一種新型銅槽模型對(duì)電鍍均勻性提升的研究

凌家鋒（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

一種新型銅槽模型對(duì)電鍍均勻性提升的研究

Paper Code: S-093

凌家鋒
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

文章主要根據(jù)傳統(tǒng)的電鍍銅理論，建立了一個(gè)新型的鍍銅槽模型，對(duì)陰極電流傳輸方式、陰極冷凍方式、夾具優(yōu)化、陽極擋板調(diào)整、陰陽極之間的距離等方面進(jìn)行優(yōu)化，電流從整流機(jī)傳輸至飛巴頂部再均分至夾具的傳輸方式，電流分布尖端效應(yīng)影響明顯處進(jìn)行擋板、打孔處理，優(yōu)化了電力線的分布，達(dá)到了提高垂直電鍍線電鍍厚度均勻性目的；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整個(gè)飛巴的極差小于8.5μm, COV達(dá)到4.8%，效果顯著。

電鍍均勻性；電流傳輸；尖端效應(yīng)；陽極擋板

1 前言

PCB伴隨著的電子產(chǎn)品的技術(shù)高速飛躍，HDI產(chǎn)品、平板電腦產(chǎn)品、手機(jī)產(chǎn)品一系列的線路板朝著高密度、高集成、細(xì)線路、小孔徑、輕薄化方向高速發(fā)展，線路層的線寬、間距要求越來越小，線路的精密度要求也越來越高。線路層從傳統(tǒng)的100 μm/100 μm發(fā)展到2 mil/2 mil，線寬公差從傳統(tǒng)的±20%發(fā)展到±5%，從而對(duì)電鍍銅厚的均勻性提出越來越高的要求，當(dāng)電鍍銅厚不均勻、銅厚極差超過蝕刻能力時(shí)，導(dǎo)致不同銅厚的位置在同一蝕刻條件下的蝕刻量不一樣，造成線路局部蝕刻不凈、蝕刻過度、或者同時(shí)存在蝕刻不凈和蝕刻過度，進(jìn)而影響阻抗，板邊與板內(nèi)阻抗不一樣，或者同一塊板不同交貨單元之間的線寬、阻抗不一樣。全板電鍍鍍銅均勻性是細(xì)密線路蝕刻的影響因素中關(guān)鍵的因素之一。

目前PCB業(yè)內(nèi)的大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，在常規(guī)蝕刻狀態(tài)下，整板電鍍銅厚差異為10 μm時(shí)，相同線寬/間距設(shè)計(jì)要求的75 μm/75 μm不同位置的線寬差異大約為10 μm～15 μm，但當(dāng)銅厚差異20 μm時(shí)，線寬差異最大達(dá)到了254μm～38 μm以上。同時(shí)精細(xì)線路制作時(shí)，由于線寬要求越來越小，導(dǎo)致在相同控制公差要求下，線寬的控制范圍越來越小，其控制難度更大，因此需要從垂直電鍍線的設(shè)計(jì)上就提出10 μm以內(nèi)的電鍍的均勻性，降低面銅厚度之間的極差，減小精細(xì)線路的線寬之間差異。

我司的定位為高可靠性、細(xì)密線路產(chǎn)品（HDI填孔+POFV多次電鍍產(chǎn)品、線寬間距58 μm細(xì)密線產(chǎn)品），全板電鍍的比例設(shè)計(jì)為60%～80%，因此，需要從設(shè)計(jì)之初我司的全板電鍍線提出高要求，進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試分析，為提高公司的競(jìng)爭(zhēng)力提供保證。

2 電鍍理論

2.1 酸性鍍銅原理

電鍍就是利用化學(xué)電解原理，在特定的金屬表面上鍍上一薄層特定的金屬或合金的過程。酸性鍍銅又叫犧陽極法鍍銅，電鍍時(shí)，鍍層金屬Cu為陽極，陽極Cu得到兩個(gè)電子被氧化成陽離子進(jìn)入電鍍液；PCB板為待鍍的金屬制品做為陰極，電鍍液中的Cu2+陽離子在PCB板Cu金屬表面失去兩個(gè)電子被還原形成Cu。

2.2 電鍍理論-雙電層原理[1]

根據(jù)電鍍理論中的雙電層原理，當(dāng)電極為陰極并處于極化狀態(tài)情況下，則被水分子包圍并帶有正電荷的陽離子，因靜電作用力而有序的排列在陰極附近，最靠近陰極的陽離子中心點(diǎn)所構(gòu)成的面稱之為亥姆霍茲（Helmholtz）外層，該外層距電極的距離約（1～10）nm。而離陰極較遠(yuǎn)的鍍液受到對(duì)流的影響，其溶液層的陽離子濃度要比陰離子濃度高一些。此層由于靜電力作用比亥姆霍茲外層要小，又要受到熱運(yùn)動(dòng)的影響，陽離子排列并不像亥姆霍茲外層緊密而又整齊，此層稱之謂擴(kuò)散層。擴(kuò)散層的厚度與鍍液的流動(dòng)速率成反比，即鍍液的流動(dòng)速率越快，擴(kuò)散層就越薄。一般擴(kuò)散層的厚度約（5～50）nm。離陰極更遠(yuǎn)、對(duì)流所到達(dá)的鍍液層稱之為本體鍍液。擴(kuò)散層中的銅離子靠擴(kuò)散及離子的遷移方式輸送到亥姆霍茲外層，而本體鍍液中的銅離子卻靠對(duì)流作用及離子遷移將其輸送到陰極表面。所以在電鍍過程中，鍍液中的銅離子是靠三種方式輸送到陰極的附近形成雙電層的。圖1簡(jiǎn)單的反映了電鍍過程中鍍液銅離子傳遞的幾種不同位置。

圖1 電鍍雙電層、極化示意圖

2.3 影響電沉積的因素

眾所周知，影響電沉積均勻性的關(guān)鍵因素有：

（1）電鍍抑制劑：抑制劑（carrier），又稱為載體，通常是大分子量的聚氧-烷基化合物，它與Cl－協(xié)同作用可抑制銅的電沉積，減小高、低電流密度區(qū)的差異，使得銅能夠均勻沉積[1]

（2）電鍍整平劑：是高強(qiáng)度的電鍍抑制劑，與其他添加劑協(xié)同作用可明顯減小鍍層的晶粒尺寸，起到整平作用。通常，整平劑是含氮的雜環(huán)或非雜環(huán)的芳香族化合物，因其分子中含有易極化的氮原子，所以極易吸附在帶有負(fù)電荷的陰極表面，尤其是高電流密度區(qū)，從而減緩該處的電沉積，而不影響低電流密度區(qū)的沉積，借此來起到對(duì)鍍層的整平作用。

（3）陰陽極距離：陰陽極距離影響板面的極化，隨著陰陽極距離的增加，陰極板面不同位置極化曲線的差距越來越大。這是因?yàn)殛枠O極距離增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱，由距離引起的電流密度的變化逐漸弱化，而超電勢(shì)的差別逐漸變得顯著[2]。

（4）電流分布：電子分布具有尖端效應(yīng)，在PCB電鍍陰極飛巴上，陰極電流從整流機(jī)傳送到飛巴上，再由飛巴通過電鍍夾具轉(zhuǎn)輸?shù)絇CB板上，電流分布直接影響到整個(gè)飛巴的面銅分布。傳統(tǒng)的PCB電鍍線飛巴設(shè)計(jì)電流傳輸為V座-飛巴-夾具-PCB板，電流分布由飛巴兩端往飛巴中間的有逐漸減小的趨勢(shì)，再疊加上電子排布的尖端效應(yīng)，自然導(dǎo)致飛巴兩端的板子銅厚比飛巴中間的板子厚。

3 電鍍槽的模型設(shè)計(jì)

3.1 電鍍槽設(shè)計(jì)

根據(jù)PCB行業(yè)內(nèi)的大量的研究數(shù)據(jù)，PCB電鍍夾點(diǎn)中心到陽極鈦籃邊的距離在200mm～300 mm，陰極極化效果達(dá)到最優(yōu)值，電鍍孔口與孔中的極化。

電鍍陰極與陽極的距離，采取240 mm設(shè)計(jì)。

3.2 電鍍飛巴設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用電流二次分布形式，有效電鍍窗口長(zhǎng)度3150 mm，夾具36個(gè)。設(shè)計(jì)圖如下：

3.3 夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化

采用單夾具雙夾點(diǎn)設(shè)計(jì)，在夾具數(shù)量相同的情況下，單位面積的PCB板夾點(diǎn)接觸數(shù)量比傳統(tǒng)的單夾點(diǎn)夾具多一倍，有利于平衡電流的平均分布。

3.4 V座冷凍方式優(yōu)化

傳輸冷卻方式優(yōu)化：V座采用整個(gè)V座浸泡式冷卻，有效果地避免了傳統(tǒng)的局部滴水式冷卻所帶來的氧化、熱損耗。

3.5 銅缸陽極擋板設(shè)計(jì)

底部浮架：根據(jù)電鍍缸以及鈦籃長(zhǎng)度的具體設(shè)計(jì)，調(diào)整浮架擋板高度，調(diào)整底部打孔的孔徑。

陽極擋板以及鈦籃排布：調(diào)整距離以及打孔的孔徑排列，鈦籃排布以4個(gè)為一組：

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

4.1 電流二次分布驗(yàn)證：飛巴夾具電流分布測(cè)試

測(cè)試方法：

整飛巴打電流360A，分別測(cè)試1-36#夾具的電流（飛巴長(zhǎng)度3200 mm（126 in），PCB板尺寸457 mm×508 mm （18 in*20 in），夾板塊數(shù)7塊滿飛巴，電流2.2 A/dm2），理論上每個(gè)夾具電流分布10A

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：每個(gè)夾具電流偏差±10%（9A-11A）

測(cè)試結(jié)果：見下圖

從飛巴夾具電流分布結(jié)果分析，每個(gè)夾具電流分布均能滿足10%偏差范圍內(nèi)，電流從飛巴中間往往兩邊有下降趨勢(shì)，該趨勢(shì)理論上可以平衡電鍍時(shí)產(chǎn)生的尖端效應(yīng)，平衡飛巴邊上的2塊板銅厚過厚問題。

4.2 均勻性測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

（1）每塊PCB測(cè)試板銅厚測(cè)量位置確定：10行×5列

這種測(cè)試方法重點(diǎn)兼顧測(cè)試PCB板上、下兩端的銅厚分布

（2）飛巴夾板滿飛巴7塊，457 mm×508 mm（18 in*20 in）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板

（3）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：電鍍銅30 μm ～ 35 μm，整飛巴單面極差8 μm，雙面極差10 μm，cov≤6%驗(yàn)證結(jié)果如下表。

取每列銅厚的均勻值A(chǔ)1-A35以及B1-B35,飛巴每面的總體平均值A(chǔ)平均以及B平均，計(jì)算每列的平均值與當(dāng)面的總體平均值之間的偏差，分析每列的銅厚趨勢(shì)：

從銅厚分布平面圖、均值趨勢(shì)圖得知，銅厚分布與電流二次分布趨勢(shì)相符，電流二次分布、陽極擋板打孔優(yōu)化、鈦籃排布優(yōu)化、幾個(gè)因素共同作用使得電鍍的固有規(guī)律“尖端效應(yīng)”得到平衡，飛巴邊上2塊板偏厚的問題得以優(yōu)化。電鍍銅厚30 μm ～ 35 μm，單面極差控制≤8 μm，雙面極差≤10 μm，總體COV≤6%

5 結(jié)語

均勻性提升是PCB電鍍的永恒追求，本文從電鍍槽的模型設(shè)計(jì)入手，通過電流二次分布、單夾具雙夾點(diǎn)設(shè)計(jì)、V座整體浸泡設(shè)計(jì)、鈦籃排布分組設(shè)計(jì)，通過持續(xù)的調(diào)整陽極擋板，最終得到預(yù)期的效果。

[1]陳文錄,丁萬春,李寶環(huán). 脈沖電鍍添加劑和Cl-對(duì)銅電極過程作用的電化學(xué)研究[J]. 印制電路信息,2003,4∶39～48.

[2]羅斌,安茂忠,王成勇,劉金峰. PCB深孔電鍍中極化曲線的應(yīng)用[J]. 電鍍與環(huán)保,2009,29(1)∶13-16.

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

凌家鋒，高級(jí)工程師，電鍍濕法段技術(shù)組長(zhǎng)。

One new model of plating tank on improving the COV of plating

LIANG Jia-feng

In this article, we make a new model of plating tank according to the electroplating theory. We optimize the transfer method of the electric current on the cathode, and optimize the anode baffle of panel electroplating, and optimize the distance between the anode and cathode. The electricity transfers from the rectifier to the top of the fly bar and then distribute to the clamp averagely. We add anode baffle and drilling holes in the excess baffle to reduce the point effect., and the electric field distribution is optimized. Analysis data shows that the whole evenness is 8.5um and COV is 4.8%. The result is good.

Electrolytic Plating Evenness; Electrical Distribution; Edge Effect; Anode-Baffle

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0117-05