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不同电镀面积计算方法探讨

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-14  浏览次数:862

苏培涛 李国有

(汕头超声印制板公司,广东汕头515041)

摘要:电镀铜流程是印制板制造过程中非常重要的一步,孔壁镀铜厚度是影响板件可靠性的重要因素之一,PCB制造厂家和客户都十分重视孔铜的控制。在电镀生产过程中,电流密度和电镀面积是决定孔铜厚度的两个关键参数,通过这两个参数,可以利用法拉第定律来理论计算电镀铜层的厚度。但在实际运用过程中,对于全板电镀使用拼板面积(板件尺寸长×宽)做为电镀面积,而对于图形电镀使用外层线路图形面积(拼板面积减去干膜覆盖面积)做为电镀面积,往往出现实际孔铜厚度与理论计算相差甚远,这是因为没有考虑到板件上孔对电镀面积的影响。板件厚度和孔数量对实际电镀面积影响很大,本文讨论了三种电镀面积的计算方法,确定了最合适的电镀面积计算方法,并在实际生产过程中进行验证。

关键词:全板电镀;图形电镀;电镀面积;计算方法

中图分类号:TN41文献标识码:A文章编号:1009-0096(2011)5-0023-03

在PCB电镀时,一般需要输入电流密度和电镀面积,在整流机的作用下达到客户对板件镀铜厚度(板面铜厚和孔壁铜厚)的要求。一般情况下,全板电镀时电镀面积直接用板件的长乘于宽得到,即拼板面积,图形电镀时电镀面积用拼板面积减去干膜覆盖面积得到[1]。因为板件上面有孔,这种电镀面积的计算方式显然是不合理的,用孔两端圆面积代替了孔内圆柱体的侧面面积,没有涉及板件的厚度、孔径大小和孔数量对电镀面积的影响[2]。很多时候造成理论计算和实际结果差别很大,需要经验估算或多次的试镀调整才能满足要求,不利于电镀生产的控制。另外,采用此方式得到的电镀面积与实际电镀面积不符合,导致实际电流密度与理论上的电流密度产生误差,可能超出了电镀有机添加剂要求的电流密度控制范围,容易影响电镀结晶和板件镀层的物理性能。

1·电镀面积计算方法讨论

下图以一个孔作为例子进行讨论:钻孔孔径为d,板件厚度为h。

1.1电镀面积的计算方法

(1)第一种以钻孔孔径的表面面积来代替孔壁内侧的面积,称为非展开孔面积,孔每面的计算公式为:

(2)第二种每面都完整的加上孔壁内侧面积,每面的计算公式为:S2=πdh

(3)第三种将孔壁内侧面积平均分配(即内侧面积的一半)到两面,称为展开孔电镀面积,每面的计算公式为:S3=πdh/2从三种计算方法进行比较:在板件上,S1不是实际存在的面积,实际需电镀面积是孔壁内侧的面积,S1所代表面积与实际电镀面积不符合。根据板厚、孔径和孔数不同,产生的误差不等,一般情况下比实际电镀面积小;S2将孔壁内侧的面积完整的利用两次,这种“重复利用”使S2比实际电镀面积大;相比之下,S3是比较合理的计算方法,孔壁内侧面积平均分配到两面,没有“重复利用”,同时使用了实际的电镀面积,称为展开孔电镀面积。

1.2非展开孔面积与展开孔面积理论比较

因S1/S3=d/2h

当S1/S3<1时,d<2h,当钻孔孔径小于板厚的2倍时,S1<S3,即非展开孔面积小于展开孔面积。

当S1/S3≥1时,d≥2h,钻孔孔径大于或等于板厚的2倍时,S1≥S3,即非展开孔面积大于或等于展开孔面积。

以实际生产板件看,孔径小于板厚的孔远比大于板厚的多,S1<S3的情况占绝大多数,S1≥S3几乎不存在,所以展开孔电镀面积一般比非展开孔电镀面积大。

1.3非展开孔面积与展开孔面积实际计算结果比较

从这些编号非展开孔和展开孔面积进行比较,可以得出如下规律:

(1)展开孔电镀面积比非展开孔电镀面积大,这是因为板件上孔径小于1/2板厚的孔数量远远比大于1/2板厚的孔数量多;

(2)展开孔电镀面积增加比例与板厚有关,板件越厚增加比例越大;

(3)展开孔电镀面积与板件金属化孔数量有关,孔数越多,增加比例越大;

(4)图形电镀增加比例远大于全板电镀,这是由于图形电镀板面面积需扣除干膜覆盖面积,因孔壁铜厚主要是在图形电镀完成,所以图形电镀使用展开孔电镀面积更有必要。

2·实际应用情况

展开孔电镀面积实际应用到生产线,通过理论计算,检测首板的孔铜厚度,取约半年的数据,以一周为一次统计单位,并取非展开孔电镀面积半年电镀首板孔铜厚度测试的数据,绘制成图表,统计出二种计算方法首板合格率变化趋势。展开孔电镀面积首板总数524单,平均合格率98.28%,非展开孔电镀面积首板总数328单,平均合格率95.16%,展开孔电镀面积比非展开孔电镀面积电镀首板合格率提高了3.12%。

从生产线实际跟进的情况看出,使用展开孔电镀面积,理论计算与实际镀层厚度更加符合,减少了使用非展开孔电镀面积时对经验的依赖,首板一次试镀合格率有明显提升。

3·存在问题讨论

与非展开孔电镀面积相比,使用展开孔电镀面积因数据增大,孔壁铜厚随输入的电流密度数据变化更加敏感,例如某一板件特点:板厚3.5 mm,最小孔径0.35 mm,金属化孔数33929个,外层最小线宽/间距0.1 mm/0.1 mm(4 mil/4 mil),图形电镀元件面非展开孔电镀面积8.07 dm2,展开孔电镀面积14.34 m2,根据法拉第定律,以该板件电镀,如果输入电流密度变化0.1 A/dm2,使用不同的电镀面积,电镀时间140 min,每拼板理论增加铜的质量分别是:非展开孔电镀面积:

m1=0.1ASD×M×n×S1/ZF=0.1×63.5×8.07×140×60/2×96500=2.23g

展开孔电镀面积:

m2=0.1ASD×M×n×S3/ZF=0.1×63.5×14.34×140×60/2×96500=3.96g

展开孔电镀面积比非展开孔电镀面积增加比例=(3.96-2.23)/2.23=77.58%,也就是说,输入电流密度数据增加0.1 A/dm2,铜厚增加量明显不同,展开孔电镀面积比非展开孔电镀面积厚度增加77.58%。对于此类板件较厚,孔数量较多,线宽间距较小的板件,输入电流密度的微小改变,有可能导致镀层过厚引起夹膜等问题的出现,所以有必要提高电流密度输入数据的精度(一般需要精确至0.01 A/dm2),特别是由使用非展开孔电镀面积转换为展开孔电镀面积时,传统的做法和观念需要改变。

4·结论

传统的孔口圆的面积代替孔壁内侧面积作为电镀面积使用,因板件特点不同,存在与实际电镀面积不符,理论计算和实际应用偏离较大,不利于电镀孔铜的精确控制;使用孔壁内侧面积向孔两端平均分配的展开孔电镀面积,理论计算和实际生产更加接近,有利于电镀孔壁厚度的控制,对于线宽间距小、板件较厚且金属化孔数量较多的板件,通过提高输入电流密度的精度来进行控制,首板的试镀合格率明显提高,有效提升孔壁铜厚的品质保证性,减少存在如夹膜、孔铜不足、孔径超差等问题,同时也可以避免质量过剩导致的成本浪费。

参考文献

[1]王忠民。印制电路板铜箔面积菲林扫描计算法[J].电子工艺技术,2000(21):242-243.

[2]林丽。电镀面积计算法[J].印制电路信息,2000(4):22-24.

作者简介

苏培涛,高级工程师,湿制程主任兼环保主任,曾在国内外发表技术论文多篇。

李国有,硕士,工艺工程师,现从事湿制程工艺控制工作。

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