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水平电镀的原理简介及其发展优势

放大字体  缩小字体发布日期:2012-11-08  浏览次数:693
核心提示:因为此类型的设备在制造高密度多层板方面的运用,显示出很大的潜力,它不但能节省人力及作业时间而且生产的速度和效率比传统的垂直电镀线要高
 

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。

水平电镀原理简介

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。所在在水平电镀过程中,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现内部以机械搅拌和泵的搅拌、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。在电埸的作用下,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:u=zeoE/6πrη要。其中u为离子迁移速率、z为离子的电荷数、eo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、η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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/6πrη),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、η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一的扩散层。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。

水平电镀的发展优势

水平电镀技术的发展不是偶然的,而是高密度、高精度、多功能、高纵横比多层印制电路板产品特殊功能的需要是个必然的结果。它的优势就是要比现在所采用的垂直挂镀工艺方法更为先进,产品质量更为可靠,能实现规模化的大生产。它与垂直电镀工艺方法相比具有以下长处:

(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,无需留有装夹位置,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一性。

(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。

总结

水平电镀技术的出现,完全为了适应高纵横比通孔电镀的需要。但由于电镀过程的复杂性和特殊性,在设计与研制水平电镀系统仍然存在着若干技术性的问题。这有待于在实践过程中加以改进。尽管如此,但水平电镀系统的使用,对印制电路行业来说是很大的发展和进步。因为此类型的设备在制造高密度多层板方面的运用,显示出很大的潜力,它不但能节省人力及作业时间而且生产的速度和效率比传统的垂直电镀线要高。而且降低能量消耗、减少所需处理的废液废水废气,而且大大改善工艺环境和条件,提高电镀层的质量水准。水平电镀线适用于大规模产量24小时不间断作业,水平电镀线在调试的时候较垂直电镀线稍困难一些,一旦调试完毕是十分稳定的,同时在使用过程中要随时监控镀液的情况对镀液进行调整,确保长时间稳定工作。

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