微小通盲孔電鍍加工溶液交換機(jī)理探析

劉玉濤（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

微小通盲孔電鍍加工溶液交換機(jī)理探析

劉玉濤
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢以及在PCB加工過程中的實戰(zhàn)經(jīng)驗，通過分析通盲孔固有矛盾以及電鍍原理分析，對高厚徑比的通盲孔同時并存的產(chǎn)品從溶液交換機(jī)理分析加工難度，從而探尋解決同時加工通盲孔問題之道。

高厚徑比；通孔；盲孔；電鍍

1 前言

1.1 問題的提出

隨著電子產(chǎn)品不斷向小型化、高密化、高速化發(fā)展，對于PCB產(chǎn)品的要求也日益嚴(yán)格。目前，PCB產(chǎn)品中工藝設(shè)備都是大多圍繞通盲孔單獨存在設(shè)置，因此PCB產(chǎn)品設(shè)計中關(guān)于通孔與盲孔（統(tǒng)稱通盲孔）并存的高可靠性產(chǎn)品，提出了更高挑戰(zhàn)，本文結(jié)合行業(yè)發(fā)展信息及本公司相關(guān)研究結(jié)果，對PCB通盲孔并存產(chǎn)品加工，對比其在通孔、盲孔存在加工難度進(jìn)行對比，對機(jī)理進(jìn)行了初步探析。

圖1 PCB盲孔與通孔剖面

圖1中盲孔在沉銅電鍍工藝的難點在于將盲孔達(dá)到圖示的半填充狀態(tài)，而通孔的工藝難點在于將孔內(nèi)銅厚均勻性做到最好。在實現(xiàn)這兩種工藝過程中，生產(chǎn)資源由于解決彼此問題往往存在相互沖突，無法較好的兼顧兩種同時存在，因而造成這一類產(chǎn)品未大規(guī)模設(shè)計應(yīng)用。

通盲孔兼顧產(chǎn)品現(xiàn)在主流設(shè)計主要以HDI產(chǎn)品為主，可以滿足產(chǎn)品微型化要求。如下表1中，清楚的展示出了HDI產(chǎn)品未來的發(fā)展方向是尺寸越來越小，但是板厚越來越高，通盲孔尺寸也是有別于常規(guī)產(chǎn)品，設(shè)計越來越小的趨勢，這給傳統(tǒng)沉銅電鍍工藝提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

表1 系統(tǒng)類HDI產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展路線

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)目前行業(yè)內(nèi)收集信息，加工通盲孔板件加工碰到的問題主要有：

（1）盲孔孔破問題。

PCB行業(yè)針對盲孔孔破問題，不同藥水，不同設(shè)備配置，不同的工藝路線選擇以及環(huán)境控制，時效控制不同，對于孔破的缺陷率都不同，因此此問題也是制約PCB盲孔產(chǎn)品批量運(yùn)用的難題。

（2）通孔孔破問題。

通孔孔破的檢驗可探測度高，此問題技術(shù)保證的難度也相對較小。但是對于通盲孔并存的板件，當(dāng)兼顧盲孔時，通孔的加工也需要注意，以保證其導(dǎo)通。

通孔、盲孔孔內(nèi)無金屬問題（圖2、圖3），主要原因還是由于孔內(nèi)沒有完全潤濕，并且沉銅電鍍時，溶液交換不及時，導(dǎo)致電鍍銅過程中，銅離子對電化學(xué)反應(yīng)補(bǔ)充不及時造成，因此解決電鍍?nèi)芤航粨Q是生產(chǎn)工藝中需解決的問題。

圖2 HDI盲孔孔破

圖3 HDI通孔孔破

2 電鍍過程的極化理論簡介

在電鍍過程時，影響金屬析出反應(yīng)的極化因素有三種：

（1）電化學(xué)極化（ηct）。在平衡狀態(tài)下，電解液中一部分的離子在電極表面上析出，另一方面，金屬電極中一部分的原子成為離子進(jìn)入電解液中；析出與電解所需要的能量，是由熱運(yùn)動的能量來供給的，為了使通過的電流大于平衡狀態(tài)的電流，則需要把離子及原子的能量增大至高于此熱能的值，此能量的供給則靠電極與電解液界面間形成較大的電勢差來維持。此種多加于界面間之電勢差，稱為活性超電勢。電化學(xué)極化主要是由于電極反應(yīng)時有中間物出現(xiàn)，或因電極上產(chǎn)生氣體而吸附于電極上，因此影響了電極之電勢差，使電極反應(yīng)速率減慢，此現(xiàn)象即電化學(xué)極化。而為了維持一定的電極反應(yīng)速率，需要加大電勢差，此即電極的超電勢。

（2）濃差極化（ηmt）。當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液時，在陽極上可能因為金屬原子之溶解而產(chǎn)生金屬離子，在陰極上可能因金屬離子放電而沉積于陰極上，使陰極表面附近的金屬離子濃度低于最初之平衡濃度，而陽極表面附近的金屬離子濃度亦高于最初之平衡濃度。如此所形成的濃度差，改變了電極的電勢，若欲維持一定的電沉積電流，則必須加大電勢差，此即為濃差極化，其所多加之電勢差，稱為濃差超電勢。

（3）電阻極化（ηir）。因電極反應(yīng)，在電極表面上常形成一層附著之薄膜，如氧化物、不溶性鹽類、硫化物及氣體等，或電極本身含其他雜質(zhì)，因而使電極之電阻增加。欲維持一定的電流，也必須加大電勢差，此現(xiàn)象稱為電阻極化或歐姆極化。

PCB電鍍的關(guān)鍵是需要在孔內(nèi)鍍上合格的銅鍍層，因此真實準(zhǔn)確地研究孔內(nèi)電鍍情況成為人們關(guān)注的重點?？卓诘娇字行牡碾妱莶睢鱁＝ηmt＋ηct＋ηir，此電勢差決定了孔內(nèi)及孔口的鍍層厚度的差異。

圖4 電沉積原理簡圖

結(jié)合PCB加工板面與板內(nèi)的區(qū)別，孔內(nèi)與孔口影響的模型可以表述如圖5，同樣此電鍍過程與電極電化學(xué)過程步驟一樣，都需要克服電化學(xué)極化，歐姆極化，濃差極化的影響。

圖5 形成板面與孔內(nèi)電勢差的簡單模型

電化學(xué)極化主要受擴(kuò)散與離子遷移影響，因此結(jié)合PCB電鍍，此因素主要受電流密度，光劑類型，光劑濃度影響；

歐姆極化主要與電極本身的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)，結(jié)合PCB電鍍，此因素主要受溶液導(dǎo)電性，陰陽極導(dǎo)電性，電流密度，板件設(shè)計機(jī)構(gòu)有關(guān)；

濃差極化主要受對流作用和離子遷移影響，并且對流作用是主要影響因素，溶液的流動速率與擴(kuò)散層成反比，因此減少濃差極化的影響主要就是解決溶液的交換速率。

在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工藝需要重點研究的就是降低濃差極化的影響，也就是解決溶液交換的速率，因此本文從溶液交換的角度，對通孔盲孔在溶液交換存在的難度進(jìn)行了對比，并且從機(jī)理上進(jìn)行了淺析。

3 孔內(nèi)溶液交換理論簡介

厚徑比大的小孔電鍍時必須用新鮮溶液充分交換孔內(nèi)的溶液，否則孔內(nèi)反應(yīng)就會變慢甚至停止，電鍍反應(yīng)將強(qiáng)烈極化，引起孔內(nèi)電鍍速度比板面電鍍速度慢。

從物質(zhì)可用性方面簡單看，增大銅離子濃度似乎可以減少循環(huán)次數(shù)，但由于銅離子總是沿著電阻最小的路徑運(yùn)動，所以增大銅離子濃度就會更加減少孔內(nèi)鍍銅層的均勻性，即降低了深鍍能力，因此加強(qiáng)溶液攪拌才是保證溶液充分交換的有效方法。

對于相同厚徑比的孔，孔徑越小則Re也越小，根據(jù)流體動力學(xué)原理，溶液在孔內(nèi)流動的雜亂程度小，只有當(dāng)Re≥2000時，流體才是湍流；當(dāng)Re≤2000時，流體為層流，故小孔內(nèi)溶液的流動為層流。顯而易見：相同的厚徑比，孔徑越小其層流程度越大；相同孔徑時，孔越長（板厚越大），其層流程度也越大。圓形截面的層流方程式為：

式中：V——平均流速；

△P——孔兩側(cè)的壓力差；

g、c——尺寸常數(shù)；

d——孔徑；

μ——溶液粘度；

l——板厚。

由公式1可得：當(dāng)V和μ一定時，d越小、l越大，則△P就越大。因此，對于厚徑比大的小孔，必須施加大的外界壓力，即要求強(qiáng)烈的攪拌溶液。

關(guān)于電鍍過程中孔內(nèi)液體的流動，Oscar Lanzi等人[2]提出過兩種機(jī)理，其一是孔壁剪應(yīng)力帶動孔內(nèi)液體流動，其二是孔前后兩端壓力差推動孔內(nèi)液體流動。Oscar Lanzi[2]等人驗證后發(fā)現(xiàn)，孔壁剪應(yīng)力的帶動對液體流動影響較微弱，一般可以忽略不計，即認(rèn)為孔內(nèi)液體的流動主要是由孔口前后兩端的壓力差所引起。

王雪濤[3]等通過實驗驗證了孔內(nèi)液體的定期反向流動是保證孔內(nèi)鍍層厚度均勻的一個重要條件，其停留時間與孔徑本身（厚徑比）及設(shè)備參數(shù)（搖擺速率、搖擺幅度等）有關(guān)，在保證孔內(nèi)液體有足夠時間流出的前提下，搖擺速率越快越有利于孔內(nèi)的電鍍銅。

Sullivan等[4]建立了PTH電鍍過程中質(zhì)量轉(zhuǎn)移對鍍銅速率影響的數(shù)學(xué)模型，并通過控制孔內(nèi)液體的流動，來改善鍍層的均勻性。該模型假設(shè)通孔內(nèi)的液體是靜止的。研究表明，減小鍍銅的速度可以增加均勻性，當(dāng)孔的厚徑比大于3時，鍍層就非常的不均勻。原因是通孔內(nèi)靜止液體存在質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力。鍍銅速率也受到外部質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力的影響而逐漸減小。

Anthony等[5]認(rèn)為，在質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制的情況下，流動方向周期變化可以促使電解液流動，改善電流的分布。但當(dāng)電流密度低于質(zhì)量轉(zhuǎn)移極限的條件下，這種方法效果不明顯。

Wern等[6]利用修正的Hagen-poiseuille速度分布建立理論模型，模擬鍍通孔過程。研究了尺寸參數(shù)、電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)量轉(zhuǎn)移以及歐姆參數(shù)對電流分布的影響以及電流密度分布與沉積均勻性的關(guān)系。結(jié)果表明，平均電流密度越高，厚徑比越大，沉積層就越不均勻。流速較低時的電流密度由質(zhì)量轉(zhuǎn)移來控制，流速較高時由歐姆控制。而厚徑比大的窄孔使得流速減小，從而使得電流密度為歐姆控制。通過降低電流和電勢，可以提高鍍銅層的均勻性。

從上述原理可以得出，增大溶液交換次數(shù)，減少孔內(nèi)孔外的濃度差，可以降低孔內(nèi)擴(kuò)散層的厚度，也就可以提高通盲孔內(nèi)潤濕性。

4 PCB電鍍中通孔厚徑比對加工難度影響

在PCB電鍍中，鍍液深鍍能力是評價高厚徑比板件加工能力的一個關(guān)鍵指標(biāo)，如何提高深鍍能力成了業(yè)界廣泛關(guān)注的焦點。深鍍能力可以表示為：

式中：TP——深鍍能力；

Eir——孔口到孔中心的電壓降；

J——平均電流密度；

L——板厚；

k——溶液電導(dǎo)率；

D——孔徑

從公式2能夠很清晰地看出，板厚、孔徑、溶液電導(dǎo)率是一個相對的定值，如果板件厚徑比越大，此板件深鍍能力隨之降低；厚徑比對于板件的難度在于高厚徑比板件孔中與孔內(nèi)溶液濃度差，也就是溶液交換的難度，而要降低此難度，就需要增強(qiáng)孔中溶液交換的效果，但是傳統(tǒng)沉銅電鍍線，在增強(qiáng)通孔深鍍能力的同時，盲孔深鍍能力難以達(dá)到同步提升，這也就是這類板的技術(shù)難點。當(dāng)然從公式中我們也可以看出，電流密度是可控的參數(shù)。電流密度越小，深鍍能力越高。因此，降低電流密度可以提高深鍍能力，這對通盲孔板件都適用。

從上述原理可知，高厚徑比HDI產(chǎn)品加工最大的難度就是保證通孔，盲孔同時滿足良好的溶液交換。

圖6顯示的是實驗證明固定溶液組成，攪拌方式采用底部噴流，改變底部噴流流量，流量分別設(shè)定為2 L·min-1、5 L·min-1、9 L·min-1、12 L·min-1，測試了底噴流量對陰極極化曲線的影響。

由圖6可以看出，隨著流量的增大，溶液交換的效果越來越好，極化曲線中電流與電位比值越來越高，陰極電流變化增大。由于孔內(nèi)銅鍍層沉積主要受濃差極化和電阻極化控制，同樣的小孔，電阻極化一致。因此，流量越大，孔內(nèi)溶液交換越充分，濃差極化越小，銅離子沉積的速率就越快，深鍍能力就越好。

圖6 0.5mm孔徑不同噴流流量對陰極極化曲線的影響

從圖6還可以看出，噴流流量越大，電位負(fù)移程度越大，陰極極化過電位越大，為Cu2++2e→Cu反應(yīng)提供能量越高，晶核形成數(shù)目越多，結(jié)晶越細(xì)致，銅鍍層熱性能越好。

通過以上原理分析，提高溶液交換的流量大小，可以提高溶液交換的效果，但是盲孔內(nèi)部如果是平行于盲孔流量，對于改善盲孔效果不顯著，如果垂直于盲孔流程對沖，效果會明顯，但是如果采取對沖盲孔時，通孔內(nèi)流量又存在抵消，也就是通盲孔存在時，這一物理矛盾難以解決的難點。

對于通孔，存在有如下幾種常見的溶液交換方式，底噴、側(cè)噴、鼓氣對極化曲線的影響

固定溶液組成，改變攪拌方式，分別采用底部噴流、側(cè)面噴流、鼓氣等攪拌方式，研究其對陰極極化曲線的影響。

圖7為幾種攪拌方式下測得的陰極極化曲線。從圖7可以看出，在孔內(nèi)部，底噴噴流方式導(dǎo)致極化曲線斜率明顯增大。在底噴條件下，孔內(nèi)電流增加較明顯，有利于銅鍍層的沉積，從而使深鍍能力增大。

圖7 0.65mm孔徑底噴、側(cè)噴、鼓氣對陰極極化的影響

從圖7還可以看出，相對于鼓氣，噴流可使沉積電勢負(fù)移，陰極極化增大，為Cu2++2e→Cu反應(yīng)提供能量高，晶核形成數(shù)目多，鍍層結(jié)晶細(xì)致，同時還能提高銅鍍層的熱性能。不論孔徑大小，都可以得到上述相同的結(jié)論。

底噴使得孔內(nèi)溶液交換更好，可以從以下公式及圖9、圖10得到解釋。

式中：ρ——流體密度；

P1——1位置的壓力；

V1——1位置的流速；

P2——2位置的壓力；

V2——2位置的流速。

圖8經(jīng)過變形，可以理解為圖9。粗管即為流經(jīng)板面的溶液，細(xì)管即為板上的孔。當(dāng)有溶液以較快速度流經(jīng)板面時，有孔的部分會產(chǎn)生一個負(fù)壓，促使溶液從另外一邊流過孔。

側(cè)噴及鼓氣所產(chǎn)生的孔兩側(cè)壓力差均不如底噴效果明顯，所以導(dǎo)致孔內(nèi)流速上的差別。

圖8 文丘里管

圖9 板面局部放大

通過對不同孔徑的PCB板進(jìn)行相同的測試，發(fā)現(xiàn)均有相同的表現(xiàn)，即底部噴流可以較好的引起溶液的攪動，在表面及孔內(nèi)的極化程度較大，能明顯增加銅離子的沉積速度。

5 盲孔結(jié)構(gòu)與溶液交換固定物理矛盾分析

由于通孔，盲孔分別都由于毛細(xì)管現(xiàn)象的障礙，也就存在孔外溶液與孔內(nèi)溶液存在濃度差別，也就提高了電鍍反應(yīng)中銅離子補(bǔ)充的難度，也就是通常所說的溶液交換的難度，圖10形象展示了盲孔內(nèi)外溶液的產(chǎn)別，并且當(dāng)有噴嘴對沖盲孔內(nèi)部時，溶液是較難進(jìn)入孔中的。

本文主要針對盲孔孔徑在70 μm的盲孔，業(yè)界研究的針對盲孔孔內(nèi)溶液交換難度的原理淺析；

圖10說明的主要是，針對一個微小盲孔，當(dāng)有水柱沖向此盲孔時，大部分的水流都被板面發(fā)射回來，在板面擴(kuò)散的水量也較少，僅有小部分水量通過盲孔，也就是盲孔孔徑以及盲孔的深度本身對溶液交換是一個固有的難度，從此模擬圖也可以看出，盲孔孔徑越小，孔深越深，孔內(nèi)溶液交換難度也就越大；

圖10 盲孔表面溶液與孔內(nèi)濃度差別示意圖

從左圖盲孔內(nèi)孔口至孔底溶液濃度分布也可以看出，從孔口基體溶液的濃度到孔底濃度會降至1%以下，由此可知，盲孔本身結(jié)構(gòu)造成孔內(nèi)溶液交換的難度對PCB濕制程（主要是沉銅電鍍）是最為關(guān)鍵工藝難度，此難度決定了盲孔孔內(nèi)鍍銅均勻性是否能滿足，是否能滿足客戶焊接元器件導(dǎo)通性不良的關(guān)鍵，因此針對盲孔孔內(nèi)溶液的交換是濕制程技術(shù)控制的重中之重。

盲孔表面溶液交換通常有2種方式，一種為垂直盲孔表面，一種為平行于盲孔表面。

圖11 垂直盲孔表面水流量分布圖

圖11形象的表述了在有溶液垂直沖入盲孔時，孔口濃度的分布，也就是溶液是存在明顯的濃度差。對于盲孔，傳統(tǒng)意義上，大家認(rèn)為當(dāng)噴有噴嘴直接噴射盲孔時，孔內(nèi)溶液應(yīng)該非常容易交換，但是經(jīng)過研究表明，即使直接對噴盲孔時，盲孔內(nèi)部也不能達(dá)到瞬時的100%的充分交換，仍然是濃度會降低至1%之下。

圖12形象的表述了在有溶液平行流過盲孔時，孔口濃度的分布，從濃度分布數(shù)據(jù)可以看出，孔口濃度已經(jīng)明顯低于上層的流量，已經(jīng)低于1%，也就是此固有矛盾，決定了盲孔溶液難以交換。當(dāng)溶液平行于盲孔表面流動時，孔內(nèi)溶液濃度仍然降低的很快，濃度也是低于1%。但是研究表明，與表面流量大小有直接關(guān)系。

圖12 水平盲孔表面水流量分布圖

圖13描述的就是當(dāng)平行于盲孔表面流量增大時，盲孔內(nèi)部溶液濃度在提升，也就是溶液交換的濃度在降低。從此模型也可以看出，孔口流量增大，可以降低盲孔加工的難度。

圖13 不同流量對于盲孔溶液交換的影響

平行于板面流量越大，溶液進(jìn)入孔內(nèi)的幾率就越大，也就是板面流量是與孔內(nèi)溶液交換進(jìn)行的程度成正比。

通過盲孔表面流量分析，針對盲孔孔內(nèi)溶液交換也有底噴，側(cè)噴，鼓氣方式，從上述描述可以看出，鼓氣肯定是最差的方式，其次是底噴與底噴；從前面圖也可知，側(cè)噴需要講究角度，這樣進(jìn)行溶液交換的量才能達(dá)到最大化，底噴對孔內(nèi)溶液濃度分布，與流量成正比，也就是歸根到底，還是要解決濃差極化的問題。

6 結(jié)論

通盲孔電鍍過程中濃差極化是決定微小孔加工的難度關(guān)鍵。從孔內(nèi)溶液交換需要雷諾數(shù)判斷，因而分析出厚徑比是通孔加工主要物理矛盾，通過極化曲線驗證了流量對孔內(nèi)溶液交換有影響，并進(jìn)而驗證了不同底噴，側(cè)噴，鼓氣方式對通孔溶液交換的貢獻(xiàn)，并且證明了底噴是最好的通孔溶液交換方式；通過盲孔模擬測試，對側(cè)噴垂直角度并不能有效解決盲孔溶液交換，底噴方式同樣不能有效實現(xiàn)盲孔灌孔，但是提高流量，溶液交換定朝著好的方向變化，因此解決通盲孔并存產(chǎn)品，解決溶液交換才是關(guān)鍵。

現(xiàn)通過對盲孔溶液交換研究，對后續(xù)HDI產(chǎn)品質(zhì)量提升給出建設(shè)性改善方向。

[1]劉玉濤. 噴流對提高高厚徑比PCB板深鍍能力研究[J]. 印制電路信息,2013.

[2]Oscar Lanzi, Uziel Landou. Effect of local kinetic variations on through-hole plating. Journal of Electrochemical Society,1989,136(2):368-374.

[3]王雪濤,劉湘龍,李志東. 電鍍過程中孔內(nèi)液體的流動分析[C]. 印制電路論文集, 2008,8.

[4]Sullivan Timothy, Middleman Stanley. Factors that affect uniformity of plating of through-holes in Printed Circuit Boards. I. StagnantFluid in the Through-Holes. Journal of Electrochemical. Society, 1985,132(5):1050-1054.

[5]Anthony M Pesco, Huk Y.Cheh. The cuttent distribution within plated through-holes. I. The effect of electrolyte flow restriction during DC Electrolysis. Journal of Electrochemical Society, 1989,136(2):399-407.

[6]Ja-Wern E Chern, Huk Y Cheh. Modeling of plated through-hole processes, II. Effect of leveling agents on current distribution. Journal of Electrochemical Society, 1996,143(10):3144-3147.

劉玉濤，濕制程資深工程師，從事PC B制造行業(yè)7年工作經(jīng)驗，現(xiàn)任主要負(fù)責(zé)濕制程工作。

Study on the via and blind hole mechanism of solution exchange in PCB wetting process

LIU Yu-tao

This article simply introduces the trend development of via and blind hole design in PCB industry, and illustrates practice experience in the PCB manufacture process. The article introduces the plating mechanism and analyzes the solution exchange contradictory between via and blind hole. The difficulty of solution exchange is pointed out in the high aspect ratio PCB including both via and blind hole. The resolve method to produce via and blind produce at the same time is discussed

High Aspect Ratio; Via Hole; Blind Hole; Plating

TN41

：A

1009-0096（2015）05-0025-06