2019年 05月 09日 星期四

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多层印刷电路板电镀工艺及原理概述

作者:幸运28 日期:2019-05-08 15:36 人气:

  慧聪表面处理网:随着表面贴装技术的蓬勃发展,印刷电路板未来的趋势必然走向细线、小孔、多层之高密度封装型态。然而制造此种高层次电路板其镀铜制程也将面临一些技术瓶颈,例如:如何使面板中央和边缘得到均匀之镀层,如何提高小孔孔壁之分布力、如何改善镀层之物性如延展性、抗拉强度等都是未来值得努力之课题,本文主旨即是以基本的原理来说明制程困难所在及谋求因应之道,希望个人的浅见能对电路板从业人员有所助益。近年来随着半导体及计算机工业的快速发展,印刷电路板的制作亦日益复杂,我们可由下列经验公式作为判断电路板困难程度之指针。

  电路板复杂程序指针=电路板层数*两焊点间导线数目/二焊点间距(吋)*导线吋,导线mils,二焊点间有三条导线年代起表面装技术的风行带动电路板工业朝向高层次之多层板迈进,因而使复杂指标快速上升,从传统电路板的20左右升高到目前的100或更高,在此种更新、产品演进的过程中,当然不免遇到的一些技术瓶颈,以镀铜制程为例,笔者尝试以巨观、微观及微结构等三方面来探讨其基本原理并谋求因应策略。

  指电路板之板面而言,通常一大板子板面大小约为24”*18”,若要使中央和边缘镀层厚度均匀实非易事,根据法拉第电解定律,镀层的厚度与外加电流成正比,假设镀层的密度为一定值,则镀层厚度分布即为阴极电流之分布,影响电流分布的因素很多包括溶液中之电阻、电极之极化、镀件之几何形状、阴阳极之距离、外加电流大小、质量传迅速率等,我们将在以下各节分别讨论影响,当电流在电极上之分布没有产生极化或其它干扰因素的情况下称为一次电流分布其完全取决于镀槽之几何形状,当一定电压加于两电极上﹐镀浴中每一点亦有一定之电压存在,其大小介于两电极电压之间,因为金属电极导电性很强,我们可以假设电极表面每一点之电压均相等同理,在镀浴中亦可找出某些具有相等电位之假想平面,一般说,来*近电极之位置,等电位平面与电极形状甚为类似但其形状却随着与电极之距离逐渐增大而改变,图一即说明等电位平面分布的状况,在等位面分布较密集的地方电流密度较大,反之则较小。由电场理论得知,等电位之平面和其对应力的平面是互相垂直的,而电极本身属于等电位平面,所以电流流进或流出电极某一点必与该点所在的平面互相垂直。图二即说明等电位平面及电流流向分布之关系。如果等电位平面被一定整的导体取代或是等电位面所对应力之平面为一绝缘体所替代将不致影响其电场。反之,若是等位面被任何替代物所切,断则整个电场将受到相等程度之干扰,电流分布亦将有所改变,以一为例,以A和BB当作电极和以A及C当作电极将会得到相同之电流分布,主要原因是BB平面恰好与等位面重合,因而不会影响电场,假设将图一之A与C略加移动,使其偏离中心位置,则等位线之分布将和原来有很大的不同,因为电极位置的更动影响了电场使得电流分布亦产生了变化,如图三所示。

  由前述电场基本理论得知,一次电流分布完全取决于镀槽之几何形状。亦即阴阳极之距离、大小、形状都会影响其电流分布。对电路板板面而言,其边缘部份等位面分布较密集,故镀层较厚而中央部份较薄。若要改善此种现象必须强调设计的概念。例如增加阴阳极之距离、加大阳极之面积、使用绝缘之屏蔽物来改变等位平面、采用辅助阳极来改善低电流区域之电流分布,使用辅助阴极来分散高电流区域之电流等都是可行的方法。

  由于电极产生极化而改变了一次电流分布,此时,所得到之电流称为二次电流分布,在此,首先必须将极化的观念略加说明。

  简单而言,极化是因为电极附近发生电化学反应而增加了溶液中之电阻。若要使期望的反应能顺利产生,必须增加外加电压。如此一来,将产生额外的热及电力消耗。由于极化作用,电极电压将与平稀电位有所差异,此二者之差值称为过电压在阴极附近,离子因参与电极反应,消耗太快来不及补充,此时造成之过电压称为浓度过电压,若要使离子顺利通过某种能量障碍而达到电极参加反应所须要之过电压称为活化过电压,而总过电压是浓度过电压与活化过电压之总和,是用来测量电极极化程度之指标。由于电流大小和阴阳极间之距离成反比,在电术术化作用下,相当于增加了阴阳极之距离。此距离双称为特征长度因为此种效应,二次电流或多或少将可减少一次电流不均匀的现象。

  由前述电场基本理论了解到电流之分布力实际受下列两种因素所左右,分别为溶液中之电阻及极化作用产生之电阻和ALKIRE曾经将极化参数P作了以下的定义。

  其中ac是移转系数,F是法拉第常数,L是阴阳极距离,j是平均电流密度,Rg是气体常数,T是温度,K是溶液中之导电度。

  如果P1,代表极化作用远超过电场效应,则电流倾向于二次电流分布,将十分均匀。如果P1,则电流倾向于一次电流分布,完全取决于镀槽之几何形状,他们并以硫酸铜镀浴作多层板镀铜实验,各参数基本数据为ac=0。5,

  Ma-sec/g-ep,L=30。5cm,j=26。9Ma/cm2,K=0。55(奥姆cm)-1,RgT/F=25。6Mv/(23℃)结果P=29。131代表电流倾向于一次电流分布,其均匀与否完全决定于镀槽之设计,而溶液之导电度、极化反应之影响均不大,此外,光泽剂或添加剂对板面的巨观电流分布力均没有什么影响,若要得到均匀之电流分布可使用屏蔽物或辅助阴极。

  这里是针对电路板之镀通孔(PTH)而言,近五年来,表面贴装组件的大量采用,使得电路板趋向细线、小孔、多层化的困难层次,因而在钻孔、除胶渣、镀铜等都面临了前所未有之挑战,举例来说,一个0。3吋厚之多层板如果钻上15mils的通孔,铡纵横比高达20:1,如此之小孔已经类似一根毛细管具有相当程度的表面张力,根据理论计算至少需要0。093psi之外加压力方能使液体顺利穿过此一细双深之孔,传统的吹气搅拌方式已经无法满足这种要求。因此镀槽势必要作特殊设计。



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