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PCB水平电镀技术介绍

　　摘要: 伴随微电子技术飞速发展, 印制电路板制造向多层化、 积层化、 功效化和集成化方向发展, 使得印制电路板制造技术难度更高, 常规垂直电镀工艺不能满足高质量、 高可靠性互连孔技术要求, 于是产生水平电镀技术。本文从水平电镀原理、 水平电镀系统基础结构、 水平电镀发展优势, 对水平电镀技术进行分析和评定, 指出水平电镀系统使用, 对印制电路行业来说是很大发展和进步。
　　关键字:印制电路板 水平电镀 垂直电镀
　　 一、 概述
　　伴随微电子技术飞速发展, 印制电路板制造向多层化、 积层化、 功效化和集成化方向快速发展。促进印制电路设计大量采取微小孔、 窄间距、 细导线进行电路图形构思和设计, 使得印制电路板制造技术难度更高, 尤其是多层板通孔纵横比超出５: １及积层板中大量采取较深盲孔, 使常规垂直电镀工艺不能满足高质量、 高可靠性互连孔技术要求。其关键原因需从电镀原理相关电流分布状态进行分析, 经过实际电镀时发觉孔内电流分布展现腰鼓形, 出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐步降低, 致使大量铜沉积在表面与孔边, 无法确保孔中央需铜部位铜层应达成标准厚度, 有时铜层极薄或无铜层, 严重时会造成无可挽回损失, 造成大量多层板报废。为处理量产中产品质量问题, 现在都从电流及添加剂方面去处理深孔电镀问题。在高纵横比印制电路板电镀铜工艺中, 大多都是在优质添加剂辅助作用下, 配适宜度空气搅拌和阴极移动, 在相对较低电流密度条件下进行。使孔内电极反应控制区加大, 电镀添加剂作用才能显示出来, 再加上阴极移动非常有利于镀液深镀能力提升, 镀件极化度加大, 镀层电结晶过程中晶核形成速度与晶粒长大速度相互赔偿, 从而取得高韧性铜层。
　　然而当通孔纵横比继续增大或出现深盲孔情况下, 这两种工艺方法就显得无力, 于是产生水平电镀技术。它是垂直电镀法技术发展继续, 也就是在垂直电镀工艺基础上发展起来新奇电镀技术。这种技术关键就是应制造出相适应、 相互配套水平电镀系统, 能使高分散能力镀液, 在改善供电方法和其它辅助装置配合下, 显示出比垂直电镀法更为优异功效作用。
　　 二、 水平电镀原理介绍
　　水平电镀与垂直电镀方法和原理是相同, 都必需含有阴阳两极, 通电后产生电极反应使电解液主成份产生电离, 使带电正离子向电极反应区负相移动; 带电负离子向电极反应区正相移动, 于是产生金属沉积镀层和放出气体。因为金属在阴极沉积过程分为三步: 即金属水化离子向阴极扩散; 第二步就是金属水化离子在经过双电层时, 逐步脱水, 并吸附在阴极表面上; 第三步就是吸附在阴极表面金属离子接收电子而进入金属晶格中。从实际观察到作业槽情况是固相电极与液相电镀液界面之间无法观察到异相电子传输反应。其结构可用电镀理论中双电层原理来说明, 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阳离子, 因静电作用力而有序排列在阴极周围, 最靠近阴极阳离子中心点所组成设相面而称之亥姆霍兹（Helmholtz）外层, 该外层距电极距离约约１－１０纳米。不过因为亥姆霍兹外层阳离子所带正电荷总电量, 其正电荷量不足以中和阴极上负电荷。而离阴极较远镀液受到对流影响, 其溶液层阳离子浓度要比阴离子浓度高部分。此层因为静电力作用比亥姆霍兹外层要小, 又要受到热运动影响, 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。扩散层厚度与镀液流动速率成反比。也就是镀液流动速率越快, 扩散层就越薄, 反则厚, 通常扩散层厚度约５－５０微米。离阴极就更远, 对流所抵达镀液层称之谓主体镀液。因为溶液产生对流作用会影响到镀液浓度均匀性。扩散层中铜离子靠镀液靠扩散及离子迁移方法输送到亥姆霍兹外层。而主体镀液中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, 镀液中铜离子是靠三种方法进行输送到阴极周围形成双电层。
　　镀液对流产生是采取外部现内部以机械搅拌和泵搅拌、 电极本身摆动或旋转方法, 以及温差引发电镀液流动。在越靠近固体电极表面地方, 因为其磨擦阻力影响至使电镀液流动变得越来越缓慢, 此时固体电极表面对流速率为零。从电极表面到对流镀液间所形成速率梯度层称之谓流动界面层。该流动界面层厚度约为扩散层厚度十倍, 故扩散层内离子输送几乎不受对流作用影响。
　　在电埸作用下, 电镀液中离子受静电力而引发离子输送称之谓离子迁移。其迁移速率用公式表示以下: ｕ ＝ zeoE/６πrη要。其中ｕ为离子迁移速率、 ｚ为离子电荷数、 eo为一个电子电荷量（即1.61019C）、 Ｅ为电位、 ｒ为水合离子半径、 η为电镀液粘度。依据方程式计算能够看出, 电位Ｅ降落越大, 电镀液粘度越小, 离子迁移速率也就越快。
　　依据电沉积理论, 电镀时, 位于阴极上印制电路板为非理想极化电极, 吸附在阴极表面上铜离子取得电子而被还原成铜原子, 而使靠近阴极铜离子浓度降低。所以, 阴极周围会形成铜离子浓度梯度。铜离子浓度比主体镀液浓度低这一层镀液即为镀液扩散层。而主体镀液中铜离子浓度较高, 会向阴极周围铜离子浓度较低地方, 进行扩散, 不停地补充阴极区域。印制电路板类似一个平面阴极, 其电流大小与扩散层厚度关系式为ＣＯＴＴＲＥＬＬ方程式:
　　其中Ｉ为电流、 ｚ为铜离子电荷数、 Ｆ为法拉第常数、 Ａ为阴极表面积、 Ｄ为铜离子扩散系数（Ｄ＝ＫＴ／６πｒη）, Ｃb为主体镀液中铜离子浓度、 Ｃo为阴极表面铜离子浓度、 Ｄ为扩散层厚度、 Ｋ为波次曼常数（Ｋ ＝Ｒ／Ｎ）、 Ｔ为温度、 ｒ为铜水合离子半径、 η为电镀液粘度。当阴极表面铜离子浓度为零时, 其电流称为极限扩散电流ii:
　　从上式可看出, 极限扩散电流大小决定于主体镀液铜离子浓度、 铜离子扩散系数及扩散层厚度。当主体镀液中铜离子浓度高、 铜离子扩散系数大、 扩散层厚度薄时, 极限扩散电流就越大。 依据上述公式得悉, 要达成较高极限电流值, 就必需采取合适工艺方法, 也就是采取加温工艺方法。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取得薄而又均一扩散层。从上述理论分析, 增加主体镀液中铜离子浓度, 提升电镀液温度, 以及增快对流速率等均能提升极限扩散电流, 而达成加紧电镀速率目。水平电镀基于镀液对流速度加紧而形成涡流, 能有效地使扩散层厚度降至１０微米左右。故采取水平电镀系统进行电镀时, 其电流密度可高达８Ａ/ｄｍ2。
　　印制电路板电镀关键, 就是怎样确保基板两面及导通孔内壁铜层厚度均匀性。要得到镀层厚度均一性, 就必需确保印制板两面及通孔内镀液流速要快而又要一致, 以取得薄而均一扩散层。要达成薄均一扩散层, 就现在水平电镀系统结构看, 尽管该系统内安装了很多喷咀, 能将镀液快速垂直喷向印制板, 以加速镀液在通孔内流动速度, 致使镀液流动速率很快, 在基板上下面及通孔内形成涡流, 使扩散层降低而又较均一。不过, 通常当镀液忽然流入狭窄通孔内时, 通孔入口处镀液还会有反向回流现象产生, 再加上一次电流分布影响, 演常常造成入口处孔部位电镀时, 因为尖端效应造成铜层厚度过厚, 通孔内壁组成狗骨头形状铜镀层。依据镀液在通孔内流动状态即涡流及回流大小, 导电镀通孔质量状态分析, 只能经过工艺试验法来确定控制参数达成印制电路板电镀厚度均一性。因为涡流及回流大小至今还是无法经过理论计算方法获知, 所以只有采取实测工艺方法。从实测结果得悉, 要控制通孔电镀铜层厚度均匀性, 就必需依据印制电路板通孔纵横比来调整可控工艺参数, 甚至还要选择高分散能力电镀铜溶液, 再添加合适添加剂及改善供电方法即采取反向脉冲电流进行电镀才给取得含有高分布能力铜镀层。
　　尤其是积层板微盲孔数量增加, 不仅要采取水平电镀系统进行电镀, 还要采取超声波震动来促进微盲孔内镀液更换及流通, 再改善供电方法利用反脉冲电流及实际测试数据来调正可控参数, 就能取得满意效果。
　　三、 水平电镀系统基础结构
　　依据水平电镀特点, 它是将印制电路板放置方法由垂直式变成平行镀液液面电镀方法。这时印制电路板为阴极, 而电流供给方法有水平电镀系统采取导电夹子和导电滚轮两种。从操作系统方便来谈, 采取滚轮导电供给方法较为普遍。水平电镀系统中导电滚轮除作为阴极外, 还含有传送印制电路板功效。每个导电滚轮都安装着弹簧装置, 其目能适应不一样厚度印制电路板（０．１０－５．００ｍｍ）电镀需要。但在电镀时就会出现与镀液接触部位都可能被镀上铜层, 久面久之该系统就无法运行。所以, 现在所制造水平电镀系统, 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铜电解溶解掉。为维修或更换方面起见, 新电镀设计也考虑到轻易损耗部位便于拆除或更换。阳极是采取数组可调整大小不溶性钛篮, 分别放置在印制电路板上下位置, 内装有直径为２５ｍｍ圆球状、 含磷量为０．００４－０．００６％可溶性铜、 阴极与阳极之间距离为４０ｍｍ。
　　镀液流动是采取泵及喷咀组成系统, 使镀液在封闭镀槽内前后、 上下交替快速流动, 并能确保镀液流动均一性。 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。其最终目达成印制电路板两面及通孔镀液快速流动形成涡流。另外槽内装有过滤系统, 其中所采取过滤网为网眼为１．２微米, 以过滤去电镀过程中所产生颗粒状杂质, 确保镀液洁净无污染。
　　在制造水平电镀系统时, 还要考虑到操作方便和工艺参数自动控制。因为在实际电镀时, 伴随印制电路板尺寸大小、 通孔孔径尺寸大小及所要求铜厚度不一样、 传送速度、 印制电路板间距离、 泵马力大小、 喷咀方向及电流密度高低等工艺参数设定, 都需要进行实际测试和调整及控制, 才能取得合乎技术要求铜层厚度。就必采取计算机进行控制。为提升生产效率及高级次产品质量一致性和可靠性, 将印制电路板通孔前后处理（包含镀覆孔）根据工艺程序, 组成完整水平电镀系统, 才是满足新品开发、 上市需要。
　　 四、 水平电镀发展优势
　　水平电镀技术发展不是偶然, 而是高密度、 高精度、 多功效、 高纵横比多层印制电路板产品特殊功效需要是个肯定结果。它优势就是要比现在所采取垂直挂镀工艺方法更为优异, 产品质量更为可靠, 能实现规模化大生产。它与垂直电镀工艺方法相比含有以下优点:
（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, 对提升和确保作业过程对基板表面无损害, 对实现规模化大生产极为有利。
（２）在工艺审查中, 无需留有装夹位置, 增加实用面积, 大大节省原材料损耗。
（３）水平电镀采取全程计算机控制, 使基板在相同条件下, 确保每块印制电路板表面与孔镀层均一性。
（４）从管理角度看, 电镀槽从清理、 电镀液添加和更换, 可完全实现自动化作业, 不会因为人为错误造成管理上失控问题。
（５）从实际生产中可测所知, 因为水平电镀采取多段水平清洗, 大大节省清洗水用量及降低污水处理压力。
（６）因为该系统采取封闭式作业, 降低对作业空间污染和热量蒸发对工艺环境直接影响, 大大改善作业环境。尤其是烘板时因为降低热量损耗, 节省了能量无谓消耗及大大提升生产效率。
　　 五、 总结
　　水平电镀技术出现, 完全为了适应高纵横比通孔电镀需要。但因为电镀过程复杂性和特殊性, 在设计与研制水平电镀系统仍然存在着若干技术性问题。这有待于在实践过程中加以改善。尽管如此, 但水平电镀系统使用, 对印制电路行业来说是很大发展和进步。因为这类型设备在制造高密度多层板方面利用, 显示出很大潜力, 它不仅能节省人力及作业时间而且生产速度和效率比传统垂直电镀线要高。而且降低能量消耗、 降低所需处理废液废水废气, 而且大大改善工艺环境和条件, 提升电镀层质量水准。水平电镀线适适用于大规模产量二十四小时不间断作业, 水平电镀线在调试时候较垂直电镀线稍困难部分, 一旦调试完成是十分稳定, 同时在使用过程中要随时监控镀液情况对镀液进行调整, 确保长时间稳定工作。
　　微器件市场预报: 三大器件表现各异
　　IC Insights日前公布微器件(Microcomponent)市场年中汇报, 微器件市场中微处理器(MPU)、 微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)表现各不相同, 微器件市场规模估计为560亿美元。
　　经历了和上六个月猛烈价格战以后, 微处理器市场出现了适度恢复。即使微处理器平均售价比上年下降5%, 但受惠于PC需求强劲, 微处理器市场总销售额估计将达345亿美元, 比332亿美元增加4%。依据IC Insights年中分析汇报, 估计到, 因为微处理器将进入下一轮产业循环高峰, 销售额将增加17%, 达成403亿美元。

　　微控制器将实现新销售统计, MCU单元出货量估计大幅增加21%。估计全球微控制器年销售收入将达140亿美元, 比124亿美元增加13%。, 估计MCU销售将再次增加13%, 达成158亿美元。
　　数字信号处理器则仍然处于困境, 因为要消化手机库存, 估计DSP销售将下降5%。, DSP在销售下滑2%以后出现9%反弹。, 估计DSP销售额为79亿美元, 而为83亿美元。与到之间平均增加率18%相比, DSP单元出货量仍然疲软, 估计年增加率为9%。估计DSP市场规模达成89亿美元, 增加率重新恢复到13%。

　　微器件市场占全球芯片销售大约四分之一, 依据IC Insights估计, 到间微器件市场每年累计平均增加率(CAGR)为9%。MPU/MCU/DSP总计销售额达成564亿美元, 估计达成845亿美元规模。