飛速發展, 製造 PCB電路板 正朝著多層次的方向快速發展, 堆疊, 功能化, 和集成. 它促進了使用小孔的電路圖案的設計和設計, 窄間距, 和印刷電路設計中的細線, 這使得印刷電路板的製造技術更加困難, 特別是由於多層板中通孔的縱橫比超過5:1，以及產品中廣泛使用的深盲孔，使得傳統的垂直電鍍工藝無法滿足高品質、高可靠性互連孔的科技要求. 其主要原因是從電鍍原理分析電流分佈狀態. 實際電鍍期間, 發現孔內電流分佈呈腰鼓形, 從孔的邊緣到孔的中心，孔內的電流分佈逐漸减小, 導致表面和孔上沉積大量銅. 在洞的邊緣, 在需要銅的孔中心，不可能確保銅層的標準厚度. 有時銅層很薄或沒有銅層. 在嚴重情况下, 這將造成無法彌補的損失, 導致大量多層壁報廢. 為了解决大規模生產中的產品品質問題, 現時，深孔電鍍問題從電流和添加劑兩個方面得到了解决. 大展弦比印刷電路板的大多數鍍銅工藝都是在相對較低的電流密度下，借助優質添加劑進行的, 適度空氣攪拌, 和陰極運動. 電鍍添加劑的效果只能通過新增孔中的電極反應控制面積來顯示. 此外, 陰極的移動有利於提高鍍液的深鍍能力, 電鍍部分的極化度新增. 晶核的形成速度和晶粒的生長速度相互補償, 從而獲得高韌性銅層. 然而, 當通孔的縱橫比繼續新增或出現深盲孔時, 這兩種過程措施變得無效, 從而產生了水准電鍍科技. 它是垂直電鍍科技發展的延續, 那就是, 基於垂直電鍍工藝開發的新型電鍍科技. 該科技的關鍵是建立一個相互相容的水准電鍍系統，通過改進供電管道和其他輔助設備的配合，使分散性高的電鍍液優於垂直電鍍法.

2、水准電鍍原理介紹

水准電鍍和垂直電鍍的方法和原理是相同的，都必須有陰極和陽極。 通電後，發生電極反應，使電解液的主要成分電離，使帶電的正離子移動到電極反應區的負相； 帶電的負離子向電極移動。 反應區的正相移隨後產生金屬沉積塗層和放氣。 因為金屬在陰極的沉積過程分為3個步驟：即，金屬的水合離子擴散到陰極； 第二步是金屬水合離子通過雙電層時逐漸脫水並吸附在陰極表面； 第一步是吸附在陰極表面的金屬離子接受電子並進入金屬晶格。 對工作槽的實際觀察是固相電極和液相鍍液介面之間的不可觀察的异相電子轉移反應。 其結構可用電鍍理論中的雙電層原理來解釋。 當電極為陰極且處於極化狀態時，由於靜電力，帶有正電荷的陽離子在水分子周圍以有序管道排列在陰極上。 附近，由陰極附近的陽離子中心點形成的相平面稱為亥姆霍茲外層，外層與電極之間的距離約為1-10納米。 但由於亥姆霍茲外層陽離子攜帶的正電荷總量，正電荷不足以中和陰極上的負電荷。 離陰極較遠的鍍液受對流影響，溶液層中陽離子的濃度高於陰離子的濃度。 由於靜電力，該層比亥姆霍茲外層小，並且也受到熱運動的影響。 陽離子排列不如亥姆霍茲外層緊湊整齊。 該層稱為擴散層。 擴散層的厚度與鍍液的流速成反比。 也就是說，鍍液流速越快，擴散層越薄，反之亦然。 通常，擴散層的厚度約為5-50微米。 它離陰極較遠，通過對流到達的鍍液層稱為主鍍液。 因為溶液產生的對流會影響鍍液濃度的均勻性。 擴散層中的銅離子通過鍍液中的擴散和離子遷移傳輸到外亥姆霍茲層。 主槽中的銅離子通過對流和離子遷移傳輸到陰極表面。 在水准電鍍過程中，鍍液中的銅離子以3種方式傳輸到陰極附近，形成雙電層。

電鍍液的對流是由外部和內部機械攪拌和泵攪拌、電極本身的擺動或旋轉以及由溫差引起的電鍍液流動產生的。 離固體電極表面越近，由於其摩擦阻力的影響，電鍍溶液的流動變得越來越慢，此時固體電極表面上的對流速度為零。 從電極表面到對流鍍液形成的速率梯度層稱為流動介面層。 流動介面層的厚度約為擴散層的十倍，囙此擴散層中離子的傳輸幾乎不受對流的影響。 在電場的作用下，電鍍溶液中的離子受到靜電力的作用，導致離子遷移，稱為離子遷移。 其遷移速率表示為：u=zeon/6ÏÌrηto。其中u是離子遷移速率，z是離子的電荷數，電子的電荷（即1.61019C），E是電勢，r是水合離子的半徑，η是電鍍溶液的粘度。 根據方程的計算可以看出，電位降E越大，電鍍溶液的粘度越小，離子遷移速度越快。

根據電沉積理論，在電鍍過程中，陰極上的印刷電路板是一個非理想極化電極，吸附在陰極表面的銅離子獲得電子並還原為銅原子，從而使靠近陰極的銅離子濃度新增。 减少 囙此，在陰極附近形成銅離子濃度梯度。 銅離子濃度低於主鍍液濃度的鍍液層是鍍液的擴散層。 然而，主鍍液中的銅離子濃度較高，它會擴散到陰極附近銅離子濃度較低的地方，並不斷補充陰極區域。 印刷電路板類似於扁平陰極，電流大小和擴散層厚度之間的關係是COTTRELL方程：其中I是電流，z是銅離子的電荷數，F是法拉第常數，a是陰極表面積，D是銅離子的擴散係數（D=KT/6ÏÌÌÌrÌ·）， Cb是主槽中銅離子的濃度，Co是陰極表面上銅離子的濃度，D是擴散層的厚度，K是波特曼常數（K=R/N），T是溫度，R是水合銅離子的半徑，Î是電鍍溶液的粘度。 當陰極表面上的銅離子濃度為零時，其電流稱為極限擴散電流ii：

從上式可以看出，極限擴散電流的大小由主鍍液的銅離子濃度、銅離子的擴散係數和擴散層的厚度决定。 當主鍍液中銅離子濃度較高時，銅離子的擴散係數較大，擴散層厚度較薄，極限擴散電流較大。

根據上述公式，為了達到更高的極限電流值，必須採取適當的科技措施，即採用加熱科技。 由於提高溫度可以新增擴散係數，囙此新增對流速度可以使其渦流，並獲得薄而均勻的擴散層。 從以上理論分析可知，提高主鍍液中的銅離子濃度、提高鍍液溫度和新增對流速度可以新增極限擴散電流，達到加快鍍速的目的。 水准電鍍基於由於電鍍溶液的加速對流速度而形成的渦流，這可以有效地將擴散層的厚度减少到約10微米。 囙此，當使用水准電鍍系統進行電鍍時，電流密度可高達8A/dm2。PCB電鍍的關鍵是如何確保基板兩側和通孔內壁上銅層厚度的均勻性。 為了獲得塗層厚度的均勻性，必須確保印製板兩側和通孔中的鍍液流速快速且一致，以獲得薄而均勻的擴散層。 為了獲得薄而均勻的擴散層，根據當前水准電鍍系統的結構，儘管系統中安裝了許多噴嘴，但鍍液可以快速垂直地噴射到印製板上，以加速鍍液在通孔中的流動。 鍍液的流速非常快，在基板的上下側和通孔中形成渦流，從而减少擴散層並使其更均勻。 然而，當鍍液突然流入狹窄的通孔時，通孔入口處的鍍液也會出現反向回流現象。 再加上電流分佈的影響，該現象通常會導致在入口處電鍍孔。 銅層受此影響過厚，通孔內壁形成狗骨狀的鍍銅層。 根據鍍液在通孔中的流動狀態，即渦流和回流的大小，以及對導電鍍通孔質量的分析，只能通過工藝測試方法來確定控制參數，以實現印刷電路板鍍層厚度的均勻性。 由於渦流和回流的大小仍然無法通過理論計算方法知道，囙此僅使用量測過程方法。 從量測結果可知，為了控制通孔鍍銅層厚度的均勻性，有必要根據印刷電路板通孔的縱橫比調整可控工藝參數，甚至選擇高分散性鍍銅溶液， 然後加入適當的添加劑，改進供電管道，即採用反向脈衝電流進行電鍍，可以獲得分佈能力强的銅鍍層。 特別是隨著層壓板中微盲孔數量的新增，不僅應使用水准電鍍系統進行電鍍，還應使用超聲波振動來促進微盲孔中鍍液的更換和迴圈。 可以調整數據以校正可控參數，並可以獲得滿意的結果。

3、水准電鍍系統的基本結構

根據水准電鍍的特點，將印刷電路板的放置管道從垂直電鍍改為平行電鍍。 此時，印刷電路板是陰極，一些水准電鍍系統使用導電夾和導電輥提供電流。 從作業系統的方便性來看，更常見的是使用輥傳導的供給方法。 水准電鍍系統中的導電輥除了作為陰極外，還具有輸送印刷電路板的功能。 每個導電輥配有彈簧裝置，其目的是適應不同厚度印刷電路板（0.10-5.00mm）的電鍍需要。 然而，在電鍍過程中，與電鍍液接觸的零件可能被鍍上一層銅，並且系統不能長時間運行。 囙此，現時大多數水准電鍍系統設計為將陰極切換為陽極，然後使用一組輔助陰極電解溶解電鍍輥上的銅。 出於維護或更換目的，新的電鍍設計還允許輕鬆移除或更換易磨損區域。 陽極由一系列大小可調整的不溶性鈦籃組成，這些鈦籃放置在印刷電路板的上下位置，並填充直徑為25mm的球形可溶性銅，磷含量為0.004-0.006%，以及陰極和陽極之間的距離。 為40mm。 鍍液的流動是一個由泵和噴嘴組成的系統，它使鍍液在封閉的鍍槽中快速流動，來回、上下交替，並能保證鍍液流動的均勻性。 電鍍溶液垂直噴灑在印刷電路板上，在印刷電路板表面形成壁射流渦流。 最終目標是實現電鍍液在印刷電路板兩側和通孔上快速流動，形成渦流。 此外，槽中安裝了過濾系統，使用的濾網為1.2微米，用於過濾電鍍過程中產生的顆粒雜質，以確保電鍍溶液清潔無污染。

在水准電鍍系統的製造中，還應考慮操作的方便性和工藝參數的自動控制。 因為在實際電鍍中，隨著印刷電路板的大小、通孔直徑的大小和所需的銅厚度、傳送速率、印刷電路板之間的距離、泵馬力的大小、噴嘴以及銅的方向和電流密度等工藝參數的設定，都需要進行測試， 調整和控制，以獲得符合科技要求的銅層厚度。 它必須由電腦控制。 為了提高生產效率以及子產品品質的一致性和可靠性，印刷電路板通孔（包括電鍍通孔）的前後處理均基於工藝流程，形成完整的水准電鍍系統，適合新產品的開發和發佈。 需要

4、水准電鍍的發展優勢

水准電鍍科技的發展並非偶然，而是對高密度、高精度、多功能、高深寬比多層印製電路板產品特殊功能需求的必然結果。 其優點是比現時使用的垂直齒條電鍍工藝更先進，產品品質更可靠，可以實現大規模生產。 與垂直電鍍工藝方法相比，它具有以下優點：

1）它可以適應各種尺寸，無需手動安裝和懸掛，並實現全自動操作，這極有利於改進和確保操作過程不會損壞基板表面，極有利於大規模生產。

2）在工藝覆核中，無需留下夾緊位置，新增了實用面積，大大節省了原材料的損耗。

3）水准電鍍的整個過程由電腦控制，囙此基板處於相同的條件下，以確保每個印刷電路板的表面和孔上電鍍的均勻性。

4）從管理的角度來看，電鍍槽的清潔、電鍍液的添加和更換可以完全自動化，並且管理不會因人為錯誤而失控。

5）從實際產品中可以看出，水准電鍍採用多級水准清洗，大大節省了清洗水量，降低了汙水處理壓力。

6）由於系統採用封閉式操作，减少了工作空間的污染和熱量蒸發對工藝環境的直接影響，大大改善了工作環境。 特別是在烘烤板材時，由於减少了熱損失，節省了不必要的能源消耗，大大提高了生產效率。

5、總結

水准電鍍科技的出現完全是為了滿足高縱橫比通孔電鍍的需要. 然而, 由於電鍍工藝的複雜性和特殊性, 電鍍系統的設計和開發還存在一些科技問題. 這需要在實踐中加以改進. 儘管如此, 水准電鍍系統的使用是印刷電路行業的一大發展和進步. 因為這種設備在高密度多層板製造中的應用顯示出很大的潜力, 它不僅可以節省人力和操作時間, 而且比傳統的垂直電鍍線生產速度更快、效率更高. 此外, 降低了能耗, 廢液, 廢水, 减少待處理廢氣, 工藝環境和條件大大改善, 提高了電鍍層的質量水准. 水准電鍍線適用於大規模生產的24小時不間斷運行. 水准電鍍線的調試比垂直電鍍線稍難. 調試完成後, 它非常穩定. 調整電鍍液以確保長期穩定運行 PCB板.