脉冲电镀技术在印制电路板制造中应用

     随着微电子技术的飞速发展，印制电路板制造向多层化、积层化、功能化和集成化方向迅速的发展。促使印制电路设计大量采用微小孔、窄间距、细导线进行电路图形的构思和设计，使得印制电路板制造技术难度更高，特别是多层板通孔的纵横比超过5：1及积层板中大量采用的较深的盲孔(尤其是二阶、三阶式的盲孔)，使用常规的电镀方法就很难奏效。从电镀原理进行分析，其结果就会出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐渐降低，致使大量的铜沉积在表面与孔边，无法确保孔中央需铜的部位铜层应达到的标准厚度，有时铜层极薄或无铜层，严重时会造成无可挽回的损失，导致大量的多层板报废。为解决量产中产品质量问题，目前都从电流及添加剂方面去解决深孔电镀问题。在高纵横比印制电路板电镀铜工艺中，大多都是在优质的添加剂的辅助作用下，配合适度的空气搅拌和阴极移动，在相对较低的电流密度条件下进行的。使孔内的电极反应控制区加大，电镀添加剂的作用才能显示出来，再加上阴极移动非常有利于镀液的深镀能力的提高，镀件的极化度加大，镀层电结晶过程中晶核的形成速度与晶粒长大速度相互补偿，从而获得高韧性铜层。
   然而当通孔的纵横比继续增大或出现深盲孔的情况下，这两种工艺措施就显得无力。根据电铸铜所采用的脉冲电镀工艺方法启示，为解决深孔或深盲孔电镀铜问题，提出采用“定时反电流或定时反脉冲”供电方式，试图解决印制电路板生产过程所面临的深孔镀的技术难题。当然脉冲电镀在印制电路板制造业中已不是什么新工艺，脉冲电源不同于直流电源，它是通过一个开关元件使整流器以μs的速度开／关，向阴极提供脉冲信号，当整流器处于关的状态时，它比直流更有效地向孔内的边界层补充铜离子，从而能使高纵横比孔径内壁电镀更加均匀。但如何真正应用到深孔或深盲孔电镀过程中，还必须对脉冲原理进一步的研究和探讨。
   所谓“定时反脉冲”按照时间使电流在供电方式上忽而正镀忽而反镀(即阳极溶解)按照时间比例交替进行，使电镀铜的沉积很难在常规供电方式取得相应的铜层厚度而得以解决。当阴极上的印制电路板处于反电流时，就可以将孔口高电流密度区铜层得到迅速的溶解，由于添加剂的作用，对低电流密度区影响却很微，因而将逐渐使得孔内铜层厚度与板面铜的厚度趋向于均等。
   一、反脉冲理论依据
   根据反脉冲原理，其脉冲时间变化是极快的，会引发很大的电感，没有高品质的反脉冲整流器，就很难获得所产生阴极性的负波式时间，按照试验所确定的正镀与反镀的时间比例进行，其负波将无法达到所预期的电流强度。
   从供电方式来说，当导体中有电流通过时，周围会立即产生垂直于电流的截面圆形磁场。当电流有所变化时，周围磁场的大小也会随之变化，所造成磁场会直接影响电流强度，而使其无法随着改变。此种影响所造成的电流变化的惰性，称之为电感。常用单位为μH(微亨利)，其计算公式如下：
   时间(ms)=（电感（μH）·电流变化量）/上限电压（32V）=（L·△I）/V
   从安全角度出发，批量生产过程将电压设定为32伏以下。现将电感值分别假设在2．0μH与3．0μH7电压设定为24伏，于是可按电流的变化量与所需的反应时间.
   （1）电感值为2.0μH时：
   电流变化量（安培）300 600 1200 1800 2400 3000 3600
   时间（μs)25 50 100 150 200 250 300
   （1）电感值为3.0μH时：
   电流变化量（安培）300 600 1200 1800 2400 3000 3600
   时间（μs)38 75 150 225 300 375 450
   从上述两表中数据可知，当电镀进行过程中其导体的电感值愈大时，正反波所需反应的时间就会愈长，即时在电感值为2．0μH下3300A的变化也需耗去275μs。故知上述反镀时的0．5ms(500μs)过程中，真正有效利用的反波时间只有225μs。通过电感值与反应时间的关系，可清楚的知道为获取更有效反脉冲效果，就必须将其电感值的数据变得更小才有可能实现真正的实际应用效果。
   二．降低电感是实现反脉冲技术的基础
   从电镀原理在实施电镀过程中的实际应用可知，它是由电解液、槽体结构、整流器及导体的连接构成电化学反应系统。而这些装置和辅助装置就是电感的来源。
   (1)整流器电感的产生
   从整流器输入的交流电后通过变压成直流形进入槽导电部分，而整流器系统中的脉冲单元内部的电感值并不高，但整流器输入电流的瞬间变化量极大，这就必须考虑电感值如何降低才能使电流强度达到预定的数据却是整流器高品质的关键。也就说如何减少其正波与负波的上升时间，使得电镀铜的有效时间变得更长些却是重点考虑的基础。从电阻、电感串联电路形式提示，同在交流电压的作用下，电路中有交流电流通过时，因此电阻上的电压降为电流乘电阻，与电流同相位；而电感上的电压降为电流乘感抗，相位比电流超π／2。
   从矢量图计算得出的结论电路的电流与电压成正比，与电路的阻抗成反比。所以，要解决电感对整流器的影响，就必须从电路上去解决它。
   (2)电缆产生的电感
   根据供电方式，通常以每公尺所呈现的微亨利(μH／m)值当成实用单位，不管采用何种形连接，如电缆或汇流排及导电杆，都要尽可能的短，也就是将整流器中的“脉冲单元”尽量接近电镀槽。此种特殊要求对密闭式水平输送系统而言，远比开放式垂直挂镀的设置方便的多。为防止槽液的溅着与腐蚀环境对整流器的影响起见，整流器其精密敏感的电器装置必须加以封闭防护。至于降低电感的部分，则可利用磁场能量相反而彼此抵销的原理，在电镀槽体结构设计方面，采取将阳极与阴极尽量靠的很近，甚至最好采取将阳极与阴极捆在一起以达到正负电感中和的目的。下图及公式即说明其计算的结果。
   除上述所采取的措施外，还可以进一步将两正两负的四根电缆交错排列捆在一群，使电感降至更低为0．08μH／m数值。为取得加好的效果，尽量使得外表的绝缘层越薄越好，为此，所采取的第三种方法就是使用电缆其降低电效果介于双股与四股电缆效果之间，但长期此类型电缆成增加而且也不易掌握。
   除了采用上述三种电缆结构形式达到降低电感的方法外，至于低电感的导体通路，除了电缆还可以采用硬质纯铜板条状的平行汇流排(即板)尤其是直行的部分更为方便。此种形式结构的汇流排其电感的大小受其板面的宽度左右影响最大，愈宽愈好，其两板的间距越近越好，此时有电感值可按下式进行计算：
   L0=（377*板宽）/（光速*板距）或L0=（377*W）/（C*D）
   (3)镀槽系统的电感
   镀槽系统的结构形式，往往是直接影响深孔镀铜的效果。从反脉冲的原理与对实际的应用的要求也就更加严格，方能奏效。目前在电镀槽体结构系统多数采用新式密闭输送型水平电镀生产线，当采用反脉冲供电方式时，其电感值的降低比起开放式大槽垂直挂镀的方法就方便的很多。假设挂镀大槽的阴极导电杆长度为5m，操作中阴阳极距离为500毫米时，此种体系的槽体结构其电感值达到3．OμH，而采用水平式结构的槽体系统就比其操作起来就更容易。当然，垂直挂镀结构槽体系统如使用反脉冲供电方式，就必须注意下列事项：
   1．阴极往复摆动的铜质的导电杆，与相连接的电缆之间要有很好的保护措施，以免长期摆动的情况下，造成电缆接头与绝缘层的磨损。
   2．脉冲输出单元或整流器全机组，都必须尽量靠近电镀槽。
   3．整流器到槽体之间的捆绑电缆，要愈短愈好以尽量降低电感，双股或四股阴极电缆，需要每500毫米应做一绑结。
   这三种电感值的来源，通过结构形式的变化与改造，就有可能达到实用的目的。当其总电感值未超过2．7μH时，则高速电镀铜的整体分布将大为改善。并制造反脉冲整流器，迅速地推广应用到水平电镀生产线和垂直挂镀铜生产线上，取得了很好的结果。
   三、反脉冲技术的应用效果
   通过对反脉冲的理论研究，经过酸性电铸铜的应用效果，进一步研究和改进将其反脉冲技术应用到印制电路板生产中，很好的解决了多层板与积层板上面的深孔或深盲孔（纵横比为1：1以上一指盲孔面言）电镀的难题。它同常规的供电方式电镀铜进行比较，其数据列表如下：
   汇流板的宽度（mm)汇流板距（mm)阻抗（Zo)电感值（μH/m)
   50 10 75.4 0.25
   50 6 45.24 0.15
   100 6 22.62 0.08
   100 7 26.39 0.09
   样板孔长（板厚（mm)孔径（mm)纵横比电流密度ASD脉冲电镀铜直流电镀铜
   反波/正波电流比％正反时间比（ms)分布力（％）全程时间（分）分布力（％）全程时间（分）
   A 2.4 0.3 8：1 3.33 10 20/1.0 92 58 75113
   D 3.2 0.3 10.7：1 3.0 250 20/1.0 78 45 70-75 70
   D 3.2 0.35 9.2：1 3.0 250 20/1.0 85 45 80-85 70
   D 1.5 0.40 4：1 3.0 250 15/0.5 112 60 103 120
   从上述直流电镀法与脉冲电镀法数据比较，反脉冲电镀铜技术能成功的应用在多层印制电路板的深孔电镀与积层板中深盲孔电镀取得极明显成效，其深镀能力确保了深孔镀层的厚度的均匀性和一致性。采用常观直流电镀铜，尽管采用高酸低铜电、解液、使用较低于正常操作所使用的电流密度及含量不高的添加剂的有益作用，但孔电镀的效果仍然是无法与反脉冲电镀铜工艺方法是相比的。脉冲电镀其最显著的优点是使孔内镀层与板面的镀层己真正接近1：1，特别是在深孔镀铜方面比常观直流电镀有了很大的改善；它能使全板面的镀层厚薄相差很小，对蚀刻细导线非常有利，其良品率有了很大的提高；可提高使用的电流密度约30％，并大大缩短操作时间，提高了生产效率。