提高高厚徑比通孔電鍍銅均勻性的溶液流動(dòng)性研究

陳 超 王 翀

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

何 為 唐 耀 張偉華

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519175）

陶應(yīng)國

（四川海英電子科技有限公司，四川 遂寧 629001）

0 前言

隨著5G通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對通訊印制電路板（PCB）的要求不斷提高[1]，通信背板在5G基站中作為面積最大的PCB，向著更多層數(shù)、多孔數(shù)、高厚徑比、高可靠性方向發(fā)展[2][3]。隨著通孔厚徑比（AR）不斷提升，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)很難滿足當(dāng)前微通孔金屬化需求。

通孔內(nèi)電鍍液的流動(dòng)性差是影響鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。隨著鍍層厚度增長，孔內(nèi)銅離子和添加劑逐漸被消耗，要保證鍍層增長的質(zhì)量就需要外部電鍍液不斷流向孔內(nèi)補(bǔ)充銅離子和添加劑[4]。傳統(tǒng)通孔電鍍采用的龍門線或垂直連續(xù)電鍍線，主要采用底部打氣或噴流的方式實(shí)現(xiàn)鍍液的對流，這些擾流方式在通孔附近形成的鍍液壓差過小，對鍍液在孔內(nèi)徑向流動(dòng)的推動(dòng)不足，孔內(nèi)鍍液交換困難[5]。因此傳統(tǒng)擾流很難促進(jìn)高厚徑比通孔內(nèi)的物質(zhì)輸運(yùn)，造成微通孔內(nèi)銅離子、添加劑分子等濃度和比例失調(diào)，造成孔內(nèi)鍍層均勻性（TP）較差、銅層結(jié)晶質(zhì)量差等問題。所以需要改善擾流方式來加強(qiáng)孔內(nèi)鍍液交換能力[6]，螺旋槳攪拌對流體推動(dòng)有著極高的效率，其在改善高厚徑比通孔內(nèi)鍍液交換能力中具有十分重要的研究意義。本文通過對傳統(tǒng)鼓氣擾流和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)擾流建立仿真模型，對鍍液湍流進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，對比不同擾流方式下孔內(nèi)鍍液流速大小，為實(shí)際生產(chǎn)中擾流裝置的設(shè)置提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料儀器

實(shí)驗(yàn)材料：FR4覆銅板，半固化片，某商業(yè)化VCP（垂直連續(xù)電鍍）電鍍液等。

實(shí)驗(yàn)儀器：1.5 L哈林槽，直流穩(wěn)壓電源，切片磨拋機(jī)，金相顯微鏡等。

1.2 仿真模型搭建

電鍍時(shí)槽內(nèi)電鍍液流動(dòng)為湍流，其流動(dòng)速度和方向難以實(shí)時(shí)觀測。因此采用搭建仿真模型的方式實(shí)時(shí)模擬電鍍槽中流動(dòng)狀態(tài)，來探究不同擾流方式下鍍液在通孔內(nèi)的對流效果。

本文通過COMSOL Multiphysics 5.6軟件進(jìn)行模型搭建，分別搭建了傳統(tǒng)鼓氣擾流模型圖1（a）和槳葉擾流模型圖1（b）。其中圖1（a）為哈林槽二維模型，槽中間為電鍍陰極的電路板，每間隔10 mm設(shè)置一孔徑為200 μm通孔，在陰極底部的板兩面附近各設(shè)置一個(gè)鼓氣孔。圖1（b）為哈林槽三維模型，與鼓氣模型相同的在槽中間放置電路板，在距離板兩面20 mm處各設(shè)置一螺旋槳，通過槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)擾流。

圖1 鼓氣和螺旋槳攪拌哈林槽模型

流體是連續(xù)介質(zhì)，其在剪切應(yīng)力下發(fā)生相應(yīng)的形變，其相關(guān)物理方程滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒。通過有限元計(jì)算方法求解相關(guān)物理方程，在計(jì)算流體力學(xué)中主要考慮的平衡方程如下。

質(zhì)量守恒平衡方程，流體在某一位置隨時(shí)間流動(dòng)，其流入與流出的質(zhì)量應(yīng)守恒見公式（1）。

動(dòng)量守恒平衡方程，基于牛頓第二定律，考慮流入流出動(dòng)量，外部作用力和內(nèi)部作用力的動(dòng)量守恒方程見公式（2）。

在底部鼓氣擾流模型中，采用氣泡流湍流物理場，考慮到氣相和液相的相互作用，鍍液流動(dòng)速度方程見公式（3）。

其中k為氣體相速度方程見公式（4）。在槳

在槳葉擾流模型中，不考慮氣體相的作用，采用旋轉(zhuǎn)域和湍流物理場，其速度方程見公式（5）。

1.3 測試板

為驗(yàn)證仿真模型結(jié)果的正確性，壓合制作板厚1.5 mm，機(jī)械鉆孔得到孔徑為200 μm通孔，再通過化學(xué)沉銅和閃鍍在孔內(nèi)預(yù)鍍5 μm～8 μm銅層，銑刀成型得到50 mm×150 mm驗(yàn)證板。驗(yàn)證板經(jīng)過除油、水洗、微蝕、水洗、酸浸處理后，在哈林槽中使用VCP線某供應(yīng)商電鍍液測試，施鍍條件為1.5 A/dm2電流密度下電鍍60 min。擾流條件分別為槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)200 r/min和底部鼓氣3 L/min。將鍍好的測試板制作切片在金相顯微鏡下觀察孔內(nèi)鍍層形貌測量鍍層厚度。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表征

通過均鍍能力（TP值）對不同擾流方式下通孔內(nèi)鍍液交換效果進(jìn)行表征[7]，如圖2所示，通過金相顯微鏡測出A、B、C、D、E和F六個(gè)點(diǎn)處的銅層厚度，通過ABCD求出表面銅層的平均厚度H1，通過EF求出孔中心處銅層厚度H2，則TP值等于H2/H1[8]。TP值越高則通孔內(nèi)鍍層越大，而不同的擾流方式下孔內(nèi)的鍍液交換效果不同，孔內(nèi)的物質(zhì)傳輸和添加劑組分都會(huì)大有不同，最終影響到孔內(nèi)鍍層厚度。因此可以用TP值反映出不同擾流效果下孔內(nèi)鍍液交換的能力。

圖2 鍍層厚度測量位置

2 結(jié)果與分析

2.1.1 底部鼓氣擾流仿真結(jié)果與分析

模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鼓氣和螺旋槳攪拌仿真主要物理參數(shù)[9]

幾何模型建立后，設(shè)置氣體擾流的多個(gè)物理場控制方程并設(shè)置方程參數(shù)和邊界條件，通過有限元計(jì)算方法求解出速度與時(shí)間的關(guān)系，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格剖分圖

通過有限元計(jì)算得到不同時(shí)間下氣體和鍍液流動(dòng)分布，氣體流速與時(shí)間關(guān)系如圖4所示。在剛開始鼓氣時(shí)，電鍍槽內(nèi)會(huì)形成一個(gè)小的環(huán)流，當(dāng)鼓氣到5 s時(shí)，由于在底部持續(xù)鼓氣鍍液形成的湍流的速度不同，從而抵消了一部分速度，在20 s時(shí)槽內(nèi)氣體流動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖4 不同時(shí)刻哈林槽內(nèi)氣體流速分布

電鍍液在槽內(nèi)的流動(dòng)是依靠氣體的流動(dòng)，液體流速與時(shí)間關(guān)系如圖5所示。因?yàn)殄円旱牧鲃?dòng)是靠氣體帶動(dòng)，因此可以觀察知同一時(shí)刻氣相和液相的流動(dòng)方向相同。在20 s時(shí)液體流動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖5 不同時(shí)刻哈林槽內(nèi)鍍液流速分布

在t=20 s時(shí)通孔處鍍液流動(dòng)如圖6所示，可以明顯看到通孔內(nèi)外鍍液流動(dòng)速度差異很大，在孔口附近鍍液流動(dòng)速度最大達(dá)到12 mm/s，在孔內(nèi)鍍液流速僅為1 mm/s。這是因?yàn)樵诎鍍擅娴腻円毫鲃?dòng)速度十分相近，且方向平行于板面，兩側(cè)孔口沒有足夠的壓力差推動(dòng)鍍液沿孔內(nèi)徑向流動(dòng)。

圖6 20 s時(shí)刻通孔處鍍液流速分布

2.1.2 槳葉擾流仿真結(jié)果與分析

為便于計(jì)算，將哈林槽內(nèi)槳葉擾流三維模型簡化為旋轉(zhuǎn)域?qū)ΨQ模型，即對某一片槳葉旋轉(zhuǎn)引起的鍍液強(qiáng)制對流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。整個(gè)鍍槽內(nèi)很好地形成環(huán)流，在槳葉處鍍液流速最大為18 mm/s，在板面各處流速大致相等為12 mm/s。可知鍍液從槳葉處流動(dòng)到板面位置時(shí)鍍液動(dòng)量損耗較小。

圖7 槳葉攪動(dòng)穩(wěn)定時(shí)哈林槽內(nèi)鍍液流速分布

根據(jù)上述結(jié)果搭建二維模型，觀察在槳葉強(qiáng)制對流時(shí)通孔內(nèi)鍍液流動(dòng)效果，其結(jié)果如圖8所示。可以明顯看到孔內(nèi)有鍍液徑向流動(dòng)，當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)制對流使鍍液垂直流向電路板流速為12 mm/s時(shí)，通孔內(nèi)鍍液流動(dòng)速度5 mm/s左右。通過對鼓氣和螺旋槳攪拌兩種對流方式進(jìn)行仿真，可以看出槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)制對流使得孔內(nèi)鍍液流動(dòng)速度有明顯提升。

圖8 通孔鍍液流速分布

2.2 測試板結(jié)果分析

分析上述仿真結(jié)果可知，槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)擾流對通孔內(nèi)鍍液流動(dòng)有著更好的效果。孔內(nèi)鍍液的流動(dòng)速度越大，孔內(nèi)因電沉積所消耗的銅離子、添加劑等能得到及時(shí)的補(bǔ)充，另外也能促進(jìn)添加劑對孔內(nèi)的作用。通過哈林槽電鍍對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述仿真模型是否具有實(shí)際效果。其鼓氣擾流電鍍結(jié)果如圖9所示，槳葉擾流電鍍結(jié)果如圖10所示。

圖9 鼓氣擾流電鍍切片圖

圖10 槳葉攪拌擾流電鍍切片

圖中可明顯觀察到，傳統(tǒng)鼓氣擾流電鍍方式板兩面鍍銅生長不均勻且孔口銅沉積速度大于孔內(nèi)，導(dǎo)致孔口銅沉積厚度大于孔內(nèi)，其孔中心均鍍能力為50%左右。槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)擾流電鍍方式可以明顯看出孔內(nèi)各個(gè)位置銅沉積速度相同，孔口處銅沉積均勻，且通孔的電鍍均鍍能力達(dá)到81%。

3 結(jié)論

通過搭建仿真模型，可以實(shí)時(shí)觀察不同擾流方式下鍍槽內(nèi)鍍液整體的流動(dòng)情況以及驅(qū)動(dòng)通孔內(nèi)物質(zhì)交換的情況。雖然在實(shí)際生產(chǎn)中鍍液流動(dòng)情況是難以觀察和測量的，但通過參數(shù)化建?？梢灾笇?dǎo)并改善鍍槽內(nèi)擾流裝置的設(shè)置。

從仿真結(jié)果可以得知，鍍液垂直于板面定向流動(dòng)時(shí)對孔內(nèi)鍍液流動(dòng)有很好的推動(dòng)作用，板面鍍液流動(dòng)速度為12 mm/s時(shí)，鼓氣擾流孔內(nèi)鍍液流動(dòng)速度僅為1 mm/s，槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)擾流孔內(nèi)鍍液流動(dòng)速度提高為5 mm/s。

螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)形成的強(qiáng)制對流使鍍液在電鍍槽中形成環(huán)流，板件兩面的鍍液間形成壓差推動(dòng)鍍液在通孔內(nèi)流動(dòng)，有效提高了電鍍活性組分在微通孔內(nèi)的輸運(yùn)效率。通過實(shí)驗(yàn)槽電鍍實(shí)驗(yàn)，對比了傳統(tǒng)擾流和螺旋槳擾流下的電鍍通孔效果，在相同的施鍍條件下螺旋槳擾流的電鍍通孔TP值更高。

本論文研究的開展得到國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（Nos.51801018和61974020）、珠海市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（No.ZH0405190005PWC）、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2019B090910003）、珠海市科技項(xiàng)目（No.ZH01084702180040HJL）和四川省科技項(xiàng)目（No.2019ZHCG0020）的資助。