一、概述

　　完全為了適應(yīng)高縱橫比通孔電鍍的需要。但由于電鍍過程的復(fù)雜性和特殊性，水平電鍍技術(shù)的呈現(xiàn)。設(shè)計(jì)與研制水平電鍍系統(tǒng)仍然存在著若干技術(shù)性的問題。這有待于在實(shí)踐過程中加以改進(jìn)。盡管如此，但水平電鍍系統(tǒng)的使用，對(duì)印制電路行業(yè)來說是很大的發(fā)展和進(jìn)步。因?yàn)榇祟愋偷脑O(shè)備在制造高密度多層板方面的運(yùn)用，顯示出很大的潛力，不但能節(jié)省人力及作業(yè)時(shí)間而且生產(chǎn)的速度和效率比傳統(tǒng)的垂直電鍍線要高。而且降低能量消耗、減少所需處理的廢液廢水廢氣，而且大大改善工藝環(huán)境和條件，提高電鍍層的質(zhì)量水準(zhǔn)。水平電鍍線適用于大規(guī)模產(chǎn)量 24 小時(shí)不間斷作業(yè)，水平電鍍線在調(diào)試的時(shí)候較垂直電鍍線稍困難一些，一旦調(diào)試完畢是十分穩(wěn)定的同時(shí)在使用過程中要隨時(shí)監(jiān)控鍍液的情況對(duì)鍍液進(jìn)行調(diào)整，確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

　　PCB制造向多層化、積層化、功能化和集成化方向迅速的發(fā)展。促使印制電路設(shè)計(jì)大量采用微小孔、窄間距、細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行電路圖形的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展。使得PCB制造技術(shù)難度更高，特別是 多層板 通孔的縱橫比超過５：１及積層板中大量采用的較深的盲孔，使常規(guī)的垂直電鍍工藝不能滿足高質(zhì)量、高可靠性互連孔的技術(shù)要求。其主要原因需從電鍍?cè)黻P(guān)于電流分布狀態(tài)進(jìn)行分析，通過實(shí)際電鍍時(shí)發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)電流的分布呈現(xiàn)腰鼓形，出現(xiàn)孔內(nèi)電流分布由孔邊到孔中央逐漸降低，致使大量的銅沉積在外表與孔邊，無(wú)法確保孔中央需銅的部位銅層應(yīng)達(dá)到規(guī)范厚度，有時(shí)銅層極薄或無(wú)銅層，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成無(wú)可挽回的損失，導(dǎo)致大量的多層板報(bào)廢。為解決量產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量問題，目前都從電流及添加劑方面去解決深孔電鍍問題。高縱橫比PCB電鍍銅工藝中，大多都是優(yōu)質(zhì)的添加劑的輔助作用下，配合適度的空氣攪拌和陰極移動(dòng)，相對(duì)較低的電流密度條件下進(jìn)行的使孔內(nèi)的電極反應(yīng)控制區(qū)加大，電鍍添加劑的作用才干顯示進(jìn)去，再加上陰極移動(dòng)非常有利于鍍液的深鍍能力的提高，鍍件的極化度加大，鍍層電結(jié)晶過程中晶核的形成速度與晶粒長(zhǎng)大速度相互補(bǔ)償，從而獲得高韌性銅層。

　　這兩種工藝措施就顯得無(wú)力，然而當(dāng)通孔的縱橫比繼續(xù)增大或出現(xiàn)深盲孔的情況下。于是發(fā)生水平電鍍技術(shù)。垂直電鍍法技術(shù)發(fā)展的繼續(xù)，也就是垂直電鍍工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新穎電鍍技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵就是應(yīng)制造出相適應(yīng)的相互配套的水平電鍍系統(tǒng)，能使高分散能力的鍍液，改進(jìn)供電方式和其它輔助裝置的配合下，顯示出比垂直電鍍法更為優(yōu)異的功能作用。

　　二、水平電鍍?cè)砗?jiǎn)介

　　通電后發(fā)生電極反應(yīng)使電解液主成份產(chǎn)生電離，水平電鍍與垂直電鍍方法和原理是相同的都必須具有陰陽(yáng)兩極。使帶電的正離子向電極反應(yīng)區(qū)的負(fù)相移動(dòng)；帶電的負(fù)離子向電極反應(yīng)區(qū)的正相移動(dòng)，于是發(fā)生金屬堆積鍍層和放出氣體。因?yàn)榻饘僭陉帢O沉積的過程分為三步：即金屬的水化離子向陰極擴(kuò)散；第二步就是金屬水化離子在通過雙電層時(shí)，逐步脫水，并吸附在陰極的外表上；第三步就是吸附在陰極表面的金屬離子接受電子而進(jìn)入金屬晶格中。從實(shí)際觀察到作業(yè)槽的情況是固相的電極與液相電鍍液的界面之間的無(wú)法觀察到異相電子傳遞反應(yīng)。其結(jié)構(gòu)可用電鍍理論中的雙電層原理來說明，當(dāng)電極為陰極并處于極化狀態(tài)情況下，則被水分子包圍并帶有正電荷的陽(yáng)離子，因靜電作用力而有序的排列在陰極附近，最靠近陰極的陽(yáng)離子中心點(diǎn)所構(gòu)成的設(shè)相面而稱之亥姆霍茲（ Helmholtz 外層，該外層距電極的距離約約１－１０納米。但是由于亥姆霍茲外層的陽(yáng)離子所帶正電荷的總電量，其正電荷量不足以中和陰極上的負(fù)電荷。而離陰極較遠(yuǎn)的鍍液受到對(duì)流的影響，其溶液層的陽(yáng)離子濃度要比陰離子濃度高一些。此層由于靜電力作用比亥姆霍茲外層要小，又要受到熱運(yùn)動(dòng)的影響，陽(yáng)離子排列并不像亥姆霍茲外層緊密而又整齊，此層稱之謂擴(kuò)散層。擴(kuò)散層的厚度與鍍液的流動(dòng)速率成反比。也就是鍍液的流動(dòng)速率越快，擴(kuò)散層就越薄，反則厚，一般擴(kuò)散層的厚度約５－５０微米。離陰極就更遠(yuǎn)，對(duì)流所到達(dá)的鍍液層稱之謂主體鍍液。因?yàn)槿芤旱陌l(fā)生的對(duì)流作用會(huì)影響到鍍液濃度的均勻性。擴(kuò)散層中的銅離子靠鍍液靠擴(kuò)散及離子的遷移方式輸送到亥姆霍茲外層。而主體鍍液中的銅離子卻靠對(duì)流作用及離子遷移將其輸送到陰極表面。所在水平電鍍過程中，鍍液中的銅離子是靠三種方式進(jìn)行輸送到陰極的附近形成雙電層。

　　以及溫差引起的電鍍液的流動(dòng)。越靠近固體電極的外表的地方，鍍液的對(duì)流的發(fā)生是采用外部現(xiàn)內(nèi)部以機(jī)械攪拌和泵的攪拌、電極本身的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方式。由于其磨擦阻力的影響至使電鍍液的流動(dòng)變得越來越緩慢，此時(shí)的固體電極表面的對(duì)流速率為零。從電極表面到對(duì)流鍍液間所形成的速率梯度層稱之謂流動(dòng)界面層。該流動(dòng)界面層的厚度約為擴(kuò)散層厚度的十倍，故擴(kuò)散層內(nèi)離子的輸送幾乎不受對(duì)流作用的影響。

　　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/ ６π r η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?yàn)樗想x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，電埸的作用下。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。

　　電鍍時(shí)，根據(jù)電沉積理論。位于陰極上的PCB為非理想的極化電極，吸附在陰極的外表上的銅離子獲得電子而被還原成銅原子，而使靠近陰極的銅離子濃度降低。因此，陰極附近會(huì)形成銅離子濃度梯度。銅離子濃度比主體鍍液的濃度低的這一層鍍液即為鍍液的擴(kuò)散層。而主體鍍液中的銅離子濃度較高，會(huì)向陰極附近銅離子濃度較低的地方，進(jìn)行擴(kuò)散，不時(shí)地補(bǔ)充陰極區(qū)域。PCB類似一個(gè)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：

　　其電流稱為極限擴(kuò)散電流 ii 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 ）Ｃ b 為主體鍍液中銅離子濃度、Ｃ o 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?yàn)殂~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)。

　　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)，從上式可看出。極限擴(kuò)散電流就越大。

　　要達(dá)到較高的極限電流值，根據(jù)上述公式得知。就必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧簿褪遣捎眉訙氐墓に嚪椒āＲ驗(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 / ｄｍ 2

　　就是如何確保基板兩面及導(dǎo)通孔內(nèi)壁銅層厚度的均勻性。要得到鍍層厚度的均一性， PCB 電鍍的關(guān)鍵。就必須確保印制板的兩面及通孔內(nèi)的鍍液流速要快而又要一致，以獲得薄而均一的擴(kuò)散層。要達(dá)到薄均一的擴(kuò)散層，就目前水平電鍍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，盡管該系統(tǒng)內(nèi)安裝了許多噴咀，能將鍍液快速垂直的噴向印制板，以加速鍍液在通孔內(nèi)的流動(dòng)速度，致使鍍液的流動(dòng)速率很快，基板的上下面及通孔內(nèi)形成渦流，使擴(kuò)散層降低而又較均一。但是通常當(dāng)鍍液突然流入狹窄的通孔內(nèi)時(shí)，通孔的入口處鍍液還會(huì)有反向回流的現(xiàn)象發(fā)生，再加上一次電流分布的影響，演經(jīng)常造成入口處孔部位電鍍時(shí)，由于尖端效應(yīng)導(dǎo)致銅層厚度過厚，通孔內(nèi)壁構(gòu)成狗骨頭形狀的銅鍍層。根據(jù)鍍液在通孔內(nèi)流動(dòng)的狀態(tài)即渦流及回流的大小，導(dǎo)電鍍通孔質(zhì)量的狀態(tài)分析，只能通過工藝試驗(yàn)法來確定控制參數(shù)達(dá)到PCB電鍍厚度的均一性。因?yàn)闇u流及回流的大小至今還是無(wú)法通過理論計(jì)算的方法獲知，所以只有采用實(shí)測(cè)的工藝方法。從實(shí)測(cè)的結(jié)果得知，要控制通孔電鍍銅層厚度的均勻性，就必需根據(jù)PCB通孔的縱橫比來調(diào)整可控的工藝參數(shù)，甚至還要選擇高分散能力的電鍍銅溶液，再添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┘案倪M(jìn)供電方式即采用反向脈沖電流進(jìn)行電鍍才給獲得具有高分布能力的銅鍍層。

　　不但要采用水平電鍍系統(tǒng)進(jìn)行電鍍，特別是積層板微盲孔數(shù)量增加。還要采用超聲波震動(dòng)來促進(jìn)微盲孔內(nèi)鍍液的更換及流通，再改進(jìn)供電方式利用反脈沖電流及實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)來調(diào)正可控參數(shù)，就能獲得滿意的效果。

　　三、水平電鍍系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　將PCB放置的方式由垂直式變成平行鍍液液面的電鍍方式。這時(shí)的PCB為陰極，根據(jù)水平電鍍的特點(diǎn)。而電流的供應(yīng)方式有的水平電鍍系統(tǒng)采用導(dǎo)電夾子和導(dǎo)電滾輪兩種。從操作系統(tǒng)方便來談，采用滾輪導(dǎo)電的供應(yīng)方式較為普遍。水平電鍍系統(tǒng)中的導(dǎo)電滾輪除作為陰極外，還具有傳送PCB的功能。每個(gè)導(dǎo)電滾輪都安裝著彈簧裝置，其目的能適應(yīng)不同厚度的PCB（０．１０－５．００ｍｍ）電鍍的需要。但在電鍍時(shí)就會(huì)出現(xiàn)與鍍液接觸的部位都可能被鍍上銅層，久面久之該系統(tǒng)就無(wú)法運(yùn)行。因此，目前的所制造的水平電鍍系統(tǒng)，大多將陰極設(shè)計(jì)成可切換成陽(yáng)極，再利用一組輔助陰極，便可將被鍍互滾輪上的銅電解溶解掉。為維修或更換方面起見，新的電鍍?cè)O(shè)計(jì)也考慮到容易損耗的部位便于撤除或更換。陽(yáng)極是采用數(shù)組可調(diào)整大小的不溶性鈦籃，分別放置在PCB的上下位置，內(nèi)裝有直徑為２５ｍｍ圓球狀、含磷量為０．００４－０．００６％可溶性的銅、陰極與陽(yáng)極之間的距離為４０ｍｍ。

　　使鍍液在封閉的鍍槽內(nèi)前后、上下交替迅速的流動(dòng)，鍍液的流動(dòng)是采用泵及噴咀組成的系統(tǒng)。并能確保鍍液流動(dòng)的均一性。鍍液為垂直噴向PCB，PCB面形成沖壁噴射渦流。其最終目的達(dá)到PCB兩面及通孔的鍍液快速流動(dòng)形成渦流。另外槽內(nèi)裝有過濾系統(tǒng)，其中所采用的過濾網(wǎng)為網(wǎng)眼為１．２微米，以過濾去電鍍過程中所產(chǎn)生的顆粒狀的雜質(zhì)，確保鍍液的干凈無(wú)污染。

　　還要考慮到操作方便和工藝參數(shù)的自動(dòng)控制。因?yàn)樵趯?shí)際電鍍時(shí)，制造水平電鍍系統(tǒng)時(shí)。隨著PCB尺寸的大小、通孔孔徑的尺寸的大小及所要求的銅厚度的不同、傳送速度、PCB間的距離、泵馬力的大小、噴咀的方向及電流密度的高低等工藝參數(shù)的設(shè)定，都需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和調(diào)整及控制，才干獲得合乎技術(shù)要求的銅層厚度。就必采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。為提高生產(chǎn)效率及高檔次產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，將PCB的通孔前后處理（包括鍍覆孔）依照工藝順序，構(gòu)成完整的水平電鍍系統(tǒng)，才是滿足新品開發(fā)、上市的需要。

　　四、水平電鍍的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

　　產(chǎn)品質(zhì)量更為可靠，水平電鍍技術(shù)的發(fā)展不是偶然的而是高密度、高精度、多功能、高縱橫比多層PCB產(chǎn)品特殊功能的需要是個(gè)必然的結(jié)果。優(yōu)勢(shì)就是要比現(xiàn)在所采用的垂直掛鍍工藝方法更為先進(jìn)。能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的大生產(chǎn)。與垂直電鍍工藝方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　無(wú)需進(jìn)行手工裝掛，１）適應(yīng)尺寸范圍較寬。實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化作業(yè)，對(duì)提高和確保作業(yè)過程對(duì)基板表面無(wú)損害，對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的大生產(chǎn)極為有利。

　　無(wú)需留有裝夾位置，２）工藝審查中。增加實(shí)用面積，大大節(jié)約原材料的損耗。

　　使基板在相同的條件下，３）水平電鍍采用全程計(jì)算機(jī)控制。確保每塊PCB的外表與孔的鍍層的均一性。

　　電鍍槽從清理、電鍍液的添加和更換，４）從管理角度看。可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，不會(huì)因?yàn)槿藶榈腻e(cuò)誤造成管理上的失控問題。

　　由于水平電鍍采用多段水平清洗，５）從實(shí)際生產(chǎn)中可測(cè)所知。大大節(jié)約清洗水的用量及減少污水處理的壓力。

　　減少對(duì)作業(yè)空間的污染和熱量的蒸發(fā)對(duì)工藝環(huán)境的直接影響，６）由于該系統(tǒng)采用封閉式作業(yè)。大大改善作業(yè)環(huán)境。特別是烘板時(shí)由于減少熱量的損耗，節(jié)約了能量的無(wú)謂消耗及大大提高生產(chǎn)效率。