談PCB垂直移動(dòng)連續(xù)電鍍線采用脈沖整流器與直流整流器的效果比較

雷光發(fā) 江澤軍 董發(fā)君

（昆山東威科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 前言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)印制電路板（PCB）的品質(zhì)要求也不斷提高，電路的設(shè)計(jì)要求更趨向于細(xì)導(dǎo)線、高密度、小孔徑，特別是HDI印制板中的微小盲孔，高縱橫比小孔電鍍技術(shù)就是其關(guān)鍵問(wèn)題之一，印制電路板的金屬化孔的質(zhì)量（厚度、孔壁銅層的均勻性、鍍銅層的粗糙度）是影響整個(gè)產(chǎn)品可靠性的原因之一。

脈沖電鍍是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種電鍍技術(shù)，因?yàn)樗膽?yīng)用范圍極廣，不但在各種常規(guī)鍍液的高速電鍍上應(yīng)用，參數(shù)合理，可提高生產(chǎn)效率，獲得均勻的鍍層。本文主要研究脈沖電鍍與直流電鍍?cè)赑CB應(yīng)用中的品質(zhì)差異，其中提到采用的設(shè)備為本公司生產(chǎn)的垂直移動(dòng)連續(xù)鍍銅線（VCP）（見(jiàn)圖1），用鋼帶傳動(dòng)，上夾導(dǎo)電邊的方式，以保證板在傳動(dòng)中平穩(wěn)的通過(guò)電鍍槽進(jìn)行電鍍。不同之處，一是采用脈沖整流器，一是采用普通直流整流器。

1 PCB生產(chǎn)中VCP脈沖電鍍與直流電鍍?cè)O(shè)備的概述

1.1 脈沖電鍍與直流電鍍鍍銅原理

圖1 VCP線

1.1.1 VCP脈沖電鍍

脈沖電鍍是通過(guò)一定波形的低壓脈沖電流，當(dāng)正脈沖時(shí)使金屬離子在陰極上沉積，用電化學(xué)方法，由于脈沖電鍍的電流密度較大，在陰極上快速沉積，造成在陰極溶液區(qū)陽(yáng)離子快速下降。由于有關(guān)斷時(shí)間的存在，金屬離子利用這段擴(kuò)散、補(bǔ)充到陰極附近。當(dāng)反脈沖時(shí)，印制板成為陽(yáng)極在短時(shí)間內(nèi)施加比正脈沖更大的電流密度，使高電位區(qū)（板面、孔口等部位）鍍得較厚的銅失去電子，成為離子，溶于電解液，補(bǔ)充陰極區(qū)銅離子的濃度，為下一個(gè)正脈沖時(shí)提供豐富的銅離子，所以能獲得表面銅鍍得薄而使孔內(nèi)鍍得較厚并孔壁上下鍍層厚度均勻的目的。脈沖電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程與直流電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程的差異，造成了峰值電流可以高于平均電流，促使晶種形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度，使鍍層晶體細(xì)化，排列緊密，孔隙減小，電阻率低。

東威VCP最常用的是無(wú)關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向，一個(gè)無(wú)關(guān)斷時(shí)間的正向脈沖后緊接著一個(gè)無(wú)關(guān)斷時(shí)間的反向脈沖，其波形如圖2所示。正、反向脈沖持續(xù)時(shí)間通常在ms級(jí)（如正向20 ms，反向1 ms），這種波形通常也稱為方波交流電，與普通正弦波交流電波形相異，但頻率大致相同，約50 Hz左右。這種波形正向脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度小，反向脈沖持續(xù)時(shí)間短、幅度大，其反向脈沖的不均勻電流密度分布補(bǔ)償作用較明顯，改善鍍層厚度分布的效果較明顯，其適用于對(duì)鍍層均勻性要求較高的電鍍場(chǎng)合（如印制電路板鍍銅，可明顯縮小孔內(nèi)、外鍍層厚度比）。

圖2 無(wú)關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向

1.1.2 VCP直流電鍍

直流電鍍是一種常規(guī)的電鍍方法，在直流電流的作用下溶液里的金屬離子不間斷地在陰極上沉積析出的過(guò)程。被鍍件浸入含有欲鍍金屬離子的電解質(zhì)溶液中做陰極，并用導(dǎo)線與電源的負(fù)極連接。用可溶性金屬或不溶性電極做陽(yáng)極，并與電源正極相連，在直流電流的作用下溶液里的金屬離子不間斷地在陰極上沉積析出的過(guò)程。

1.2 脈沖電鍍與直流電鍍流程

1.2.1 VCP脈沖電鍍線

VCP脈沖電鍍?cè)O(shè)備，其結(jié)合常規(guī)VCP線的性能與脈沖電鍍的特長(zhǎng)研制而成，鑒于其品質(zhì)上的優(yōu)異，如鍍層細(xì)致、耐腐、純度高、硬度強(qiáng)、導(dǎo)電率好、TP值高等特點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)PCB高端線路板有很大的幫助。電鍍流程如下：

自動(dòng)上料→除油（酸性清潔）→熱水洗→水洗兩次→預(yù)浸→鍍銅（脈沖整流機(jī)）→水洗兩次→抗氧化→水洗兩次→烘干→自動(dòng)下料

1.2.2 VCP直流電鍍線

電鍍銅流程與上述脈沖電鍍相同，差別是鍍銅采用直流整流機(jī)。

1.3 脈沖與直流電鍍?cè)O(shè)備

（1）VCP脈沖電鍍整流機(jī)如圖3，生產(chǎn)廠：力源，型號(hào)：HPNPS-2*Z800AF2400A/6V。

（2）VCP直流電鍍整流機(jī)如圖4，生產(chǎn)廠：力源，型號(hào)：TBSB-800A/5V。

圖3 脈沖電鍍整流器

圖4 直流電鍍整流器

1.4 脈沖與直流電鍍參數(shù)設(shè)定

1.4.1 VCP脈沖電鍍參數(shù)

傳統(tǒng)的直流電鍍只有電流或電壓可供調(diào)節(jié)，而脈沖電鍍有脈沖電流密度（或峰值電流密度）JP、脈沖導(dǎo)通時(shí)間ton和脈沖關(guān)斷時(shí)間toff3個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。由ton和toff可以引出脈沖占空比Y。

脈沖占空比Y指脈沖導(dǎo)通時(shí)間ton占整個(gè)脈沖周期（ton+toff）的百分比，可以用式（1）表示：

在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，由于電流只在部分時(shí)間（ton）導(dǎo)通，而其他時(shí)間（toff）為零。因此脈沖電鍍的電流密度有平均電流密度和峰值電流密度之分。平均電流密度Jm等于峰值電流密度Jp與脈沖占空比Y的乘積，Jm一定時(shí)，Jp會(huì)根據(jù)Y的不同而改變，可用式（2）表示：

1.4.2 脈沖電鍍過(guò)程

在脈沖導(dǎo)通期ton內(nèi)峰值電流密度相當(dāng)于普通直流電流密度（或平均電流密度）的幾倍甚至十幾倍。高電流密度所導(dǎo)致的高過(guò)電位使陰極表面吸附的原子的總數(shù)高于直流沉積的，其結(jié)果使晶核的形成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有晶體的生長(zhǎng)速率，從而形成具有較細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的沉積層。

在脈沖關(guān)閉期toff內(nèi)高的過(guò)電位使陰極附近的金屬離子以極快的速度被消耗，當(dāng)陰極界面金屬離子的質(zhì)量濃度為零或很低時(shí)，電沉積過(guò)程進(jìn)入關(guān)斷期。在關(guān)斷期內(nèi)，金屬離子向陰極附近傳遞從而使擴(kuò)散層中金屬離子的質(zhì)量濃度得以回升，并有利于在下一個(gè)脈沖周期使用較高的峰值電流密度。脈沖電鍍過(guò)程中，當(dāng)電流導(dǎo)通時(shí)，電化學(xué)極化增大，陰極區(qū)附近金屬離子被充分沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)陰極區(qū)附近放電離子又恢復(fù)到初始的質(zhì)量濃度，濃差極化消除，并伴有對(duì)沉積有利的重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。這樣的過(guò)程周期性的貫穿于整個(gè)電鍍過(guò)程的始末，其中所包含的機(jī)理構(gòu)成了脈沖的基本原理。

1.4.3 VCP直流電鍍參數(shù)

直流電鍍只有電流或電壓可供調(diào)節(jié)，電流I=Jm×S，電鍍鍍銅厚度（mil）=0.0087×電鍍陰極電流密度Jm（A/dm2）×電鍍時(shí)間（min）

2 PCB生產(chǎn)中VCP脈沖電鍍與直流電鍍品質(zhì)差異

2.1 電鍍層狀態(tài)

2.1.1 VCP脈沖電鍍

用一個(gè)無(wú)關(guān)斷時(shí)間的正向脈沖后緊接著一個(gè)無(wú)關(guān)斷時(shí)間的反向脈沖，改善鍍層厚度分布的效果較明顯。其適用于對(duì)鍍層均勻性要求較高的電鍍場(chǎng)合。由于其脈沖無(wú)關(guān)斷時(shí)間，且頻率較低，改善鍍層結(jié)晶的效果尚不理想，因此不宜用于（尤其對(duì)鍍層結(jié)晶要求較高的）貴金屬電鍍。

2.1.2 VCP直流電鍍

由于金屬離子趨近陰極不斷被沉積，因而不可避免地造成濃差極化。鍍層的晶體間隙大，大大降低鍍層的抗腐蝕性，較差的結(jié)合力。

2.2 電鍍均勻性

2.2.1 VCP脈沖電鍍

由我公司合作客戶提供的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5所示。

2.2.2 垂直連續(xù)直流電鍍

由我公司合作客戶提供的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6所示。

圖5 VCP脈沖電鍍銅均勻性測(cè)試記錄

圖6 VCP脈沖電鍍銅均勻性測(cè)試記錄

2.3 電鍍TP值

2.3.1 VCP脈沖電鍍

抽樣測(cè)量了三塊樣品的鍍層厚度，其中一塊樣板數(shù)值見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 VCP脈沖電鍍鍍層厚度測(cè)量示例

圖8 VCP脈沖電鍍鍍層厚度測(cè)量數(shù)據(jù)

2.3.2 VCP直流電鍍

抽樣測(cè)量了二塊樣品的鍍層厚度，其中一塊樣板數(shù)值見(jiàn)圖9和圖10所示。

2.3.3 兩種電鍍鍍層厚度測(cè)量值比較

測(cè)量脈沖電鍍?nèi)M數(shù)據(jù)和直流電鍍二組數(shù)據(jù)，相應(yīng)的圖片及數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1所示。

小結(jié)：

（1）通過(guò)上表格的數(shù)據(jù)體現(xiàn)凡用脈沖整流器電鍍的樣品TP值都很高。

（2）通過(guò)上表格的數(shù)據(jù)體現(xiàn)孔內(nèi)鍍層均勻，沒(méi)有狗骨頭現(xiàn)象。

（3）將1號(hào)樣品與5號(hào)樣品進(jìn)行對(duì)比（板厚只差0.2 mm，孔徑一樣），用脈沖整流器電鍍的結(jié)果，TP值高，且電鍍時(shí)間還短，沒(méi)有狗骨頭現(xiàn)象。

（4）如果產(chǎn)品的厚徑比沒(méi)有超過(guò)5:1的要求，對(duì)TP值沒(méi)有很高的要求，用普通直流整流器可。流器可以滿足生產(chǎn)。如果用脈沖整流器，效果會(huì)更好。

圖9 VCP直流電鍍鍍層厚度測(cè)量示例

圖10 VCP直流電鍍鍍層厚度測(cè)量數(shù)據(jù)

表1 兩種電鍍鍍層厚度測(cè)量值

2.4 電鍍物料耗用

在滿足相同的鍍層性能指標(biāo)的前提下，采用脈沖整流器可使鍍層厚度減薄，從進(jìn)而可節(jié)約原材料10%～20%，這對(duì)貴金屬來(lái)說(shuō)，具有十分重大的經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)添加劑的使用和消耗比直流電鍍要小，有利于提高蝕刻精度，但前期的投入成本高，脈沖電源是普通電源價(jià)格的幾倍以上。

生產(chǎn)效率高，脈沖電鍍大幅度提高了瞬時(shí)電流密度，使其平均電流密度有可能大于直流電鍍的實(shí)際電流密度。因而，加速了電沉積速度，使生產(chǎn)效率大大提高，從而減少電鍍時(shí)間的1/3至1/2，或更多時(shí)間。

3 結(jié)論

脈沖電鍍和直流電鍍的數(shù)據(jù)表明，脈沖電鍍得到較好的通孔深鍍能力及表面的均勻性。對(duì)于超高厚徑比的通孔節(jié)省貴重金屬（如銅等）及其他的隱形成本。脈沖電鍍比直流電鍍的產(chǎn)能提高并達(dá)到行業(yè)中需要的品質(zhì)要求。