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摘要 PCB业界常用的深镀能力（TP）计算方法是孔壁6点的平均镀铜厚度与板两面孔口周围的平均镀铜厚度的比值。该方法通常适用于钻孔密度比较低的电路板，但是对于钻孔密度较高而且厚径比较高(AR>6:1)的电路板，这种计算方法不能反映电镀液的真实能力，生产中会出现密集孔内的镀铜厚度不满足客户要求的问题。本文结合电镀理论和生产实践验证，提出一种新的电路板密集孔的电镀能力评估方法，即CPD概念，计算方法是密集孔内的6点平均镀铜厚镀与板两面无孔区平均镀铜厚度的比值，该比值越大，表面药水对密集孔的电镀性能越好。该方法应用于生产，能更准确地制定电镀参数和评估电镀添加剂的性能。
关键词 深镀能力，密集孔电镀能力，电路板，电镀添加剂，CPD，CPI
1.引言
深镀能力（TP）是评价一种电镀液性能优劣程度的重要指标之一[1]，业界常用的计算方法是孔壁6点的平均镀铜厚度与板两面孔口周围的平均镀铜厚度的比值（图-1）。该方法通常适用于钻孔密度比较低（孔数<10个/每平方厘米）的电路板，但是对于钻孔密度较高（孔数≥10个/每平方厘米）而且厚径比较高(AR>6:1)的电路板，这种计算方法不能反映药水真实的电镀能力，生产中会出现以下两个问题：第一，生产时按照常规方法测定的TP值来设定电镀参数，往往会导致密集孔内的镀铜厚度不能满足客户要求；第二，为了使密集孔的铜厚满足客户要求，加大电流密度或延长电镀时间，导致板面镀铜偏厚而造成蚀刻困难，同时也浪费了电镀和蚀刻的物料成本。
本文结合电镀理论和长期的电镀生产实践，提出电路板密集孔电镀能力概念和计算方法，能更准确地评价电镀液的性能和制定电镀参数。
2.2理论电镀铜厚
铜的电化当量为1.1854，假设电流效率E为99%, 每平方厘米基板表面理论电镀铜厚（单面）计算如下：
THK1= 1.1854*A*T*E*100/(S*60*929*8.93) (um)
= A*T*E/42.1 (um)
= A*T/41.7 (um)
2.3密集孔铜厚计算公式
2.3.1 根据法拉第定律，1安培每小时（1AH）可电镀出1.1854克铜，由此可计算出每平方厘米电镀面积上的电镀铜重量(双面)：
W = A/ ft2 *T*E/60 *1.1854g*2*1 cm2
= 2.371ATE/(60*929) (g) (1 ft2=929 cm2)
假设密集孔的深镀能力为100%，即孔壁铜厚与表面镀铜厚度一致，则实际电镀面积上(包括密集孔区域的表面和所有孔壁)的电镀铜厚计算如下：
THK2 = W/(8.93g/ cm3*S)
= 2.371A*T*E*10^6/(S*60*929*8.93) (um)
= 2.3735A*T*E/[100+πrd(h-r)] (um)
从以上计算公式可以看出，密集孔内的镀铜厚度与孔径、钻孔密度、板厚与孔径的差值有关。当孔径不变的条件下，钻孔密度越大、板厚越大，密集孔内的铜厚度越薄。
2.3.2 密集孔内的理论铜厚
假设电流效率E=99%,深镀能力TP=100%, 忽略电镀均匀性的影响，以及忽略电镀添加剂对高、低电流密度区的作用。根据以上铜厚计算公式，可以计算出电镀参数12ASF*105min 条件下，表面镀铜厚度THK1 =A*T/41.7um = 30.2um，不同板厚和密度的孔内的平均镀铜厚度(THK2)如表-2。
图-2 1.6mmm板厚的密集孔镀铜厚度曲线图 图-3 2.4mmm板厚的密集孔镀铜厚度曲线图
由上图可以看出，同一板厚和孔径，钻孔密度越大，孔内镀铜厚度越薄；同一板厚和钻孔密度，孔径越大，孔内镀铜厚度越薄。例如1.6mm板厚，120孔每平方厘米的密集孔内的铜厚约为20孔每平方厘米的密集孔内铜厚的50%~60%；而孔径0.6mm的密集孔内铜厚约为同密度的0.3mm的密集孔内铜厚的80%~90%。
3.密集孔电镀能力与评估方法
3.1定义
表-1中密集孔的平均镀铜厚度是基于传统意义上的深镀能力TP=100%的条件下计算出的
理论值，如果将这些铜厚数值(THK2)与表面镀铜厚度(THK1=30.2um)相比，可以看出比值都要小于100%，而且孔密度越大，THK2与THK1的比值越小。例如，2.4mm板厚,0.3mm孔径，孔密度为20孔每平方厘米的孔内铜厚与表面铜厚的比值为81.8%；而孔密度为120孔每平方厘米的孔内铜厚与表面铜厚的比值仅为43.7%。
为了真实地反映密集孔的镀铜厚度（THK2）与表面镀铜厚度(THK1)的关系，我们将密集孔内的镀铜厚镀与表面镀铜厚度的比值定义为密集孔电镀能力(Capability of Plating in Dense hole,简称CPD),计算公式为 CPD =THK2/THK1 x 100%
同时，将独立孔(钻孔密度小于10个孔每平方厘米)内的镀铜厚度(THK3)与表面镀铜厚度的比值定义为独立孔电镀能力(Capability of Plating in Isolated hole,简称CPI),计算公式为 CPI = THK3/THK1 x 100%
为了区分CPD和CPI概念，我们将传统方法计算的密集孔和独立孔的深镀能力定义为TPD（Throwing Power in Dense hole）和TPI(Throwing Power in Isolated hole)，便于实际应用。
3.2评估方法
3.2.1表面镀铜厚度（THK1）
理论上，表面镀铜厚度可以由电镀参数计算出来，但是在不同的电镀设备和药水体系中，电流效率存在差别，因此，通过切片微蚀分层的方法可以准确的读出表面镀铜厚度。但是在实际操作中，要读出板面不同位置的铜厚，需要制作较大量的切片，费时费力；若使用调校合格的铜厚测量仪（如牛津CMI700，精度0.01um,误差 1oz±1um）,也可以较准确地直接测量出电镀前后板面相同区域的铜厚。以18”x24”的标准板为例，板的AB两面各均匀测量12点，共24点/块板，这24点电镀前（THK前）和电镀后（THK后）的平均铜厚的差值，即为表面电镀铜厚。计算公式如下：
THK前 = Avg(a1+a2+……+a12+b1+b2+……+b12)
THK后 = Avg(A1+A2+……+A12+B1+B2+……+B12)
THK1 =THK后–THK前
图-4 电镀前A面铜厚测量示意图 图-5 电镀后A面铜厚测量示意图
3.2.2 密集孔镀铜厚度（THK2）
电镀后，取图-5各测量区域附近的切片共12pcs,每切片包含10x10mm面积的密集孔矩阵，并标记切片位置（H1,H2 … H12）；切片经灌胶、固化，研磨出切片中部的1排孔至中心位置，抛光后，读取非相邻的两个孔的孔壁铜厚，与传统切片一样，每个孔读取6个点的铜厚数据，按切片位置编号记录数据，共24组；然后计算这24组数据的平均数，即为密集孔(平均)镀铜厚度。不同孔径的密集孔都按以上方法分别读取24组数据，并计算出不同孔径的密集孔(平均)镀铜厚度。
计算公式如下：
THK2 = Avg[Avg(H1a + H1b + H1c + H1d + H1e + H1f) +...+ Avg(H12a + H12b + H12c + H12d + H12e + H12f)]
例如：某PCB厂龙门电镀线搭配M品牌PPR药水，测试板厚2.4mm,最小孔径0.2mm,钻孔密度144孔每平方厘米(pitch=0.6mm), 电镀参数20ASF*70min，电镀后用CMI测量并计算出平均镀铜厚度THK1=32.38um, 密集孔切片数据记录如下：
表-3 密集孔切片数据记录
由表-3切片数据计算出独立孔平均镀铜厚度为27.44um, 独立孔表面平均镀铜为30.83um，因此，TP和CPI值计算如下：
传统的平均深镀能力TPI =孔壁平均铜厚/孔表面平均镀铜 = 27.44/30.83 = 89.01%
独立孔平均电镀能力CPI =孔壁平均铜厚/板两面平均镀铜 = 27.44/32.38 = 84.97%
4.密集孔电镀能力的应用
由表-2和表-3切片数据计算出的传统的密集孔平均深度能力TPD值高达99.8%，独立孔的平均深镀能力TPI值为89.01%，TPD值大于TPI值；密集孔的平均电镀能力CPD值为64.33%，而独立孔的电镀能力CPI值为84.97%，CPD值小于CPI值。TPD值与CPD值的差别达到35.47%，而TPI值与CPI值的差别仅为4.04%！由此，我们了解到TPD、TPI、 CPD和CPI四个电镀指标之间的关系，可以应用到实际生产时的电镀参数制定和电镀添加剂能力的评估。
4.1 制定电镀参数
生产时，如果工程师按照TP值来制定电镀参数，由于CPI值与TPI值差别较小，对于没有密集BGA孔或钻孔密度较小的PCB板，孔内铜厚一般都能满足客户规格要求；但是，对于有密集BGA孔或钻孔密度较大的PCB板，由于CPD值明显小于TPD值，则同样的参数可能造成独立孔的镀铜厚度不能满足客户规格。
如果应用电镀线的CPD值，结合PCB的钻孔密度,可以比较准确地估算出电镀参数，并且此参数可以确保不同密度和不同孔径的孔内电镀铜厚满足客户规格。
4.2 电镀添加剂能力的评估
酸性镀铜溶液中的添加剂主要有三种：加速剂、抑制剂和整平剂，它们的存在可以改善镀液的分散能力，改善镀层的物理性能，使镀层光亮、平整。但是由于分子结构和性质等方面的差异，又使得它们在电镀时的吸附状况和作用效果有很大不同。针对不同镀孔的要求，需要选择合适的添加剂。添加剂是解决密集孔电镀能力问题的关键因素之一。
加速剂（Additive）又称为光亮剂，通常是小分子量的含有硫或其它官能团的有机物，包括硫脲及其衍生物。它是电镀催化剂，它与Cl—协同作用可以降低Cu2+->Cu+->Cu转化的能量，它一方面置换被吸附的抑制剂，促进Cu的成核；另一方面优先吸附在某些活性较高的、生长速度较快的晶面上，使得吸附金属离子进入这些活性点有些困难，于是这些晶面的生长速度下降，这样就有可能使各个晶面的生长速度均匀，形成结构致密、定向排列整齐的晶体。
抑制剂（Carrier）又称为载体，通常是大分子量的聚氧-烷基化合物，它与Cl—协同作用可以抑制铜的电沉积，减小高、低电流密度区域的差异，使得铜可以均匀的沉积。另外，抑制剂也可以充当湿润剂，降低界面的表面张力，使镀液能更容易进入孔内，增加传质效果[2]。
整平剂是高强度的电镀抑制剂，与其它添加剂协同作用可以明显减小镀层晶粒尺寸，起到整平作用[3]。通常，整平剂是含氮的杂环或非杂环芳香族化合物，因其分子中含有易于极化的氮原子，所以极易吸附在带有负电荷的阴极表面，尤其是高电流密度区，从而减缓该处的电沉积，而不影响低电流密度区的电沉积，以此起到对板面镀层的整平作用。
添加剂能够改变电沉积动力学的过程[4]，改变电流密度，使得阴极表面的电镀过程趋于稳定和平衡。市场上不同PCB药水商的电镀添加剂配方有所不同，对电沉积动力学过程的影响程度也不同，即减小高、低电流密度区域镀层厚度差异的能力不同。因此，工程师在选择电镀添加剂，特别是应用在高AR比、有密集孔设计的PCB的电镀添加剂时，需要评估其对高、低电流密度区整平能力，应用密集孔电镀能力（CPD）的评估方法能够准确地评估出添加剂的这种性能。
例如：某PCB厂引进了一条竞铭的龙门式脉冲电镀线，在选择镀铜添加剂时，工程师对三支不同品牌的药水在设备条件和酸铜浓度基本一致的条件下进行对比测试。
测试条件和结果汇总如下：
表-4 脉冲电镀添加剂测试结果汇总表
有表-4测试数据可以看出3种添加剂总体的平均TP值和平均最小TP值的大小排序依次为 R品牌> M品牌> B品牌；但是对比3种添加剂的平均CPD值，发现大小排序与平均TP值排序不同，CPD值依次为M品牌>B品牌>R品牌，而且M品牌PPR-200系列添加剂的CPD值明显高于B品牌和R品牌添加剂。
因此，综合CPD值和TP值，工程师选择了M品牌PPR-200添加剂应用于脉冲电镀线。
5.结论
5.1根据电路板密集孔理论铜厚计算公式（即THK2= 2.3735A*T*E/[100+πrd(h-r)] )，
可以计算出不同板厚、不同孔径和不同钻孔密度的密集孔内的理论平均镀铜厚度。同一板厚和孔径，钻孔密度越大，孔内平均镀铜厚度越薄；同一板厚和钻孔密度，孔径越大，孔内平均镀铜厚度越薄。
5.2密集孔电镀能力指标（CPD）与传统的深镀能力(TP)指标相比，能更准确的反映密集孔内的平均镀铜厚度与板面平均镀铜厚度的关系。CPD值越高，表明电镀液的对密集孔的电镀能力越强。
5.3应用密集孔电镀能力指标（CPD）, 生产时可以根据板面钻孔的设计规格准确地制定出电镀参数；评估的电镀添加剂时，能准确地评估出添加剂的密集孔电镀性能，便于选择适合应用在高AR比、有密集孔设计的电路板的电镀添加剂。
6. 参考文献：
[1] 翟启音. 关于均镀能力与深镀能力的测定与计算. 电镀与精饰, 1984年第04期
[2] J.J.Kelly, A.C.West, Levelling of 200nm Features of Organic Additives.
Electrochem. Solid-State Lett., 1999.2(11):561~563
[3] D.Landolt. Current Voltage Characteristics and Impedance Analysis of the
Twentieth Century. J.Electrochem. Soc., 2002,149(3):9~20
[4] 窦维平，陈详豪. 填充微米级导孔与通孔用之新颖电镀铜配方研究. 第六届台湾电路板国际论坛论文集,2005,415~419
论文作者:付艺
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
标签：镀铜论文; 密集论文; 厚度论文; 密度论文; 能力论文; 添加剂论文; 平均论文; 《防护工程》2019年8期论文;