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制程中电镀方法研究论文

PCB制程中电镀方法研究

系别：

物理与电子工程系

学科专业：

印制电路技术与工艺

姓名：

gkuhk

指导教师：

fgfh

国防军hk

2012年6月

1引言

电镀（Electroplating）就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。

电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。

为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。

电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性（镀层金属多采用耐腐蚀的金属）、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。

电镀的目前研究及应用现状电镀分为挂镀、滚镀、连续镀和刷镀等方式，主要与待镀件的尺寸和批量有关。

挂镀适用于一般尺寸的制品,如汽车的保险杠,自行车的车把等。

滚镀适用于小件，如紧固件、垫圈、销子等。

连续镀适用于成批生产的线材和带材。

刷镀适用于局部镀或修复。

电镀液有酸性的、碱性的和加有铬合剂的酸性及中性溶液，无论采用何种镀覆方式，与待镀制品和镀液接触的镀槽、吊挂具等应具有一定程度的通用性。

电镀工艺作为重要的表面工程技术，从1840年的镀银专利申请至今，已有160多年的历史。

20世纪以来，随着科学技术进步，工业化程度不断提高，汽车、机械装备、船舶、航空、航天、电子、轻工等工业对产品表面处理都离不开电镀。

今天，电镀已从一般的装饰防护向高耐腐蚀及功能性方向发展。

随着电镀新工艺、新材料和新设备不断开发研制、推广应用，电镀行业开创了前所未有的新局面，应用领域不断拓展。

当前经济全球化和科技创新是国际的两大主流。

经济全球化，产业结构调整已在全球范围内进行，我国已成为国际发达国家产业转移的对象，不少发达国家的产品，直接转移到我国生产，我国已成为国际的生产大国。

科技创新、技术进步促进科学技术迅猛发展，发达国家的电镀生产企业，广泛应用信息技术进行现代化管理，电镀工艺已采用先进的代铬工艺、纳米技术。

而在我们印制电路行业里，主要有两个方面，孔金属化和表面电镀，我们应用最多最广的就是电镀铜，这里就主要介绍一下镀铜工艺的发展方向。

即水平电镀和纳米电镀，前者应用于孔金属化而后者在表面电镀有更加突出的优势。

将两者相结合这样即能达到生产需求又可以保证产品质量。

2水平电镀技术

2.1水平电镀概述

随着印制电路技术的快速的发展，常规的垂直电镀工艺渐渐的不能满足高质量、高可靠性互连孔的技术要求。

其主要原因需从电镀原理关于电流分布状态进行分析，通过实际电镀时发现孔内电流的分布呈现腰鼓形，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，于是产生水平电镀技术。

它是垂直电镀法技术发展的继续，也就是在垂直电镀工艺的基础上发展起来的新颖电镀技术。

这种技术的关键就是应制造出相适应的、相互配套的水平电镀系统，能使高分散能力的镀液，在改进供电方式和其它辅助装置的配合下，显示出比垂直电镀法更为优异的功能作用。

2.1水平电镀原理简析

水平电镀与垂直电镀方法和原理是相同的，都必须具有阴阳两极，通电后产生电极反应使电解液主成份产生电离，使带电的正离子向电极反应区的负相移动；带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是产生金属沉积镀层和放出气体。

因为金属在阴极沉积的过程分为三步：

即金属的水化离子向阴极扩散；第二步就是金属水化离子在通过双电层时，逐步脱水，并吸附在阴极的表面上；第三步就是吸附在阴极表面的金属离子接受电子而进入金属晶格中。

从实际观察到作业槽的情况是固相的电极与液相电镀液的界面之间的无法观察到的异相电子传递反应。

其结构可用电镀理论中的双电层原理来说明，当电极为阴极并处于极化状态情况下，则被水分子包围并带有正电荷的阳离子，因静电作用力而有序的排列在阴极附近，最靠近阴极的阳离子中心点所构成的设相面而称之亥姆霍兹（Helmholtz）外层，该外层距电极的距离约约1－10纳米。

但是由于亥姆霍兹外层的阳离子所带正电荷的总电量，其正电荷量不足以中和阴极上的负电荷。

而离阴极较远的镀液受到对流的影响，其溶液层的阳离子浓度要比阴离子浓度高一些。

此层由于静电力作用比亥姆霍兹外层要小，又要受到热运动的影响，阳离子排列并不像亥姆霍兹外层紧密而又整齐，此层称之谓扩散层。

扩散层的厚度与镀液的流动速率成反比。

也就是镀液的流动速率越快，扩散层就越薄，反则厚，一般扩散层的厚度约5－50微米。

离阴极就更远，对流所到达的镀液层称之谓主体镀液。

因为溶液的产生的对流作用会影响到镀液浓度的均匀性。

扩散层中的铜离子靠镀液靠扩散及离子的迁移方式输送到亥姆霍兹外层。

而主体镀液中的铜离子却靠对流作用及离子迁移将其输送到阴极表面。

所以在水平电镀过程中，镀液中的铜离子是靠三种方式进行输送到阴极的附近形成双电层。

镀液的对流的产生是采用外部向内部以机械搅拌和泵搅拌、电极本身的摆动或旋转方式，以及温差引起的电镀液的流动。

在越靠近固体电极的表面的地方，由于其磨擦阻力的影响至使电镀液的流动变得越来越缓慢，此时的固体电极表面的对流速率为零。

从电极表面到对流镀液间所形成的速率梯度层称之谓流动界面层。

该流动界面层的厚度约为扩散层厚度的的十倍，故扩散层内离子的输送几乎不受对流作用的影响。

在电场的作用下，电镀液中的离子受静电力而引起离子输送称之谓离子迁移。

其迁移的速率用公式表示如下：

其中u为离子迁移速率、z为离子的电荷数、e0为一个电子的电荷量（即1.61019C）、E为电位、r为水合离子的半径、h为电镀液的粘度。

根据方程式的计算可以看出，电位E降落越大，电镀液的粘度h越小，离子迁移的速率也就越快。

根据电沉积理论，电镀时，位于阴极上的印制电路板为非理想的极化电极，吸附在阴极的表面上的铜离子获得电子而被还原成铜原子，而使靠近阴极的铜离子浓度降低。

因此，阴极附近会形成铜离子浓度梯度。

铜离子浓度比主体镀液的浓度低的这一层镀液即为镀液的扩散层。

而主体镀液中的铜离子浓度较高，会向阴极附近铜离子浓度较低的地方，进行扩散，不断地补充阴极区域。

印制电路板类似一个平面阴极，其电流的大小与扩散层的厚度的关系式为COTTRELL方程式：

其中I为电流、Z为铜离子的电荷数、F为法拉第常数、A为阴极表面积、D为铜离子扩散系数（D=KT/6prh）、Cb为主体镀液中铜离子浓度、Co为阴极表面铜离子的浓度、d为扩散层的厚度、K为波次曼常数（K=R/N）、T为温度、r为铜水合离子的半径、h为电镀液的粘度。

当阴极表面铜离子浓度为零时，其电流称为极限扩散电流ii：

从上式可看出，极限扩散电流的大小决定于主体镀液的铜离子浓度、铜离子的扩散系数及扩散层的厚度。

当主体镀液中的铜离子的浓度高、铜离子的扩散系数大、扩散层的厚度薄时，极限扩散电流就越大。

根据上述公式得知，要达到较高的极限电流值，就必须采取适当的工艺措施，也就是采用加温的工艺方法。

因为升高温度可使扩散系数变大，增快对流速率可使其成为涡流而获得薄而又均匀的扩散层。

从上述理论分析，增加主体镀液中的铜离子浓度，提高电镀液的温度，以及增快对流速率等均能提高极限扩散电流，而达到加快电镀速率的目的。

水平电镀基于镀液的对流速度加快而形成涡流，能有效地使扩散层的厚度降至10微米左右。

故采用水平电镀系统进行电镀时，其电流密度可高达8A/dm2。

印制电路板电镀的关键，就是如何确保基板两面及导通孔内壁铜层厚度的均匀性。

要得到镀层厚度的均匀性，就必须确保印制板的两面及通孔内的镀液流速要快而又要一致，以获得薄而均匀的扩散层。

要达到薄均匀的扩散层，就目前水平电镀系统的结构看，尽管该系统内安装了许多喷咀，能将镀液快速垂直的喷向印制板，以加速镀液在通孔内的流动速度，致使镀液的流动速率很快，在基板的上下面及通孔内形成涡流，使扩散层降低而又较均匀。

但是，通常当镀液突然流入狭窄的通孔内时，通孔的入口处镀液还会有反向回流的现象产生，再加上一次电流分布的影响，会常常造成入口处孔部位电镀时，由于尖端效应导致铜层厚度过厚，通孔内壁构成狗骨头形状的铜镀层。

根据镀液在通孔内流动的状态即涡流及回流的大小，导电镀通孔质量的状态分析，只能通过工艺试验法来确定控制参数达到印制电路板电镀厚度的均匀性。

因为涡流及回流的大小至今还是无法通过理论计算的方法获知，所以只有采用实测的工艺方法。

从实测的结果得知，要控制通孔电镀铜层厚度的均匀性，就必须根据印制电路板通孔的纵横比来调整可控的工艺参数，甚至还要选择高分散能力的电镀铜溶液，再添加适当的添加剂及改进供电方式即采用反向脉冲电流进行电镀才给获得具有高分布能力的铜镀层。

特别是积层板微盲孔数量增加，不但要采用水平电镀系统进行电镀，还要采用超声波震动来促进微盲孔内镀液的更换及流通，再改进供电方式利用反脉冲电流及实际测试的的数据来调正可控参数，就能获得满意的效果。

2.3水平电镀系统基本结构

根据水平电镀的特点，它是将印制电路板放置的方式由垂直式变成平行镀液液面的电镀方式。

这时的印制电路板为阴极，而电流的供应方式有的水平电镀系统采用导电夹子和导电滚轮两种。

从操作系统方便来谈，采用滚轮导电的供应方式较为普遍。

水平电镀系统中的导电滚轮除作为阴极外，还具有传送印制电路板的功能。

每个导电滚轮都安装着弹簧装置，其目的能适应不同厚度的印制电路板（0.10－5.00mm）电镀的需要。

但在电镀时就会出现与镀液接触的部位都可能被镀上铜层，久面久之该系统就无法运行。

因此，目前的所制造的水平电镀系统，大多将阴极设计成可切换成阳极，再利用一组辅助阴极，便可将被镀互滚轮上的铜电解溶解掉。

为维修或更换方面起见，新的电镀设计也考虑到容易损耗的部位便于拆除或更换。

阳极是采用数组可调整大小的不溶性钛篮，分别放置在印制电路板的上下位置，内装有直径为25mm圆球状、含磷量为0.004－0.006％可溶性的铜、阴极与阳极之间的距离为40mm。

镀液的流动是采用泵及喷咀组成的系统，使镀液在封闭的镀槽内前后、上下交替迅速的流动，并能确保镀液流动的均匀性。

镀液为垂直喷向印制电路板，在印制电路板面形成冲壁喷射涡流。

其最终目的达到印制电路板两面及通孔的镀液快速流动形成涡流。

另外槽内装有过滤系统，其中所采用的过滤网为网眼为1.2微米，以过滤去电镀过程中所产生的颗粒状的杂质，确保镀液的干净无污染。

在制造水平电镀系统时，还要考虑到操作方便和工艺参数的自动控制。

因为在实际电镀时，随着印制电路板尺寸的大小、通孔孔径的尺寸的大小及所要求的铜厚度的不同、传送速度、印制电路板间的距离、泵马力的大小、喷咀的方向及电流密度的高低等工艺参数的设定，都需要进行实际测试和调整及控制，才能获得合乎技术要求的铜层厚度。

就必须采用计算机进行控制。

为提高生产效率及高档次产品质量的一致性和可靠性，将印制电路板的通孔前后处理（包括镀覆孔）按照工艺程序，构成完整的水平电镀系统，才是满足新品开发、上市的需要。

3纳米电镀技术

3.1电镀中纳米技术的应用

纳米电镀可以分为电镀金属晶体颗粒类纳米电镀和外加纳米粉搅拌电镀两大类。

3.1.1电镀金属晶体颗粒类纳米电镀

这类电镀得到的镀层，晶体结构致密，镀层抗腐蚀能力强，这类电镀又由三种不同的方法得到:

第一种是通过断流脉冲电源得到，第二种是通过添加剂得到，第三种是通过金属离子型晶体生长抑制剂。

前两种方法只改变结晶方式，提高晶核的成核率，得到纳米级晶体颗粒镀层;通过金属离子型晶体生长抑制剂得到的镀层，除具有抗腐蚀能力强的特点之外，还具有轴承合金的特点，耐磨性优于单金属镀层。

3.1.2外加纳米粉搅拌电镀

这类电镀得到的镀层，是挟杂着纳米粉颗粒，镀层晶体包裹着纳米颗粒，这种镀层具有轴承合金的特点，耐磨性优于单金属镀层。

3.2纳米电镀的原理和技术

纳米电镀分成三个阶段:

①悬浮于镀液中的纳米粒子,由镀液深处向阴极表面附近输送,主要动力是搅拌形成的动力场;②纳米粒子粘附于阴极表面,其动力学因素比较复杂,与粒子特性、电极基质金属、镀液成分、添加剂特性和电镀工艺条件有关;③纳米粒子被阴极上沉积的金属牢固地嵌入。

3.2.1纳米电镀沉积技术

电镀的基本原理就是在电场作用下,带电离子沉积在被镀物上,镀层质量与镀液中的离子浓度和工艺参数密切相关。

随着工业生产自动化程度的日渐提高、工艺参数的选择及各种添加剂的合理使用,一种所谓纳米晶镀层结构已经得到实际应用,使得镀层的硬度、耐磨性有显著提高,光洁度和致密性得到改善,气孔率大幅度下降,出现“无气孔镀层”概念,这对于用于电接触材料的贵金属镀层有着重要意义。

3.2.2纳米复合电镀

复合镀层的研究始于20世纪80年代。

实践证明,在镀层中引入高度弥散的纳米粒子,构成所谓纳米复合镀层,其表面电接触特性会发生很大变化,并可按照设计要求实现功能性的改进。

例如将Ni包覆SiO2纳米粒子引入Ni+P/Cu镀液中,SiO2含量为1g/L时镀层硬度可达HV600,经400℃、1h热处理后,镀层硬度可达HV900;同样引入Ni包覆Al2O3纳米粒子、SiC纳米粒子、金刚石粉纳米粒子等,在Ni/Cu镀层中,都能大幅度提高镀层硬度,使其具有优良的抗微动摩擦性能。

纳米粒子的引入方式和后工序加工及热处理工艺是纳米电镀的主要技术关键,前者保证复合镀层的制取,后者有助于进一步发挥复合镀层的最佳功能。

3.2.3生成纳米晶体颗粒的原理

【1】通过断流脉冲电源的作用生成纳米晶体的电镀

晶体的生长过程是由晶核形成，晶核生长成晶胞，晶胞生长成晶体的过程，在这过程中，如果电流不间断，晶体可以向所有空间生长，并不断地生成晶枝，使晶体间存在空穴，导致电镀生成的晶体不像热融后冷却生长的晶体。

断流脉冲电源能在电流停止的时候，晶体也同时停止生长。

在电流重新导通时，新的晶核又重形成。

【2】通过添加剂的作用生成纳米晶体的电镀

跟前论述的一样，在电镀过程中，晶体生长的过程是不变的。

在电流不间断的条件下，晶体总是向纵向生长，及向晶枝长大的方向成长，使晶枝不断地长大，最终结果是晶枝之间的空穴很多，导致镀层的致密性差。

添加剂的作用是添加剂本身吸收微观高电流密度点电了，抑制晶枝的生长，使新的晶核生成。

金属离子型晶体生长抑制剂除具有上述的性能之外，它在这一个微观点上生成另外一种金属，使镀层里面均匀地分布着另外一种金属颗粒。

这些金属可以根据镀层性能的需要来添加。

5结束语

随着高新技术的发展，现在是向着水平电镀方向发展，相比于垂直电镀其有以下优势和改进：

（1）适应尺寸范围较宽，无需进行手工装挂，实现全部自动化作业，对提高和确保作业过程对基板表面无损害，对实现规模化的大生产极为有利。

（2）在工艺审查中，无需留装夹位置，增加实用面积，大大节约原材料的损耗。

（3）水平电镀采用全程计算机控制，使基板在相同的条件下，确保每块印制电路板的表面与孔的镀层的均匀性。

（4）从管理角度看，电镀槽从清理、电镀液的添加和更换，可完全实现自动化作业，不会因为人为的错误造成管理上的失控问题。

（5）从实际生产中可测所知，由于水平电镀采用多段水平清洗，大大节约清洗水的用量及减少污水处理的压力。

（6）由于该系统采用封闭式作业，减少对作业空间的污染和热量的蒸发对工艺环境的直接影响，大大改善作业环境。

特别是烘板时由于减少热量的损耗，节约了能量的无谓消耗及大大提高生产效率。

而在电镀中使用纳米技术，可以使表面镀层达到常规电镀无法达到的水平，即优良的耐磨性、抗腐蚀性，表面镀层的均匀性、致密性等。

所以我的设想是通过技术手段将两者结合起来，这样就能将两者的有点结合从而达到既能很好的解决孔金属化的难题又能将表面电镀做到即均匀又致密，在水平电镀的镀液中使用纳米材料，或者在常规镀液中混入纳米材料，这样又可能像合金一样，两种材料混合产生的效果将优于其中任何一种材料，至于能否达到这样的效果还有待实验证实，这里我只是提出自己的设想。

总而言之电镀在印制电路板生产中所占有的地位极其重要，尤其是在向着孔微小化，这样就使得常规电镀在这方面很吃力，也正是这样才促进了电镀技术的不断发展，今天的水平电镀或许将来就是水平纳米电镀，或者将来又会出现其他电镀技术来取而代之，甚至有可能会出现其他工艺来取代孔金属化也能实现层与层之间导通。

致谢

本论文是在王金来主任和王跃峰老师的悉心指导下完成的，从相关文献资料的查找，直到论文撰写的这一整个过程，王主任都积极的帮我找资料不断帮助我完善论文，而王老师经验丰富学识渊博，而且一直耐心指导，使我能够顺利的完成论文写作，他的严谨和实事求是，是我领略到他的人格魅力。

故借此论文完成之际，对王主任和王老师表示深深的感谢。

与此同时，在这里我还要感谢学校对我的栽培，以及这次到企业实习的机会，使我在学习和实习期间能够掌握充足和扎实的专业知识去完成本论文的写作。

参考文献

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天津大学出版社,1991.

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