PCB電鍍銅知識（3）：電鍍銅均鍍能力與深鍍能力的差異

陳苑明 魏樹豐 鄭 莉 黎欽源 何 為

（1.電子科技大學材料與能源學院，四川 成都 610054；2.珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519175；3.廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 引言

介紹印制電路板（printed circuit board，PCB）的電鍍銅相關知識，重點介紹衡量電鍍銅效果的重要指標，即均鍍能力（throwing power，TP）和深鍍能力（covering power）。

1 基本概念

電鍍技術是表面處理技術中重要的一類技術，當談及電鍍技術時，不可不談及深鍍能力與均鍍能力。均鍍能力又稱鍍液的分散能力，深鍍能力又稱鍍液的覆蓋能力，見標準T/CPCA 1001—2022《電子電路術語》。在實際生產(chǎn)中，這2 個指標常用于衡量電鍍鍍層均勻性與鍍層的覆蓋度。

張三元等［1］認為，鍍液的分散能力是指在一定的電沉積條件下，鍍液使被沉積金屬在陰極（工件）表面上均勻分布的能力；鍍液的覆蓋能力是指在一定的電鍍條件下，使被沉積金屬在鍍件表面全部覆蓋的能力。此外，覃奇賢等［2-3］對分散能力和覆蓋能力也有如下的定義：分散能力是電鍍液的重要性能之一，它是指電鍍液能使鍍層的厚度在被鍍覆零件表面均勻分布的能力。從分散能力好的鍍液中得到的鍍層厚度在各部位都是均勻的。覆蓋能力是指鍍液在復雜形狀零件的凹洼處或深孔中能沉積出鍍層的能力，也叫深鍍能力。沉積的金屬鍍層將零件覆蓋的面積越大，該鍍液的覆蓋能力越好。也就是說，在這2 個詞語的中文定義中，對覆蓋能力與分散能力的定義是從電鍍的效果上解釋的：覆蓋是指在鍍件上都能沉積上金屬，分散是指沉積上的金屬盡可能的具有均勻的厚度。因此，分散能力好的鍍液一定覆蓋能力好，但是覆蓋能力好的鍍液并不一定有好的分散能力。

2 早期來歷

TP和深鍍能力最早的定義要追溯到19世紀下半葉，當時TP 與深鍍能力主要應用于描述珠寶首飾等的表面處理技術。Hoar 等［4］在1947 年發(fā)表文章描述TP 為：在不需要相似的陽極或者幾何裝置的情況下，能在幾何形狀不規(guī)則的陰極上沉積均勻鍍層的鍍液具有良好的TP。同樣，Kanani［5］對深鍍能力的定義為，用于描述沉積電解質(zhì)覆蓋整個鍍件表面的程度，具有合理的均勻鍍層，在凹槽和腔體中至少有一些沉積?？梢钥闯?，在對TP 和深鍍能力進行定義時，不管是英文定義以及之后的中文翻譯定義，均是從電鍍的結果進行定義且沒有定量的標準，并沿用至今。

3 相關機理

當談及TP 和深鍍能力時，就要談到初次電流分布與二次電流分布。初次電流分布是受到幾何因素（主要是鍍槽和陽極）的影響而形成的電流分布；二次電流分布是受到化學因素、金屬離子的擴散速度等影響所形成的電流分布。深鍍能力與TP都被認為與初次與二次電流密度高度相關。

在進行金屬的電沉積時，經(jīng)常遇到如下的問題：在電池殼上電鍍金屬鎳時，需要加輔助電極，否則很難在陰極沉積上金屬鎳；電鍍金屬鉻時，三價的鉻離子比六價鉻離子更容易沉積［3］；酸性硫酸銅的電鍍，幾乎不用考慮其深鍍能力，因為酸性硫酸銅的電沉積總是能沉積上金屬銅，而經(jīng)常討論的是其TP。這3 種情況中，可以說明電鍍鎳和電鍍六價鉻的鍍液覆蓋能力差（也即深鍍能力差），而電鍍銅的深鍍能力好。通過對比分析鎳離子和銅離子循環(huán)伏安曲線差異獲得深鍍能力的定義。

Cu2+、Ni+的循環(huán)伏安曲線分別如圖1和圖2所示。實驗采用的銅離子及鎳離子鍍液的組分見表1。實驗采用的電化學工作站為瑞士萬通PGSTAT 302N，工作電極為旋轉圓盤鉑電極（直徑為5 mm），參比電極為汞/硫酸亞汞電極，電極為銅電極（將銅棒封于底部有多孔陶瓷的玻璃管中）。實驗溫度為25 ℃，工作電極的旋轉速度為1 500 r/min，循環(huán)伏安掃描速率為100 mV/s。

表1 循環(huán)伏安實驗使用的電鍍銅和電鍍鎳鍍液

圖1 銅離子的循環(huán)伏安曲線

圖2 鎳離子的循環(huán)伏安曲線

由圖1 可見，銅離子的還原電位和平衡電位分別是-0.43 V 和-0.06 V vs.SSE［相比于飽和硫酸汞電極（versus saturated mercurous sulfate electrode)]。由圖2 可見，鎳離子的還原電位和平衡電位分別是-0.90 V 和-0.20 V vs.SSE。通過計算，銅離子從平衡電位到開始沉積銅的電位差為0.37 V，而鎳離子從平衡電位到開始沉積金屬鎳的電位差則為0.70V。這2 個電位差的差異造成了銅沉積與鎳沉積深鍍能力的差異，也就是說該電位差描述了銅離子和鎳離子從該種溶液中得到電子能力的強弱。在電鍍鎳時，使用輔助電極能夠降低電鍍鎳時的極化，使鎳沉積更易進行；而電鍍銅從平衡點到開始沉積銅的電位差較?。ㄟh小于鎳），因此在電鍍銅沉積時，不管其鍍件的外形如何，總是能沉積上銅，基本不用考慮其深鍍能力，僅需考慮其鍍層厚度均勻性的問題（TP）。

通過以上分析可知，深鍍能力和TP 一直都是通過其結果來定義的。由對鎳和銅沉積的循環(huán)伏安曲線分析可以得知，深鍍能力的更深層次含義為金屬鍍液的平衡電位與開始沉積金屬的電位的差值，此差值越大，則表明此鍍液的深鍍能力（覆蓋能力）越差，越難沉積上金屬；相反，差值越小，則表明此鍍液的深鍍能力越好，越易沉積上金屬。這種定義是由金屬離子從該種電鍍液中得到電子并在陰極沉積的能力強弱來區(qū)分的。即深鍍能力是金屬離子上鍍的能力，而TP 是鍍層均勻性的問題。

4 TP衡量

TP 是指鍍液能使鍍層的厚度在鍍件表面均勻分布的能力。在通孔電鍍中，衡量TP 的標準可表示為

式中：δ1、δ2、δ3和δ4分別為通孔表面鍍層的厚度；δ5和δ6分別為通孔孔內(nèi)鍍層的厚度。

對應參數(shù)所代表的測量位置如圖3 所示。在實際測量過程中，可以在δ5和δ6的上下方各再取1個點到2個點，使TP的評估更加準確。當rTP值＞80%時，可以認為鍍液的TP良好。

圖3 rTP值測量示意

常采用的提高rTP的方法是調(diào)整電鍍液的配方，向鍍液中加入添加劑改變銅離子在通孔內(nèi)部和表面的覆蓋率且改變銅離子的反應途徑；同時，還可以對電鍍槽進行改進，目的是加強孔內(nèi)的傳質(zhì)速率，從而提高孔內(nèi)的電流密度和電鍍速率，最終實現(xiàn)通孔的均勻電鍍。

5 結語

TP 和深鍍能力是衡量電鍍效果的重要指標。本文通過對深鍍能力和TP 的定義進行探究，發(fā)現(xiàn)深鍍能力的定義是從結果出發(fā)，并沒有對其進行更深層次的討論。從酸性電鍍銅及電鍍鎳鍍液的循環(huán)伏安分析得出，深鍍能力的差異主要是由該種金屬鍍液的平衡電位和沉積電位的電位差造成的，此電位差大則難沉積金屬，此電位差小則易沉積金屬。因此深鍍能力即為金屬離子在該種電鍍液中得到電子并沉積于陰極上的能力，也就說明深鍍能力是上鍍的能力。TP 則是鍍層均勻性的問題。