直接電鍍工藝綜合闡述
(一)法拉第定律
第一定律──在鍍液進(jìn)行電鍍時(shí)(電解)陰極上所“附積”的金屬重量(或陽極所溶蝕者)與所通過的電量成正比。
第二定律──在不同鍍液中以相同的電量進(jìn)行電鍍時(shí),其各自附積出來的重量與其化學(xué)當(dāng)量成正比。
上述第一定律中的“電量”,即為電流強(qiáng)度與時(shí)間的乘積,理論單位是庫倫,實(shí)肜電位為安培.分或安培/小時(shí).以硫酸銅中的二價(jià)銅離子為例,其第一個(gè)庫倫的電量在100%的陰極效率下可以鍍出0.3294mg的純銅,每1安培小時(shí)可鍍出1.186g的純銅.電量越多鍍出越多.第二定律是對不同鍍液的比較而言,上述的鍍銅量是指硫酸銅的二價(jià)銅離子而言,若鍍液換成**液的一價(jià)銅離子之時(shí),則同樣1個(gè)安培小時(shí)的電量可以鍍出純銅2.372g,只因1價(jià)銅的化當(dāng)量為63.57/1,2價(jià)銅的化學(xué)當(dāng)量是63.57/2,故前者的附積量在同電量時(shí)是后者的兩倍。
(二) 陰極膜
電鍍進(jìn)行時(shí)愈接近陰極被鍍物表面時(shí)其金屬離子濃度愈低,現(xiàn)以其濃度下降1%處起直到被鍍物表面為止的一薄層液膜稱之為“陰極膜”.薄層中由于金屬離子漸少且發(fā)生氫氣以致電阻增加導(dǎo)電不良阻礙金屬之順利登陸.且此膜也因鍍體之外形起伏而有原薄不同,外形凸起峰處膜層較薄故遠(yuǎn)方之高濃度離子容易補(bǔ)充使該處優(yōu)先被鍍上,即所謂之高電流密度區(qū),反之低凹谷處自然不容易鍍上.現(xiàn)將各局部區(qū)域之電流強(qiáng)度以公式討論之:
Ilim=nFADCb/∮
Ilim──局部區(qū)域電流之大小
n───電子數(shù)
F───法拉第常數(shù)(鍍出1g金屬所需之電量)
A───該處面積大小
D───金屬離子之?dāng)U散系數(shù)
Cb──大量鍍液之平均濃度
∮──陰極膜厚度
由上式可知降低陰極膜的厚度有助于鍍層之均勻.故電鍍需作各種攪拌如吹氣、鍍流動、陰極的擺動等其目的都在降低陰極膜的厚度,在接近被鍍物表面處得以增多金屬離子的供應(yīng)量.
(三) 鍍液的電陰
總電陰=外路及接點(diǎn)+生液體+陰極膜.
電路板在進(jìn)行量產(chǎn)時(shí)待鍍的面積都很大,故需要的直流電流也極高而常達(dá)數(shù)千安培,為求良好的鍍層其電壓多控制在5伏之下.但按A=V/R之公式看來,其總電阻必須極小才能滿足此奧姆定律,故應(yīng)保持外路及接點(diǎn)低外路及接點(diǎn),加熱鍍液以降低生液體,攪拌鍍液以降低陰極膜.否則電壓太高了會造成水彼電,解會產(chǎn)生多量的氣壓,大大影響鍍層的質(zhì)量。
(四) 當(dāng)金屬浸于其鹽類之溶液中時(shí),其表面即發(fā)生金溶成離子或離子登陸成為金屬之置換可逆反應(yīng),直到某一電位下達(dá)到平衡.若在常溫常壓下以電解稀西安液時(shí)白金陰極表面之氫氣光做為任意零值,將各種金屬與此“零值極”.連通做對比時(shí),可找各種金屬對氫標(biāo)準(zhǔn)電極之電位來.再將金屬及其離子間之氧化或還原電位對NHE比較排列而成“電化學(xué)次序”或電動次序.以還原觀點(diǎn)而言,比氫活潑的金屬冠以負(fù)值使其排列在氫的上位,如鋅為-0.762,表示鋅很容易氧化成離子,不容易登陸成金屬,理論上至少要外加0.762V以上才能將之鍍出. 比氫高貴者冠以正值,排在氫的下位,愈在下位者愈容易還原鍍出來,也就是說其金屬能在自然情況下較安定,反之在上位者則容易生銹了。
(五) 氫超電壓
電鍍時(shí)氫離子會泳向陰極而形成氫氣逸出,此種氫離子在水溶液中的行徑與金屬相同,故比氫活潑的金屬在電鍍時(shí),理論上是氫先出來后才輪到金屬的登陸,但事實(shí)上卻是金屬比氫出來的多,此種阻止氫出來的額外電墳稱之為“氫超電壓”. 氫氣出現(xiàn)在鍍件表面上未立即趕走時(shí),會阻止后來金屬在該點(diǎn)的登陸,進(jìn)而造成鍍層的凹點(diǎn)故設(shè)法提高鍍液的氫超電壓及降低鍍液表面張力并攪拌以趕走氫氣泡都是電鍍所常追求的技術(shù)。
(六) 極化
金屬電極在其鹽類水溶液中可以形成一各可逆的平衡,對外界而言并無正負(fù)之分極現(xiàn)象.但若另外施加一電壓分出正負(fù)極進(jìn)行電解時(shí),此外加電壓稱為Overvoltane,overpotential,或極化,卻克服各種障礙使金屬得以順利登陸,必須超過各種極化,如活化極化、濃度極化、電阻極化、及氣體極化時(shí),其總值即為電鍍進(jìn)行所需之最低電壓.為使鍍層完美起見常加入各種助劑,以改變阻極表面的局部現(xiàn)象,使鍍層更為均勻.
(七) 質(zhì)量輸送
帶正電荷的金屬離子團(tuán)要不斷的泳向陰極,以補(bǔ)充其不斷的消耗.此種離子團(tuán)的移動是以三種方式進(jìn)行,即遷移,對流及擴(kuò)散現(xiàn)分述于后:
(1)遷移──在1mole硫酸銅溶液中以1v/cm電位梯度在25℃下進(jìn)行電鍍,Cu的絕對遷移率是5.9*10-4cm/sec.當(dāng)陰陽極相距10cm在3V下操作時(shí),陽極溶出的銅離子要93分鐘才向陰極走1cm遠(yuǎn),要15小時(shí)才能達(dá)到陰極表面.故知電鍍的成果,遷移所占的功勞實(shí)在不大,只能將陰極附近的金屬離子推向陸地而已.
(2)對流──鍍液必須做快速的流動,使后方高濃度的金屬離子能盡快的補(bǔ)充陰極膜中的消耗,故對流才是質(zhì)量輸送的主力.以吹氣、過濾流動、攪動、及加熱等方式使鍍液快速的交換是電鍍最重要的工程.
(3)擴(kuò)散──陰極膜厚約0.2m/m,在快速攪拌流速達(dá)25cm/sec時(shí)可壓薄至0.1m/m,大大加快了由高濃度向低濃度自然擴(kuò)散的緩慢效果.但金屬離子團(tuán)是如何拋棄掉各種配位的其他東西而獨(dú)自穿過最后的電雙層而自身或帶有少部份配體登陸的,其原理至今未明.由上可知,對PCB的鍍銅而言,最有效完成質(zhì)量輸送的方式就是鍍液的快速攪拌,尤以對PTH而言,孔中鍍液的快流通才能有效的建立孔壁規(guī)范的厚度,而不至發(fā)生狗骨現(xiàn)象.因PCB板面面積很大,要鍍液經(jīng)攪拌流過孔中或板子擺動使流過孔中都很不容易做到,較有可能的辦法是以強(qiáng)烽的液柱在鍍液中噴向孔去,當(dāng)然大部份還是打在板面上或互相干擾而無效,可改成部份抽回或在板子的背面抽回較有希望.總而言之如何使鍍液能快速的流過每一孔中是孔銅壁成長的主要開鍵。
(八) 添加助劑
除了基本配方法,電鍍的是否能實(shí)用化全在添加劑,尤其對于小孔深孔等高難度的板子,助劑更是非常重要.一般助劑約可分為光澤劑Brightener,整平劑,載運(yùn)劑,細(xì)晶劑,潤濕劑.此等助劑之理論基礎(chǔ)尚不成熟,多半是來自不斷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,故幾乎全為商業(yè)化的范圍,其參考來源多為各種專利,但已發(fā)表者幾乎都已過時(shí)而不再是第一流的產(chǎn)品了,現(xiàn)役上市者多在階段.由各數(shù)據(jù)看來硫酸銅鍍液之微布力非常好能將待鍍面上種細(xì)小的刮痕及凹陷先預(yù)以填平,再鍍?nèi)?但對PTH的孔壁而言,要想發(fā)揮這微分布的優(yōu)點(diǎn),則必須要使高濃度的鍍液能夠不斷的流進(jìn)去,降低陰極膜的厚度,才是施展其長處的首要條件。
二.小孔或深孔鍍銅的討論
電路板的裝配日趨緊密,其好處不外減少最后產(chǎn)品的體積及增加信息處理的容量及速度.尤其自VLSI大量開發(fā)后,IC在板子上的裝配已由早期的通孔插裝,漸改進(jìn)至表面黏裝之SMT了.對板子而言細(xì)線及小孔是必然要面對的問題.而就小孔而言,受沖擊最大的就是現(xiàn)有的鍍銅技術(shù),要在孔的長寬比很高時(shí),既要得到1mil厚的孔壁,又不可發(fā)生狗骨現(xiàn)象,面且鍍層的各種物性雙要通過現(xiàn)有的各種規(guī)范,其中種種需待突破的困難實(shí)在不少.各國的業(yè)界現(xiàn)正從基本配方、添加劑、設(shè)備等多方面努力,至今尚少重大的突破.現(xiàn)將小孔的難鍍以下列事實(shí)討論之.實(shí)體部份遠(yuǎn)大于孔徑部份,比種強(qiáng)力的水流幾乎都浪費(fèi)在板面的阻礙上了.解決辦法之一就是使液中的銅濃度增加,或可減少通過的次數(shù),但這也是一條行不通的死巷,因2oz/gal的銅量幾乎是板面與孔壁的鍍層均勻頒比率的上限,再提高時(shí)狗骨會變嚴(yán)重,已不是添加劑所能幫忙的了.解決辦法之二是改進(jìn)化學(xué)銅鍍層的物性使能達(dá)到規(guī)范的要求,目前日立公司的TAFⅡ制程,已進(jìn)行數(shù)年的研究。
現(xiàn)階佒對硫酸銅鍍液所能做的事約有:
(1)選擇高純度的物定助劑,如特殊的整平劑使在高電流處抑制鍍層增加,使低電流處仍能有正常登陸,并嚴(yán)格分析、小心添加、仔細(xì)處理以保持鍍液的最佳效果.
(2)改變鍍的設(shè)計(jì),加大陰陽間的距離,減少高低電流密度之間的差異.
(3)降低電流密度至15ASF以下,改善整流器出來直流的紋波量至2%以下.若不行時(shí)將電流密度再降低到5ASF,以時(shí)間換取質(zhì)量.
(4)增強(qiáng)鍍液進(jìn)出孔中的次數(shù)﹐或稱順孔攪拌﹐此點(diǎn)最為重要﹐也最不容易解決﹐加強(qiáng)過濾循環(huán)每小時(shí)至少2次,蔌嗇超音波攪拌.
(5)不要增加銅的濃度但要增大硫酸與銅的濃度比值,至少要在10/1以上.
(6)助劑添加則應(yīng)減少光澤劑用量,增加載體用量,并用安培小時(shí)計(jì)管理添加,定時(shí)用CVS分析助劑之裂解情形.
(7)試用脈波電流法試鍍,以減少面銅與孔銅之間的差異,并增加銅層的延展性,并能以不加添加劑的方式使鍍層得以整平。
脈波方式的電流,是一種非常值得研究的路徑,先期的成果也非常值得研究的路徑,先期的成果也非常令人興奮,只可惜市場上許多添加劑供貨商并不熱衷,為保既得利益不大支持研究.因一旦可從電流供應(yīng)的方式使鍍層得以改善,則銷售已久的添加劑可能乏人問津,或需另起爐灶,皆非所顧也.總而言之,PCB的小孔及深孔鍍銅待突破的地方還多得很,實(shí)非一蹴可及的.理論上每次進(jìn)入孔中的鍍液其之銅量都全部留在孔壁上時(shí)所需要的次數(shù)為300次.何況在實(shí)際電鍍銅所遭到的電流密度效率、陰極膜等等煩惱,實(shí)際上可能連20%的銅都未鍍出.若再遇到長寬比.125/.012或10/1的板子時(shí),其所需的理論換液次要高達(dá)380次,以20%的登陸成果而言,至少也要有2000回合以上的Turnover才行.然而其困難尚不僅此而已,孔徑變小后,孔壁面積的減少遠(yuǎn)不如流速的劇烈減低.以8mil孔與25mil孔比較,其面積只減少33%,但流速卻劇降至1.25%,更增加了更換2000次的困難。
即使上述可行,還要克服鍍液的內(nèi)聚力、與孔壁的阻力、分子引力、及陰極膜的障礙,故強(qiáng)力的水流是絕對需要的。
