高厚径比微小孔镀层均匀性改善研究

严庭峰

摘要：当前印制电路板的一个重要发展方向是轻薄、短小、密度高，这就必然对设备以及生产工艺有很高的要求。其中，线路板图形之间的距离逐渐缩小，对于孔铜的厚度也有了更高的要求，这就需要改善电镀贯孔率，保证其均匀性。本论文着重于研究高厚径比微小孔镀层均匀性改善。

关键词：高厚径比微小孔；设备改造；镀层；均匀性；改善

引言

现在很多企业的生产中会对成品孔径有更高的要求，即不能超过0.20毫米，这种高厚径比作业，就会更加严格要求电镀溶液的分散能力以及深镀能力。如果这两方面的能力比较差，很有可能出现镀层空洞的问题或者偏薄^[1] 。从质量角度而言，在进行生产的时候，由于镀层不具有很好的均匀性，或者局部点镀层比较薄，在孔直径为0.90毫米的时候，孔厚度介于40微米至50微米之间，如果孔直径为0.20 毫米，孔厚度可能不足20微米。加工角度而言，在对产品进行加工的过程中，如果整板细密线路的线宽间距最小值不足100 微米，板边细密线路很有可能产生夹膜的问题，需要使用手工刷方式进行蚀刻，就难以保证线条的精度。所以，做好电镀均匀性以及贯孔率的分析工作是非常必要的，据此实施设备改造。

一、对电镀质量造成影响的因素

（一）贯孔率的影响因素

在对电镀过程进行分析的过程中应用电镀原理，从孔内电流分布情况来看，从孔的周围直到孔中央呈现出降低的趋势，在基材的表面以及孔周围会沉积大量的铜，使得孔中央与孔周围的厚度不能保持一致，也就是说，贯孔率不能达到100%。从通孔电镀情况来看，孔中镀液的体积用公式V=πr²T计算，孔中电镀面积用公式S=2πrT计算，在孔中作用的单位面积上镀液体积是1/2。当出现这种现象的时候，孔中金属铜离子产生迁移的速率不能超过沉积速率，孔中的电流就会处于低效率状态，所以，板的厚度小，小孔的贯孔率与大孔相比较会很小，在高厚径比微小孔产品上能够体现出来。

（二）均匀性的影响因素

在镀件上，阴极上还原产物即为镀层的重量，镀层体积是电镀面积与镀层厚度的乘积^[2] 。通常而言，电镀电流密度的分布情况决定了阴极析出量，此时需要重点考虑电流的流向，其决定于溶液阻抗的电压，此时的电流分布即为一次电流分布。

阴极以及溶液的表面也会有电压降产生，处于电流比较集中的位置，会产生很大的阻抗，当电流处于分散方向时候可以发挥一定的作用。反之，当电流分散的位置有一次电流分布的时候，会减少电压，此时电流很有可能吸引到其他的方向，如此产生的结果是，比一次电流分布得更加均匀，此为二次电流分布。所以，对于分布情况要予以改善，就要对电流予以控制，屏蔽板发挥重要的作用，改善工作从一次电流实施。此外，电镀液对于电镀厚度偏差也能够有效改善，此为电镀的均匀性。当电流从集中位置向低电流位置流动的时候，镀层的分布情况就会改善。

二、试验方案

在本次试验的过程中应用50点测试法。为了确保产品的生产以及试验都具有可操作性，所选择的测试板规格是460毫米×360毫米，厚度是2.0毫米，钻孔的直径是0.2毫米，厚度和直径的比例是10:1。在进行试验的过程中，重点考虑电镀之前的挤水处理方式和电镀设备的振动处理方式，溶液组分也是需要重点考虑的因素^[3] 。在平均性试验中，当贯孔率为最佳的时候，进行均匀性试验设计，对于影响均匀性的一次电流分布情况充分考虑。

试验的流程：根据电镀之后的测试结果将改造方案确定下来，改造设备之后加以验证。

试验的过程中，在板上对角线所在位置取点进行测试，制作金相模块，对孔内电镀铜的厚度以及表层电镀铜的厚度进行测试。对所有的孔都要进行微阻测试，经过测试所获得的数据即为微阻值。

在改造之前的测试中，明确数据采集量不足，进行微阻测试的时候所提供的结果还不足1/3，其他的测试均为空洞。经过挤水以及振动电机的频率增加之后，采集量良好，微小孔空洞的问题得以解决。

通过分析贯孔率就可以对挤水以及振动的情况做出判定。通过分析电镀缸体设备，发现电力线在测试板上的分布比较密集，出现了上不电镀比较厚的现象。在电镀槽的底部由于过度遮蔽，就会出现部分位置的电力线稀疏，铜的厚度比较薄^[4] 。

三、改造成果

（一）实施改造之后的贯孔率

微小孔镀层经过改造之后，厚径比从原有的5:1转变为12:1，从而可以明确，经过改造之后，微小孔的孔壁质量明显提高，厚径比达到10:1的微小孔贯孔率介于79%至81%之间，与生产要求相符合。

（二）实施改造之后的COV改善情况

对电镀线进行改造，具体的改造效果见表1的电镀线改造之前与改造之后的对比数据。（表1：电镀线改造之前与改造之后的对比数据）

表1：电镀线改造之前与改造之后的对比数据

	最小值（微米）	最大值（微米）	极差（微米）	平均值（微米）	标准偏差	COV（%）
电镀线改造之前	7.07	28.59	20.52	14.06	4.17	30.28
电镀线改造之后	12.42	19.95	7.52	15.48	1.43	9.21

通过对表1中的数据解读，可以电镀线改造之后，镀层均匀分布。当电镀条件不变的情况下，电镀的平均厚度没有发生很大的改变，电镀线经过改造之后，包括标准偏差、极差以及COV都有了明显改善，可见改造的预期效果良好^[5] 。

（三）实施改造之后的废品率情况

通过解读图1的内容可以明确，在2011年所加工的产品中，微小孔作业的时候，通常厚径比都会超过5:1，产出的废品量非常多，技术人员对此高度重视。经过半年的研究和试验，提出更换振动的方法以及挤水方法，应用一段时间之后，空洞的现象得以改善，改善的效果明显，此后，产出废品面积逐渐减小，已经控制在3平方米以内。（图1：设备改造之后的空洞废品面积）

图1：设备改造之后的空洞废品面积

结束语：

通过上面的研究可以明确，高厚径比微小孔要提高合格率，就需要采取有效措施解决贯孔率问题和均匀性问题。对于贯孔率问题，主要采用的方法是将电镀前挤水增加，还要使用大功率振动电机，确保微小孔贯孔率明显提高，降低废品的产生率。对于均匀性问题的解决，主要采用设备改造的方法，避免浮架、阳极挡板等因素的影响。当这些问题解决之后，提高了电镀线整体贯孔率和均匀性，从而满足制作高厚径比微小孔产品的要求。

参考文献：

[1] 唐伟东. 基于电化学放电效应的微小孔加工技术[D]. 上海交通大学硕士学位论文， 2019.

[2] 石亚平， 张明天. 不锈钢大深径比微小孔加工工艺研究[J]. 轻工科技， 2019(10):2-3.

[3] 刘小勇， 王海， 甄宏伟，等. 难加工材料大深径比微小孔高效加工技术研究[J]. 航天制造技术， 2020，000(1):38-41.

[4] 钱志强， 尹青峰. 提高纯钨微小孔电火花加工深径比的方法[J]. 机械设计与制造， 2020， 48(02):128-130，135.

[5] 张加俏， 张守阳. 电解加工微小孔误差分析及特征检测研究[J]. 机电工程， 2019， 036(1):32-35.