脉冲电镀技术参数介绍.doc

脉冲电镀技术参数介绍
信丰正天伟研发部 胡青华
脉冲电镀定义：
脉冲电镀广泛定义为间断电流电镀。间断电流是指正向电流在某一时间出现而在另一时间出现反向电流（或无电流）。自50年代开始已有人从事脉冲电镀的研究，因脉冲电流能使镀层结晶细化、结合力高、无孔隙，使镀层有优良的物理化学性能。
70年代脉冲电镀在PCB行业中电镀金上使用，在90年代随着大电流脉冲技术上的突破脉冲电镀应用在PCB电镀铜上。PCB的电镀铜的发展历程：普通直流电镀→PPR周期反向脉冲电镀→新型直流电镀，新型直流电镀不同于普通直流电镀的区别在于在槽液中加入了新型的作用特殊的添加剂来调整通孔和盲孔孔内外的镀层厚度的分布。

常见的脉冲波形有方波、三角波、阶梯波、锯齿波，根据确定脉冲波形的原则（实镀效果、偏于分析和研究、易于获得和控制、便于推广），方波是最符合要求的波形。目前，脉冲电镀中使用的波形多为方波。其波形有单向脉冲和双向脉冲（周期反向脉冲）
1. 单向脉冲：实际是就是有关断时间的直流电镀。波形如下所示：

2. 双向脉冲：即周期换向脉冲（PPR）。有以下几种：
a) 有关断时间的单个脉冲换向,一个正向脉冲经过关断时间后接一个反向脉冲，这种波形在实际中极小使用，波形如下图：

b) 无关断时间单个脉冲换向，一个无关断时间的正向脉冲紧接着一个无关断时间的反向脉冲，这种波形也称为方波交流电。这种波形能改善镀层的厚度分布，但对镀层的结构改善无作用。

c) 脉动脉冲换向，一组正向脉冲接一组反向脉冲，这种波形是典型的周期换向波形，在功能性电镀中应用最为广泛，既能改善镀层的厚度分布又能改善镀层结晶结构。

d) 多组脉冲换向：简称多脉冲，在脉动脉冲基础上增加可编程功能，在每一个程序或每一个时间段采用的脉冲参数各不一样。多脉冲电镀在适当的参数下能形成不同结构和组成的多层镀层，各层间的应力能相互抵消，镀层脆性下降，抗疲劳强度提高。

PCB上所使用的脉冲电镀严格的说应称为周期脉冲反向电镀(Periodic Pulse Reverse Plating)。一般使用的是脉动脉冲波形。周期脉冲反向电镀(PPR) 的工作原理是应用正向电流电镀一段时间(10-20ms)，然后以一高电流短时间反向电镀(约0.5-2ms)。PPR 与电镀液及添加剂产生作用，将高电流密度区域极化，重新将电镀电流再分配到低电流区域，其效果是在高电流密度区域的铜镀层厚度减少，故此，在电路板的小孔中电镀铜层的厚度会接近甚至超过表面铜层的厚度 。

脉冲参数
脉冲参数有：(1) 脉冲的频率；(2)占空比；(3)正反时间比；(4) 电流；(5)脉冲波形。
脉冲频率，高频脉冲指大于5000Hz，中频500-5000Hz，低频小于500Hz，其中低频用于阳极氧化很少用于电镀，实际电镀贵金属多用1000Hz左右对应一个周期1ms。
占空比指脉冲导通时间占整个脉冲周期的比率
电流分为峰值电流Jp和平均电流Jm，两者之间的关系：，脉冲整流器中显示的是平均电流。
脉冲电流由正向稳态向负向稳态转换过程中并非是突变，而是逐渐变化的，主要原因：1.电源、电缆、电镀设备存在电感，在转换过程中会阻碍电流的换向，这也是评价整流器和整个电镀体系的关键参数；2.电镀体系中电极-溶液之间存在电容，在电流转向过程中有个充放电的缓冲。以典型的无关断时间的单个换向的PPR为例，为了计算方便简化模型，将电流正反向转换过程电流变化为直线，对其时间点进行分段，tab为正向至0的时间，tbc为0至负向时间，依次如下图:

当我们的PPR都取常用参数正向20ms，反向1ms，正向电流I，反向电流3I，进行如下计算：
由几何关系：3tab=tbc=tde =3tef
总正向电流电量I正：I*(20-tef-tde)+I*(tab+tef)/2=I(20-3tab)
总负向电流电量I负：3I*(1-tab-tbc)+3I*(tbc+tde)/2=I(3-3tab)
正反向电流电量比：I正/I负= (20-3tab)/ (3-3tab)=1+17/(3-3tab)
从上式可以看出当tab等于0时，正反向电量比才是理论上的20:3，当tab等于1时，正反向电量比为无穷大，说明没有反向电流，为达到脉冲电镀的目的需要尽量减小tab，需要降低整流器、电缆、电镀设备的电感。
深镀能力与正反向实际脉冲电量有密切关系，一般来说比值越小，深镀能力越好，但是过小会影响生产效率和镀层性能。
研究表明：1.对于每种脉冲电镀药水都有对应的最适合的正反电流比，延长反向电流的时间在一定范围内能帮助提高药水的深镀能力；2.不同波形适当的组合会对电镀效果有改善作用。
PPR的优势
1. 所获得的镀层比直流电镀的结晶细致，这是脉冲电镀最最突出的特点；
2. 分散能力更强，可获得孔内更均匀厚度的铜镀层，对于高厚径比的通孔TP%会比直流电镀高很多
3. 所获得的镀层纯度高，镀层物性好；
4. 添加剂的使用和消耗比直流电镀要小；
5. 可采用更高的电流密度进行电镀，提高生产率；
6. 在药水和PPR脉冲参数匹配好的情况下所获得镀层的物性优于直流电镀。
PPR的问题
1. PPR的图形调整是很困难的，对每一种药水都不一样的。因为脉冲电镀的特点：电流转换方向时，添加剂的脱吸附以及铜通过扩散层的补给的时间对每一个药水都是不一样的，都必须经过大量的测试；
2. 脉冲上升时间tr对槽体的电连接要求非常高，因此脉冲整流器的电缆以及飞靶连接处的电阻都必须要小，并且整流器尽量靠近槽体减少电阻，电缆的长度不能超过两米，并且采取比直流电镀更粗的导线，为减小电感还要将阴阳极电缆扭成麻花状；
3. 成本高，脉冲电源是普通电源价格10倍以上。
PPR的应用领域
PPR电镀层应力小，物性好，但是成本高，其主要应用领域：
1. 晶圆电镀：TSV极小盲孔填孔电镀，对于孔径在10微米左右，深300微米左右的极小盲孔，直流电镀很难以达到好的效果；
2. PCB高厚径比通孔电镀（12:1以上）对于厚径比大的盲孔能提高TP%，对于20:1的盲孔TP%能达到90%；
3. PCB厚径比1.4:1及以上的深盲孔电镀，厚径比大的盲孔直流电镀后孔内铜厚往往不足，用PPR能改善此情况；
4. 水平电镀填孔，如Atotech水平电镀填孔，填孔速度快，一致性好。
总结
在PCB行业内脉冲电镀一般指周期反向脉冲电镀(PPR),所选择的波形为脉动脉冲换向的方波，提高正方向时间比一定范围内能提高电镀的分散能力。但是对每种添加剂作用不相同，因此很难直接借鉴别人的研究成果应用在自己的添加剂上，选择与添加剂适应的波形参数是获得性能优秀的镀层的关键因素。脉冲电镀的成本也高出普通直流很多，因此其应用在高端领域较多。