微小通盲孔电镀加工溶液交换机理探析

 

1.1 问题的提出

随着电子产品不断向小型化、高密化、高速化发展,对于PCB产品的要求也日益严格。目前,PCB产品中工艺设备都是大多围绕通盲孔单独存在设置,因此PCB产品设计中关于通孔与盲孔(统称通盲孔)并存的高可靠性产品,提出了更高挑战,本文结合行业发展信息及本公司相关研究结果,对PCB通盲孔并存产品加工,对比其在通孔、盲孔存在加工难度进行对比,对机理进行了初步探析。

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图1 PCB盲孔与通孔剖面

随着电子产品不断向小型化、高密化、高速化发展,对于PCB产品的要求也日益严格。目前,PCB产品中工艺设备都是大多围绕通盲孔单独存在设置,因此PCB产品设计中关于通孔与盲孔(统称通盲孔)并存的高可靠性产品,提出了更高挑战,本文结合行业发展信息及本公司相关研究结果,对PCB通盲孔并存产品加工,对比其在通孔、盲孔存在加工难度进行对比,对机理进行了初步探析。

图1中盲孔在沉铜电镀工艺的难点在于将盲孔达到图示的半填充状态,而通孔的工艺难点在于将孔内铜厚均匀性做到最好。在实现这两种工艺过程中,生产资源由于解决彼此问题往往存在相互冲突,无法较好的兼顾两种同时存在,因而造成这一类产品未大规模设计应用。

通盲孔兼顾产品现在主流设计主要以HDI产品为主,可以满足产品微型化要求。如下表1中,清楚的展示出了HDI产品未来的发展方向是尺寸越来越小,但是板厚越来越高,通盲孔尺寸也是有别于常规产品,设计越来越小的趋势,这给传统沉铜电镀工艺提出严峻挑战。

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1.2 国内外研究现状

根据目前行业内收集信息,加工通盲孔板件加工碰到的问题主要有:

(1)盲孔孔破问题。

PCB行业针对盲孔孔破问题,不同药水,不同设备配置,不同的工艺路线选择以及环境控制,时效控制不同,对于孔破的缺陷率都不同,因此此问题也是制约PCB盲孔产品批量运用的难题。

(2)通孔孔破问题。

通孔孔破的检验可探测度高,此问题技术保证的难度也相对较小。但是对于通盲孔并存的板件,当兼顾盲孔时,通孔的加工也需要注意,以保证其导通。

通孔、盲孔孔内无金属问题(图2、图3),主要原因还是由于孔内没有完全润湿,并且沉铜电镀时,溶液交换不及时,导致电镀铜过程中,铜离子对电化学反应补充不及时造成,因此解决电镀溶液交换是生产工艺中需解决的问题。

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图2 HDI盲孔孔破

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图3 HDI通孔孔破

2 电镀过程的极化理论简介

在电镀过程时,影响金属析出反应的极化因素有三种:

(1)电化学极化(ηct)。在平衡状态下,电解液中一部分的离子在电极表面上析出,另一方面,金属电极中一部分的原子成为离子进入电解液中;析出与电解所需要的能量,是由热运动的能量来供给的,为了使通过的电流大于平衡状态的电流,则需要把离子及原子的能量增大至高于此热能的值,此能量的供给则靠电极与电解液界面间形成较大的电势差来维持。此种多加于界面间之电势差,称为活性超电势。电化学极化主要是由于电极反应时有中间物出现,或因电极上产生气体而吸附于电极上,因此影响了电极之电势差,使电极反应速率减慢,此现象即电化学极化。而为了维持一定的电极反应速率,需要加大电势差,此即电极的超电势。

(2)浓差极化(ηmt)。当电流通过电解质溶液时,在阳极上可能因为金属原子之溶解而产生金属离子,在阴极上可能因金属离子放电而沉积于阴极上,使阴极表面附近的金属离子浓度低于最初之平衡浓度,而阳极表面附近的金属离子浓度亦高于最初之平衡浓度。如此所形成的浓度差,改变了电极的电势,若欲维持一定的电沉积电流,则必须加大电势差,此即为浓差极化,其所多加之电势差,称为浓差超电势。

(3)电阻极化(ηir)。因电极反应,在电极表面上常形成一层附着之薄膜,如氧化物、不溶性盐类、硫化物及气体等,或电极本身含其他杂质,因而使电极之电阻增加。欲维持一定的电流,也必须加大电势差,此现象称为电阻极化或欧姆极化。

PCB电镀的关键是需要在孔内镀上合格的铜镀层,因此真实准确地研究孔内电镀情况成为人们关注的重点。孔口到孔中心的电势差△E=ηmt+ηct+ηir,此电势差决定了孔内及孔口的镀层厚度的差异。

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图4 电沉积原理简图

结合PCB加工板面与板内的区别,孔内与孔口影响的模型可以表述如图5,同样此电镀过程与电极电化学过程步骤一样,都需要克服电化学极化,欧姆极化,浓差极化的影响。

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图5 形成板面与孔内电势差的简单模型

电化学极化主要受扩散与离子迁移影响,因此结合PCB电镀,此因素主要受电流密度,光剂类型,光剂浓度影响;

欧姆极化主要与电极本身的结构性能有关,结合PCB电镀,此因素主要受溶液导电性,阴阳极导电性,电流密度,板件设计机构有关;

浓差极化主要受对流作用和离子迁移影响,并且对流作用是主要影响因素,溶液的流动速率与扩散层成反比,因此减少浓差极化的影响主要就是解决溶液的交换速率。

在实际生产过程中,生产工艺需要重点研究的就是降低浓差极化的影响,也就是解决溶液交换的速率,因此本文从溶液交换的角度,对通孔盲孔在溶液交换存在的难度进行了对比,并且从机理上进行了浅析。

3 孔内溶液交换理论简介

厚径比大的小孔电镀时必须用新鲜溶液充分交换孔内的溶液,否则孔内反应就会变慢甚至停止,电镀反应将强烈极化,引起孔内电镀速度比板面电镀速度慢。

从物质可用性方面简单看,增大铜离子浓度似乎可以减少循环次数,但由于铜离子总是沿着电阻最小的路径运动,所以增大铜离子浓度就会更加减少孔内镀铜层的均匀性,即降低了深镀能力,因此加强溶液搅拌才是保证溶液充分交换的有效方法。

对于相同厚径比的孔,孔径越小则Re也越小,根据流体动力学原理,溶液在孔内流动的杂乱程度小,只有当Re≥2000时,流体才是湍流;当Re≤2000时,流体为层流,故小孔内溶液的流动为层流。显而易见:相同的厚径比,孔径越小其层流程度越大;相同孔径时,孔越长(板厚越大),其层流程度也越大。圆形截面的层流方程式为:

V=△Pgcd/32ml (1)

式中:V——平均流速;

△P——孔两侧的压力差;

g、c——尺寸常数;

d——孔径;

m——溶液粘度;

l——板厚。

由公式1可得:当V和m一定时,d越小、l越大,则△P就越大。因此,对于厚径比大的小孔,必须施加大的外界压力,即要求强烈的搅拌溶液。

关于电镀过程中孔内液体的流动,Oscar Lanzi等人[2]提出过两种机理,其一是孔壁剪应力带动孔内液体流动,其二是孔前后两端压力差推动孔内液体流动。Oscar Lanzi[2]等人验证后发现,孔壁剪应力的带动对液体流动影响较微弱,一般可以忽略不计,即认为孔内液体的流动主要是由孔口前后两端的压力差所引起。

王雪涛[3]等通过实验验证了孔内液体的定期反向流动是保证孔内镀层厚度均匀的一个重要条件,其停留时间与孔径本身(厚径比)及设备参数(摇摆速率、摇摆幅度等)有关,在保证孔内液体有足够时间流出的前提下,摇摆速率越快越有利于孔内的电镀铜。

Sullivan等[4]建立了PTH电镀过程中质量转移对镀铜速率影响的数学模型,并通过控制孔内液体的流动,来改善镀层的均匀性。该模型假设通孔内的液体是静止的。研究表明,减小镀铜的速度可以增加均匀性,当孔的厚径比大于3时,镀层就非常的不均匀。原因是通孔内静止液体存在质量转移阻力。镀铜速率也受到外部质量转移阻力的影响而逐渐减小。

Anthony等[5]认为,在质量转移控制的情况下,流动方向周期变化可以促使电解液流动,改善电流的分布。但当电流密度低于质量转移极限的条件下,这种方法效果不明显。

Wern等[6]利用修正的Hagen-poiseuille速度分布建立理论模型,模拟镀通孔过程。研究了尺寸参数、电荷转移、质量转移以及欧姆参数对电流分布的影响以及电流密度分布与沉积均匀性的关系。结果表明,平均电流密度越高,厚径比越大,沉积层就越不均匀。流速较低时的电流密度由质量转移来控制,流速较高时由欧姆控制。而厚径比大的窄孔使得流速减小,从而使得电流密度为欧姆控制。通过降低电流和电势,可以提高镀铜层的均匀性。

从上述原理可以得出,增大溶液交换次数,减少孔内孔外的浓度差,可以降低孔内扩散层的厚度,也就可以提高通盲孔内润湿性。

来源:《印制电路信息》5月刊

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