随着微电子技术的飞速发展,印制电路板制造向多层化、积层化、功能化和集成化方向发展,使得印制电路板制造技术难度更高,常规的垂直电镀工艺不能满足高质量、高可靠性互连孔的技术要求,于是产生水平电镀技术。

    本文从水平电镀的原理、水平电镀系统基本结构、水平电镀的发展优势,对水平电镀技术进行分析和评估,指出水平电镀系统的使用,对印制电路行业来说是很大的发展和进步。

一、概述

    随着微电子技术的飞速发展,印制电路板制造向多层化、积层化、功能化和集成化方向迅速的发展,促使印制电路设计大量采用微小孔、窄间距、细导线进行电路图形的构思和设计,使得印制电路板制造技术难度更高,特别是多层板通孔的纵横比超过5:1及积层板中大量采用的较深的盲孔,使常规的垂直电镀工艺不能满足高质量、高可靠性互连孔的技术要求。

   这一状况的主要原因需从电镀原理关于电流分布状态进行分析,通过实际电镀时发现孔内电流的分布呈现腰鼓形,出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐渐降低,致使大量的铜沉积在表面与孔边,无法确保孔中央需铜的部位铜层应达到的标准厚度,有时铜层极薄或无铜层,严重时会造成无可挽回的损失,导致大量的多层板报废。

   为解决量产中产品质量问题,目前都从电流及添加剂方面去解决深孔电镀问题。在高纵横比印制电路板电镀铜工艺中,大多都是在优质的添加剂的辅助作用下,配合适度的空气搅拌和阴极移动,在相对较低的电流密度条件下进行的。使孔内的电极反应控制区加大,电镀添加剂的作用才能显示出来,再加上阴极移动非常有利于镀液的深镀能力的提高,镀件的极化度加大,镀层电结晶过程中晶核的形成速度与晶粒长大速度相互补偿,从而获得高韧性铜层。

   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

    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。在水平电镀过程中,镀液中的铜离子是靠以下三种方式进行输送到阴极的附近形成双电层。

    金属在阴极沉积的过程分为三步:第一步是金属的水化离子向阴极扩散;第二步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。

    实际观察到的作业槽情况是固相的电极与液相电镀液的界面之间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霍兹(Helmholtz)外层,该外层距电极的距离约约1-10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5-50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。

    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移。其迁移的速率用公式表示如下:u=zeoE/6πrη要。其中u为离子迁移速率、z为离子的电荷数、eo为一个电子的电荷量(即1.61019C)、E为电位、r为水合离子的半径、η为电镀液的粘度。根据方程式的计算可以看出,电位E降落越大,电镀液的粘度越小,离子迁移的速率也就越快。

    根据电沉积理论,电镀时,位于阴极上的印制电路板为非理想的极化电极,吸附在阴极的表面上的铜离子获得电子而被还原成铜原子,而使靠近阴极的铜离子浓度降低。因此,阴极附近会形成铜离子浓度梯度。铜离子浓度比主体镀液的浓度低的这一层镀液即为镀液的扩散层。而主体镀液中的铜离子浓度较高,会向阴极附近铜离子浓度较低的地方,进行扩散,不断地补充阴极区域。印制电路板类似一个平面阴极,其电流的大小与扩散层的厚度的关系式为COTTRELL方程式:

    其中I为电流、z为铜离子的电荷数、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为阴极表面铜离子的浓度、D为扩散层的厚度、K为波次曼常数(K=R/N)、T为温度、r为铜水合离子的半径、η为电镀液的粘度。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,极限扩散电流的大小决定于主体镀液的铜离子浓度、铜离子的扩散系数及扩散层的厚度。当主体镀液中的铜离子的浓度高、铜离子的扩散系数大、扩散层的厚度薄时,极限扩散电流就越大。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8A/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(0.10-5.00mm)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0.004-0.006%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性。

   (4)从管理角度看,电镀槽从清理、电镀液的添加和更换,可完全实现自动化作业,不会因为人为的错误造成管理上的失控问题。

   (5)从实际生产中可测所知,由于水平电镀采用多段水平清洗,大大节约清洗水的用量及减少污水处理的压力。

   (6)由于该系统采用封闭式作业,减少对作业空间的污染和热量的蒸发对工艺环境的直接影响,大大改善作业环境。特别是烘板时由于减少热量的损耗,节约了能量的无谓消耗及大大提高生产效率。

五、总结

    水平电镀技术的出现,完全为了适应高纵横比通孔电镀的需要。但由于电镀过程的复杂性和特殊性,在设计与研制水平电镀系统仍然存在着若干技术性的问题。这有待于在实践过程中加以改进。

    尽管如此,但水平电镀系统的使用,对印制电路行业来说是很大的发展和进步。因为此类型的设备在制造高密度多层板方面的运用,显示出很大的潜力,它不但能节省人力及作业时间而且生产的速度和效率比传统的垂直电镀线要高,而且降低能量消耗、减少所需处理的废液废水废气,而且大大改善工艺环境和条件,提高电镀层的质量水准。

    水平电镀线适用于大规模产量24小时不间断作业,水平电镀线在调试的时候较垂直电镀线稍困难一些,一旦调试完毕是十分稳定的,同时在使用过程中要随时监控镀液的情况对镀液进行调整,确保长时间稳定工作。

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