线路板高纵横比通孔脉冲电镀

Zjianeng

随着5G基础建设加快推进，5G网络相关设备需求急剧增大，相应地对前端的多层板的需要开始放量。
5G用的多层板在层数、线宽/线间距、通孔的纵横比等方面都要比4G时代的技术难度和要求有大幅的提升。
作为不同层导通用的通孔、盲孔的纵横比和难度系数都增加了很多，主流纵横比已经从13:1增加到20:1以上（通常称为高纵横比多层板），对这些孔的金属化和电镀提出更高的挑战。
# A, ^! p2 \( a/ R过去以高纵横比多层板的电镀以直流电镀为主，随着连接孔纵横比的不断提高，直流电镀在性能、产能上已经无法满足市场的要求。于是脉冲电镀从新被重视。

脉冲电镀具有无可比拟的技术优势：
" I& M8 _; N8 V, y) M$ n产能高：生产效率要比直流电镀调高50%以上；
性能好：深镀能力要比直流电镀高40%以上（纵横比15:1以上）；
可靠性好：镀层应力小，物理可靠性高；
* m, c9 {$ {! ~9 A. b$ i镀液易于管控：镀液保养比直流电镀简单、省时。

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% q8 n. o- I# |8 V　高纵横比通孔的电镀，在多层PCB板制造工艺中是个关键，由于板厚度与孔径之比的数据高出5：1，要使PCB镀铜层能均匀的全部覆盖在孔壁内难度是很大的。由于孔径小、高深度使通孔在整个处理过程都很难达到工艺要求。最容易发生质量问题的工步就是除环氧钻污即凹蚀，使凹蚀的微蚀深度很难控制，因为孔径小又深凹蚀液很难顺利地通过整个孔内，有的首先接触的环氧树脂部分发生凹蚀，等到全部被凹蚀液浸到时，越先的部位凹蚀深度超标，露出玻璃纤维。形成空洞使后来的沉铜无法覆盖全部，就会出现空洞现象。第二就是沉铜过程中，溶液的交换受阻，更换新鲜沉铜液就很困难，使沉铜的覆盖率大降低。第三就是电镀的分散能力达不到工艺要求，很容易使一部分的沉铜层被溶解掉，形成空洞或无PCB镀铜层等造成的。在这种情况下，如何利用现有工艺装备达到提高镀覆孔的可靠性和孔镀层完整达标是此文论述的重点。
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. D& _  x2 x7 n$ J1 w  t: \　　一．高纵横比通孔电镀缺陷产生的原因分析
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4 U5 l/ j* X8 _" U　　为确保多层PCB板的质量的高可靠性和高稳定性，就必须充分了解在多层PCB板制造全过程中的关键即要害控制点。说的更明确些就是容易出现质量问题的工序，不但要知道问题发生的部位，更必须知道的产生缺陷的根本原因和直简接影响的因素。通过多年生产多层PCB板的生产经验，经常出现质量问题的部位就是去环氧钻污（即凹蚀）。为什么呢？因为该种类型的多层PCB板板厚而孔径小而深，凹蚀液很难顺利地通过整个孔内，就像自来水管一样，孔径小很多水不能同时通过水管流动，于是产生水压，才能使自来水顺利通行。同样由于孔溶 液的流动是靠自身的力量流入孔内，如没有压力就很全部流过孔壁部位，同时树脂本身还有对水的排斥力，就更难通过孔的全部。有的首先接触的环氧树脂部分发生凹蚀，等到全部被凹蚀液浸到时，先进行的部位的凹蚀深度超标，露出玻璃纤维，形成空洞使后来的沉铜无法覆盖全部，就会出现空洞现象。在沉铜的过程中，溶液在孔内的流动性差，其主要原因是因为孔径小、孔深靠孔的两面进溶液阻力过大，使孔内的已反应的溶液无法及时更换新鲜沉铜液，缺少铜离子而已沉铜的部位也会受到溶液的浸蚀。再加上在其它处理溶液处理过的板经清洗后，孔内水份未排尽，再进行沉铜液时形成空气泡，阻碍铜离子的还原此部位也就会缺少导电层。在电镀时，由于光亮酸性PCB镀铜的分散能力有限，当给冲击电流时电流达到中心部位很难，往往也会由于铜的沉积不完全，而已沉铜的部位由于电流以引不到位，就无法获取沉积层，因而被酸性溶液浸蚀而溶解，形成空洞。如果采取的冲击电流过大，还会将已沉铜的部位，特别是孔口两端被烧蚀。
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　　二．高纵横比通孔电镀的控制与对策


  ]6 O, d  A% n8 S% Y9 v　　根据上述所论述原因分析，对高纵横比的多层PCB板的沉铜和电镀所存在的实际情况，必须采取相应的工艺对策，针对最容易产生问题的部位加强重点控制。特别在进行除环氧钻污时，一方面要选择润湿性能好的凹蚀溶液；另一方面采取水平振动的装置，使凹蚀液能顺利的通过整个孔，使处理后的所形成的气泡赶走，将经过溶胀而变的疏松的环氧树脂从内层铜环表面除去，呈现理想的金属光泽，增加与沉铜层和电镀层的结合力。因为多层PCB板的内层电路是靠孔完整的孔镀层达到与外层或所需要的内层进行可靠的电气互边，如孔镀层与内层电路断开或连接有严重缺陷，就会经装配后彻底造成电路断路。如内层环氧名污不是牢固粘附在孔壁上，即是镀上铜层其结合孔很差，在电装时由于热的冲击时就会脱落或经拉脱试验时也会脱开。所以，改进凹蚀的工艺方法，增加凹蚀液在孔内的流动，不断地更换新鲜凹蚀液，确保内层铜环的环氧钻污除干净是保证孔内镀层完整根本。
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, B' j3 Y4 ]0 O' _　　第二方面要解决沉铜质量问题，就要分析沉铜对小孔、孔深的关键点。重要的就是保证沉铜溶液在孔内顺利地流动，不断地更换，使沉铜在孔壁表面形成致密的导电层。具体的做法，就是根据多层PCB板板厚与孔径比的特点，除了选择活性比较高的沉铜系列的配方和工艺条件比较宽的外，主要就是为确保小孔溶液的流动性需增加相应的辅助设备，在镀覆孔的关键工序都应增加振动装置，目的就是要将多层PCB板上所有的孔内的气泡逸出孔外，更重要的保证沉铜液在孔内的自由流动，能充分的与孔壁接触达到反应完全，沉积层完整无缺陷。但是还要考虑如何与此装置相匹配的装挂方式也是极关重要的。如采用篮框装挂沉铜析时，必将板倾斜一个角度，再加上摆动装置，就可以提高孔内沉铜液的流动性。
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7 |  n8 R; y" n! B8 X　　在电镀时，根据多层PCB板的特点，要使电流能在整个板上的孔内表面的均匀分布，必须除板面四周添加辅助阴极外，还要调整工艺参数以确保孔内镀层的均匀分布。从电镀原理分析要对现有的工艺参数进行科学的调整，就需要了解电流与被镀厚度的关系，电镀理论认为，在高酸低铜的硫酸盐类型的溶液中，基板板面与孔内镀层的厚度落差（也称之谓“电位差EIR”）是由下列公式决定的：


　　EIR＝IL2/2KD
7 G6 e4 i, b: z. t. e5 i$ T- X( q$ x# Q: d
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　　其中公式中I －DK、 L—板厚、 K —电导率、D—孔径。
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　　从上述公式可发看出，降低阴极电流密度、增加溶液电导率或使电位差变小，使深孔镀得以实现。但如果采取小电流密度，只能增加电镀时间，势必会降低生产效率，更重要的也无法确保深孔电PCB镀铜层的完整性，有可能电流还未到孔中心位置，其部分的导电层已被酸溶解。但适当的降低电流密度也是可行的，因为多少可增加镀液分散能力，提高电镀溶液深孔电镀的能力。在不影响蚀刻质量的前提下，采取全板电镀＋图形电镀的工艺方法解决深 孔电镀的质量问题。具体的方法就是将原来全板电镀的时间由原15－25分钟增至40 分钟；原来图形电镀的时间由原来的60分钟降致到35－40分钟。其道理很清楚，就是使两面的导电能力提高，使构成两面导电的深孔也能增加电流在其表面的均匀分布，也就达到金属在其孔壁表面的均匀分布。
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6 r+ j# }3 h/ V5 H8 O$ ?　　根据电解质溶液理论，电导率表示每边长1厘米的一立方厘米溶液的电导，而电导是表示导体导电性能的物理量。从试验获知在电PCB镀铜溶液中电导率K值是受硫酸含量影响较大的。即是硫酸含量越高，K值也就越大，而EIR就越小；当硫酸达至每升200克时，K值趋向稳定。深孔理论认为：深孔电镀的真实效果，是由硫酸与硫酸铜的比值决定的，其比值越大镀液的深 镀能力也就越强。根据这一理论，采取硫酸的浓度达到每升210克、硫酸铜的浓度为每升55克，其比值4，酸铜比为16。除此之外，采取提高电镀液的温度，降低水化离子水化作用程度，水化离子半径降低，同时也会降低溶液的粘度，加强溶液的流动性，加快离子运动的速度，有利于电导率的增加。但要适当的提高溶液温度，因为温度过高，虽然可增加电流密度，但会使添加剂消耗增加，很容易失去平衡，使镀层的整平和光亮性下降。

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是的，为确保多层PCB板的质量的高可靠性和高稳定性，就必须充分了解在多层PCB板制造全过程中的关键即要害控制点。说的更明确些就是容易出现质量问题的工序，不但要知道问题发生的部位，更必须知道的产生缺陷的根本原因和直简接影响的因素。通过多年生产多层PCB板的生产经验，经常出现质量问题的部位就是去环氧钻污（即凹蚀）。