隨著微電子技術(shù)的日臻向上，印刷電路板制造正朝著多層化、積層化、功能化和集成化方向快速發(fā)展，傳統(tǒng)的垂直電鍍工藝已不能滿足高質(zhì)量、高可靠性互連孔的技術(shù)要求。因此，水平電鍍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它是垂直電鍍技術(shù)發(fā)展的延續(xù)，即在垂直電鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的電鍍技術(shù)。今天，我們就來(lái)介紹一下水平電鍍的原理吧！
水平電鍍和垂直電鍍的方法和原理相同。它們必須有陰陽(yáng)兩極。通電后會(huì)發(fā)生電極反應(yīng)，使電解液的主要成分電離，使帶電的正離子移動(dòng)到電極反應(yīng)區(qū)的負(fù)相；帶電負(fù)離子移動(dòng)到電極反應(yīng)區(qū)的正相，導(dǎo)致金屬沉積涂層和氣體排放。因?yàn)榻饘僭陉帢O的沉積過程分為三個(gè)步驟：金屬的水合離子擴(kuò)散到陰極；第二步是當(dāng)金屬水合離子通過雙電層時(shí)，它們逐漸脫水并吸附在陰極表面；第三步是吸附在陰極表面的金屬離子接受電子并進(jìn)入金屬晶格。由于靜電作用，該層比亥姆霍茲外層小，并且受到熱運(yùn)動(dòng)的影響。陽(yáng)離子排列不像亥姆霍茲外層那樣緊密和整齊。該層稱為擴(kuò)散層。擴(kuò)散層的厚度與鍍液的流速成反比。即鍍液流速越快，擴(kuò)散層越薄，越厚。通常，擴(kuò)散層的厚度約為5-50微米。在遠(yuǎn)離陰極的地方，通過對(duì)流到達(dá)的鍍液層稱為主鍍液。因?yàn)槿芤旱膶?duì)流會(huì)影響鍍液濃度的均勻性。擴(kuò)散層中的銅離子通過擴(kuò)散和離子遷移傳輸?shù)胶ツ坊羝澩鈱印Ｖ麇円褐械你~離子通過對(duì)流和離子遷移被輸送到陰極表面。在水平電鍍過程中，鍍液中的銅離子以三種方式傳輸?shù)疥帢O附近，形成雙電層。
在電埸的作用下，電鍍液中的離子受靜電力而引起離子輸送稱之謂離子遷移。其遷移的速率用公式表示如下：u=zeoE/6πrη要。其中u為離子遷移速率、z為離子的電荷數(shù)、eo為一個(gè)電子的電荷量(即1.61019C)、E為電位、r為水合離子的半徑、η為電鍍液的粘度。根據(jù)方程式的計(jì)算可以看出，電位E降落越大，電鍍液的粘度越小，離子遷移的速率也就越快。
鍍液的對(duì)流是由外部和內(nèi)部機(jī)械攪拌和泵攪拌、電極本身的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)以及由溫差引起的鍍液流動(dòng)引起的。在靠近固體電極表面的位置，由于其摩擦阻力的影響，電鍍液的流動(dòng)變得越來(lái)越慢，固體電極表面的對(duì)流速度為零。從電極表面到對(duì)流槽形成的速率梯度層稱為流動(dòng)界面層。流動(dòng)界面層的厚度約為擴(kuò)散層的10倍，因此擴(kuò)散層中的離子輸運(yùn)幾乎不受對(duì)流的影響。
根據(jù)電沉積理論，在電鍍過程中，陰極上的印刷電路板是一個(gè)非理想極化電極。吸附在陰極表面的銅離子獲得電子并被還原為銅原子，這降低了陰極附近銅離子的濃度。因此，在陰極附近會(huì)形成銅離子濃度梯度。銅離子濃度低于主鍍液的鍍液是鍍液的擴(kuò)散層。主鍍液中銅離子濃度高，會(huì)擴(kuò)散到陰極附近銅離子濃度低的地方，不斷補(bǔ)充陰極區(qū)域。印刷電路板類似于平面陰極，其電流的大小與擴(kuò)散層的厚度的關(guān)系式為COTTRELL方程式：
其中I為電流、z為銅離子的電荷數(shù)、F為法拉第常數(shù)、A為陰極表面積、D為銅離子擴(kuò)散系數(shù)(D=KT/6πrη)，Cb為主體鍍液中銅離子濃度、Co為陰極表面銅離子的濃度、D為擴(kuò)散層的厚度、K為波次曼常數(shù)(K=R/N)、T為溫度、r為銅水合離子的半徑、η為電鍍液的粘度。當(dāng)陰極表面銅離子濃度為零時(shí)，其電流稱為極限擴(kuò)散電流ii：
PCB電鍍的關(guān)鍵是如何保證基板兩側(cè)和通孔內(nèi)壁銅層厚度的均勻性。為了獲得涂層厚度的均勻性，必須確保印制板兩側(cè)和通孔中的鍍液流速應(yīng)快速一致，以獲得薄而均勻的擴(kuò)散層。為了獲得薄而均勻的擴(kuò)散層，根據(jù)目前水平電鍍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，雖然系統(tǒng)中安裝了許多噴咀，但它可以將鍍液快速垂直地噴射到印制板上，從而加快鍍液在通孔中的流速，因此鍍液流速非?？?，并且在基板和通孔的上下部分形成渦流，從而使擴(kuò)散層減少且更均勻。但是，一般情況下，當(dāng)鍍液突然流入狹窄的通孔時(shí)，通孔入口處的鍍液也會(huì)出現(xiàn)反向回流現(xiàn)象。此外，由于一次電流分布的影響，由于尖端效應(yīng)，入口孔處的銅層厚度過厚，通孔內(nèi)壁形成狗骨狀銅涂層。根據(jù)鍍液在通孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，即渦流和回流的大小，以及導(dǎo)電鍍通孔質(zhì)量的狀態(tài)分析，控制參數(shù)只能通過工藝測(cè)試方法確定，以實(shí)現(xiàn)印刷電路板電鍍厚度的均勻性。由于渦流和回流的大小無(wú)法通過理論計(jì)算得到，因此只能采用測(cè)量過程的方法。從測(cè)量結(jié)果可知，為了控制通孔鍍銅層厚度的均勻性，需要根據(jù)印刷電路板通孔的縱橫比調(diào)整可控的工藝參數(shù)，甚至選擇分散能力強(qiáng)的鍍銅溶液，添加合適的添加劑，改進(jìn)供電方式，即反向脈沖電流電鍍，獲得分布能力強(qiáng)的銅鍍層。
從上式可看出，極限擴(kuò)散電流的大小決定于主體鍍液的銅離子濃度、銅離子的擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散層的厚度。當(dāng)主體鍍液中的銅離子的濃度高、銅離子的擴(kuò)散系數(shù)大、擴(kuò)散層的厚度薄時(shí)，極限擴(kuò)散電流就越大。根據(jù)上述公式得知，要達(dá)到較高的極限電流值，就必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧簿褪遣捎眉訙氐墓に嚪椒?。因?yàn)樯邷囟瓤墒箶U(kuò)散系數(shù)變大，增快對(duì)流速率可使其成為渦流而獲得薄而又均一的擴(kuò)散層。從上述理論分析，增加主體鍍液中的銅離子濃度，提高電鍍液的溫度，以及增快對(duì)流速率等均能提高極限擴(kuò)散電流，而達(dá)到加快電鍍速率的目的。水平電鍍基于鍍液的對(duì)流速度加快而形成渦流，能有效地使擴(kuò)散層的厚度降至10微米左右。故采用水平電鍍系統(tǒng)進(jìn)行電鍍時(shí)，其電流密度可高達(dá)8A/dm2。
特別是隨著層壓板中微盲孔數(shù)量的增加，不僅應(yīng)采用水平電鍍系統(tǒng)進(jìn)行電鍍，還應(yīng)采用超聲波振動(dòng)促進(jìn)微盲孔中鍍液的更換和循環(huán)，然后改進(jìn)供電方式，利用反向脈沖電流和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)整可控參數(shù)。
水平電鍍是基于垂直電鍍上發(fā)展而來(lái)的電鍍法，從某個(gè)角度上說(shuō)是垂直電鍍的完善和延伸，所以理解水平電鍍的原理非常重要，希望本文可以為您提供一些幫助！
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