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JAN 2021 NO.1善镀层均匀性作努力。电镀铜过程遵循法拉第定律即电解时电极上发生化学反应的物质的量与通过电解池的电荷量成正比。电化学反应过程，金属沉积厚度由电镀时间和施加在受镀产品表面的电流密度决定。电镀铜过程的电流密度分布主要影响因素分为以下几个方面： 一级电流分布：电极没有极化和未受到其他因素干扰的情况下，由于阴极与阳极相对位置存在远近，其 所产生的高低电流分布称之为一次电流分布，它取决于镀槽的几何形状，即阴阳极的距离、排列、大小、形状等。
不溶性阳极VCP 镀铜提升PCB 制造工艺
文／ 深圳市贝加电子材料有限公司 李荣 黎坊贤 钟俊昌
印制电路板的基本功能是形成电气器件的电气信号导通，其核心要求是保证电子产品在各种应用环境中的电气信号导通的可靠性。PCB 层间互连及线路导通均依靠以铜为基底的金属层。双面及多层PCB 制造过程，孔金属化和电镀是形成层间导通的核心制程，目前其工艺流程主要是通过化学沉铜、导电碳材料或导电聚合物形成孔内基底导电层，然后通过电镀铜加厚，在镀铜添加剂配合作用下，形成具有良好导电性能和物理机械性能的镀铜层，从而形成可靠的孔内电信号导通。
PCB 产品在电镀过程形成的镀铜层的均匀性和一致性，对PCB 工艺的品质稳定性和产品可靠性具有重大影响，如何保证电镀铜过程镀层在PCB 工件不同位置的均匀性是整个行业技术发展和革新的重点研究方向。尤其是在当下PCB 越来越精细、高密度化的背景下，PCB 生产过程使用的设备及配套材料均围绕着改
【摘 要】随着ＰＣＢ精细线路设计要求的提高，ＰＣＢ制造过程对镀铜均匀性要求不断提高，ＶＣ
Ｐ设备使用阴极移动和高速射流的方法，采用固定阳极面积的不溶性阳极可获得更理想的一级和二级电流密度分布，同时专用镀铜添加剂改善三级电流密度分布，从而获得均匀的镀铜层。本文从电镀过程技术理论及实际生产应用过程，对不溶性阳极ＶＣＰ镀铜工艺的优势及其对ＰＣＢ制造工艺能力提升进行分析探讨。
【关键词】电镀铜工艺；不溶性阳极；ＶＣＰ设备；镀铜添加剂
第一作者简介：李荣，男，深圳市贝加电子材料有限公司董事长，从事PCB 产品研发和技术应用近30年。
０ 前言
Ａ．理想阴阳极排列图图１ 一级电流分布影响示意图
Ｂ．
实际阴阳极排列图
二级电流分布：当有电流通过电极时，电极的电势偏离平衡电势而发生变化，这种变化称为电极极化。由于电极产生极化，使局部实际电流分布与一次电流
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三级电流分布：镀铜添加剂在镀铜过程中主要作用于金属离子脱去络离子→金属原子→进入金属晶格的双向过程，具有改变极化电位、晶格细化、避免金属晶格缺陷等作用，其作用可称之为三级电流分布。镀铜添加剂包括多种组分共同作用，即光泽剂、平整剂、载运剂等。
光亮剂(Brightener)，又称晶粒细化剂，主要为含硫有机化合物，分子量较小，可加速镀铜过程晶核形成，提高局部电镀效率。
整平剂(Leveler)，分子量适中，在电场中具有改善极化电位作用，调整电镀过程沉积速率，提高微观均匀性。
载运剂(Carrier)，又称抑制剂，主要为有机高聚物，分子分布较宽，分子量大小不同可分布于不同位置，调整镀铜沉积效果。
综上技术分析，使用不溶性阳极垂直连续电镀(vertical continue plating,VCP)设备搭配专用镀铜添加剂是目前改善镀铜过程电流分布的良好途径和发展方向。VCP 设备使用阴极移动和高速射流的方法，采用固定阳极面积的不溶性阳极可获得更理想的一级和二级电流密度分布，同时专用镀铜添加剂改善三级电流密度分布，从而获得均匀的镀铜层。
１．１ 镀铜均匀性保证
在国内PCB 行业，镀铜工序的设备发展历经手动１不溶性阳极ＶＣＰ镀铜工艺对ＰＣＢ制造品质提升
Ａ．水平方向电流分布图示
图３ ＶＣＰ设备对电流分布改善图示
ｂ．
垂直方向电流分布图示图
２ 电镀过程扩散层示意图
分布的状态有所不同，这种改变后的电流分布状态称之为二次电流分布。二级电流分布效应出自电镀槽液的化学成分与浓度，特别是硫酸铜、硫酸及氯化物等浓度的变化。
龙门设备、自动龙门设备，再到可溶性阳极VCP 设备等阶段，推动设备革新的源动力均为PCB 行业要求的不断提高。当下，由于PCB 精密线路制作要求提高，类载板技术如改良型半加成法(modified Semi-Additive Process，mSAP)都逐步在PCB 制造工艺上得到应用，不溶性阳极VCP 镀铜可以更好保证镀层均匀性。
不溶性阳极VCP，阳极面积固定不变，水平方向阳极如图3(a)所示，利用VCP 设备阴极移动的方法，实现PCB 镀铜过程水平方向电流分布一致，均匀性很高；在垂直方向上，受到阴阳极高度差异的影响，需要阴阳极挡板分散电流，但不存在可溶性阳极磷铜球
消耗导致的阳极面积变化，更易于控制调整。
VCP 设备通过射流喷嘴设计和循环量增加(VCP 设备循环量为20~30T.O.，龙门电镀设备循环量在5~10T.O.)，提高槽液传质过程，减薄电镀扩散层，提高电流分布均匀性。
在实际管控中，以A 客户厂内1#可溶性VCP 设备和2#不溶性VCP 设备的表面镀层均匀性(coefficient of variation，CoV)测试对比数据为例。
1#可溶性VCP 设备镀铜极差和CoV 值在一个槽液使用周期内，CoV 值在3.94%~7.16%，镀层极差4.02~7.08μm，数据呈现波动变化，根据客户阳极清洗周期，新配槽及阳极清洗后，均匀性测试数据较为理想，长期运行后性能逐渐下降，每3~5个月做一次阳极清洗保养来维持镀层均匀性。
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JAN 2021 NO.12#不溶性VCP 设备镀铜极差和CoV 值在一个槽液使用周期内，CoV 值在2.98%~4.16%，镀层极差3.02~4.44μm，数据比较稳定，在整个槽液使用寿命周期无须大保养。
１．２ 孔内铜厚均匀性提升
可溶性阳极VCP 在长期运行过程中，随着阳极磷铜球的消耗及阳极泥的产生，导致阳极面积变化，甚至在长期作业及保养不规范时，易出现钛篮内铜球悬空和钛篮底部阳极泥堆积，从而引起镀铜效率下降及均匀性变化，降速或提高产线电流密度来保证PCB 制作的孔铜铜厚。
不溶性阳极VCP 长期运行过程阳极无面积变化，无副产物沉积，无须牺牲效率或成本来保证孔内铜厚。
图５ 不溶性ＶＣＰ设备镀铜极差和ＣｏＶ值图示
图７ 可溶性和不溶性ＶＣＰ镀铜最小孔铜变化图示
图８ 可溶性阳极ＶＣＰ与不溶性阳极ＶＣＰ铜颗粒报废统计
Ａ．可溶性阳极图示
图６ 可溶性和不溶性阳极图示
Ｂ．
不溶性阳极图示
仍以A 客户厂内1#可溶性VCP 设备和2#不溶性VCP 设备，定期监测孔铜厚度数据，使用板厚1.6mm，最小孔径0.2mm 的某长期订单生产板，正常化学沉铜后，按35ASF 电流密度，45分钟电流参数完成电镀，抽取样板监测最低孔铜厚度数据变化如下：
可溶性阳极VCP 随着阳极补充、阳极膜积累和产下保养维护，抽测最小孔铜存在较大波动(严重时局部孔铜厚度偏小20%以上)；不溶性阳极孔铜稳定性较好。
１．３ 线路制作良率提升
目前，在VCP 电镀制程业内使用电流密度均较高，常规使用电流密度范围在20~40ASF，槽液洁净度对镀铜品质影响显现，铜颗粒、铜渣问题是困扰PCB 行业多年的顽疾。使用不溶性阳极VCP 后，铜离子供应采用溶铜槽溶解氧化铜粉，然后根据电量自动添加方式，材料纯度高，无阳极泥产生，极大提高槽液洁净度，对于线路制作良率改善有较大帮助。
以A 客户厂内线路品质良率，统计对比1#可溶性阳极VCP 和2#不溶性阳极VCP 铜颗粒、铜渣报废数据，如下图8所示。
１．４生产管控便捷性提高
目前，常用PCB 镀铜不溶性阳极为MMOs 结构混合金属氧化物钛网(典型如：铱钽氧化物钛网)，其免更换保养周期一般可达2~3年，如果配合中性隔离技术，可得到5年以上使用寿命。在这期间镀液维护保养项目少，作业简便，人工需求少。不溶性阳极VCP 与可溶性阳极VCP 维护保养项目对比如表1所示。
图４ 可溶性ＶＣＰ设备镀铜极差和ＣｏＶ
值图示
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２．１ 阳极反应对添加剂影响
使用不溶性阳极VCP 槽液铜离子添加方式一般采用副槽溶解氧化铜粉，其电镀过程电极反应如下：
阳极反应：H 2O-2e -→2H ++1/2O 2↑阴极反应：Cu 2++2e -→Cu
阳极反应存在析氧反应过程，镀铜添加剂的有机组分容易被阳极析氧所氧化破坏(特别是含巯基或S-S 键的光泽剂成分)。虽然设备上通过阳极隔离膜对此问题有改善帮助，但不溶性阳极VCP 镀铜添加剂仍需对此进行特别的配方调整，对比可溶性阳极镀铜添加剂在配方组分或使用方法上做出特别调整。
２．２ 添加剂分析方法
不溶性阳极VCP 镀铜添加剂其组分作用与直流电镀过程一致，一样可以用循环伏安剥离分析技术(cyclic voltammetric stripping，CVS)进行分析，可实现数据定量分析管控。以贝加尔不溶性阳极VCP 镀铜添加剂Cu828分析方法为例：
2.2.1光亮剂Cu828C 分析方法
通常采用CVS 采用修正线性近似技术(modified linear approximation technique，MLAT)来分析。
2.2.2添加剂Cu828R 分析方法
通常采用稀释滴定[分析]法(dilution titration，DT)分析。
３．１镀铜层晶格形貌
不溶性阳极VCP 镀铜电流密度分布良好，搭配专用镀铜添加剂，容许电流密度管控范围宽，在图９ 镀铜光亮剂Ｃｕ８２８Ｃ ＣＶＳ分析图示
图１０ 镀铜添加剂Ｃｕ８２８Ｒ ＣＶＳ
分析图示
8~40ASF 电流密度范围内均可获得晶格良好镀层。表2为不溶性阳极VCP 镀铜晶格图示。
表2 不溶性阳极VCP 镀铜晶格图示
电流
密度１０ＡＳＦ
２０ＡＳＦ
３０ＡＳＦ
４０ＡＳＦ
金相显微１０００Ｘ晶格形貌ＳＥＭ下３０００Ｘ晶格
形貌
３．２镀铜层延展性
PCB 受热后的热膨胀系数在X 和Y 方向受玻纤布的钳制，CTE 不大，一般为11~15ppm/℃，主要关注的Z 方向。参考IPC-1401标准：α1Z-CTE：Tg 以下热膨胀系数，标准最高上限60ppm/℃； α2Z-CTE：Tg 以上热膨胀系数，标准最高上限300ppm/℃。而铜材的CTE 仅为16.7ppm/℃，所以PCB 可靠性针对镀铜层，核心关注的就是镀层的延展性，尤其是PCB 制作过程中才电镀加厚的孔内镀铜层。
参考IPC-TM-650 2.4.18.1，GB/T 15821-1995标准4.1，IPC-6012D 等标准，PCB 镀铜层抗拉强度应不低
２不溶性阳极ＶＣＰ镀铜添加剂
３ 不溶性阳极ＶＣＰ镀铜性能测试
表1 可溶性和不溶性阳极VCP 镀铜维护保养需求对比表
维护保养
项目可溶性阳极ＶＣＰ不溶性阳极ＶＣＰ备注
保养频率每次耗时人员需求保养频率每次耗时人员需求补加铜球每周一次
８－１０
小时２人——————电解拖缸
——————更换滤芯每周一次２小时１人每周一次２小时１人流量校正每周一次１小时１人每周一次１小时１人不影响生产碳芯过滤每月一次
６－８小时１人每月一次６－８小时１人电解拖缸
６小时
——２小时——阳极清洗３－５个月一次１个工作
日１０人——————电解拖缸——
——
——新配槽
每年一次２－３工作日
１０人
每年一次２工作日
２人
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JAN 2021 NO.1于248MPa[36000PSI]，伸长率不小于12%；航天及军用抗拉强度应不低于275MPa [
40000PSI]，伸长率不小于18%。在正常作业管控下，不溶性阳极VCP 镀铜层均能满足要求。表3为不溶性阳极VCP 镀铜延展性测试结果。图１２ 不溶性阳极ＶＣＰ镀铜热应力试验切片图
Ａ．高低温冷热循环测试条件
Ｂ．
高低温冷热循环测试结果
３．３镀铜层可靠性
行业内可靠性的测试方法很多，其测试都是针对PCB 或PCBA 的整体功能，而不是单一针对PCB 镀铜层，在PCB 镀铜层厚度、外观、微观晶格、延展性和均匀性等各方面指标均良好情况下，镀铜层是PCB 可靠性达标的必要非充分条件。本文参考IPC 标准常用的热应力测试和高低温冷热循环测试，检验不溶性阳极VCP 镀铜层可靠性。
3.3.1热应力测试检验
参考IPC-TM-650 2.6.8标准，设置无铅锡炉温度288±5℃，进行10+1/-0sec 热应力试验10次，切片检验镀层无断裂、无孔壁分离及内层连接异常等缺陷。
3.3.2高低温冷热循环测试检验
参考IPC-TM-650 2.6.6 A 级标准，设置温度-65℃到+125℃，进行1000个高低温冷热循环测试，电测及切片确认孔内无断裂、无孔壁分离及内层连接异常等缺陷。
阶段
温度（℃）时间（Ｍｉｎ．）
１１２５＋／－０３０２２５＋１０／－５１０￣１５３－６５＋０／－５３０４
２５＋１０／－５
１０￣１５
型号类型
测试条件结果１４Ｌ，１．６ｍｍ ＰＣＢ１０００ｃｙｃｌｅＰａｓｓ２８Ｌ，１．８ｍｍ ＰＣ
Ｂ１０００ｃｙｃｌｅＰａｓｓ３６Ｌ，２．０ｍｍ ＰＣＢ１０００ｃｙｃｌｅＰａｓｓ４
８Ｌ，３．０ｍｍ ＰＣＢ
１０００ｃｙｃｌｅ
Ｐａｓｓ
４结语
表4 可溶性和不溶性阳极VCP
镀铜维护保养需求对比表
Ａ．纵向延展性测试图 图１１ 不溶性阳极ＶＣＰ镀铜延展性测试图示
Ｂ．
横向延展性测试图
表3不溶性阳极VCP 镀铜延展性测试结果表
测试样品测试结果
抗拉强度（ＭＰａ）延伸率（％）
纵向１
３１６．１２４．７０２３１２．１２４．２７横向
３３１８．６２５．５８４
３１９．７２４．４０平均值
３１６．７２４．７４
本文从电镀铜过程的技术分析和实际使用经验总结，对不溶性阳极VCP 镀铜工艺对PCB 制造工艺品质提升的作用进行阐述。同时，对不溶性阳极VCP 镀铜添加剂分析管控和镀铜可靠性等方面做了展示。不溶性阳极VCP 镀铜工艺在品质提升和作业自动化、便捷性具有明显优势。同时具有无阳极泥沉积、阳极清洗等造成的铜球消耗，无须频繁拖缸保养，人力需求少等成本优势，本文由于篇幅原因，不做详细讨论。通过本文论述，期待能够为业内同行解决PCB 制作工艺困扰或瓶颈，提供更好的方案和思路。
参考文献
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