多層電路板(PCB)的電鍍工藝

隨著表面黏裝技術的蓬勃發展,印刷電路板未來的趨勢必然走向細線、小孔、多層之高密度封裝型態.然而制造此種高層次電路板其鍍銅制程也將面臨一些技術瓶頸,例如: 如何使面板中央和邊緣得到均勻之鍍層,如何提高小孔孔壁之分布力、如何改善鍍層之物性如延展性、抗拉強度等都是未來值得努力之課題,本文主旨即是以基本的原理來說明制程困難所在及謀求因應之道,希望個人的淺見能對電路板從業人員有所助益.近年來隨著半導體及計算機工業的快速發展,印刷電路板的制作亦日益復雜,我們可由下列經驗公式作為判斷電路板困難程度之指針. 　　

電路板復雜程序指針=電路板層數*兩焊點間導線數目/二焊點間距(吋)*導線寬度(mil)?? (1)

舉例而言,一個16層板,其焊點間距為0.1吋,導線寬度為5mils,二焊點間有三條導線則其復雜程度指標為96,自80年代起表面裝技術的風行帶動電路板工業朝向高層次之多層板邁進,因而使復雜指標快速上升,從傳統電路板的20左右升高到目前的100或更高,在此種更新、產品演進的過程中,當然不免遇到的一些技術瓶頸,以鍍銅制程為例,筆者嘗試以巨觀、微觀及微結構等三方面來探討其基本原理并謀求因應策略. 　　

巨觀方面　　
指電路板之板面而言,通常一大板子板面大小約為24”*18”,若要使中央和邊緣鍍層厚度均勻實非易事,根據法拉第電解定律,鍍層的厚度與外加電流成正比,假設鍍層的密度為一定值,則鍍層厚度分布即為陰極電流之分布,影響電流分布的因素很多包括溶液中之電阻、電極之極化、鍍件之幾何形狀、陰陽極之距離、外加電流大小、質量傳迅速率等,我們將在以下各節分別討論影響,當電流在電極上之分布沒有產生極化或其它干擾因素的情況下稱為一次電流分布其完全取決于鍍槽之幾何形狀,當一定電壓加于兩電極上﹐鍍浴中每一點亦有一定之電壓存在,其大小介于兩電極電壓之間,因為金屬電極導電性很強,我們可以假設電極表面每一點之電壓均相等同理,在鍍浴中亦可找出某些具有相等電位之假想平面,一般說,來靠近電極之位置,等電位平面與電極形狀甚為類似但其形狀卻隨著與電極之距離逐漸增大而改變,圖一即說明等電位平面分布的狀況,在等位面分布較密集的地方電流密度較大,反之則較小.由電場理論得知,等電位之平面和其對應力的平面是互相垂直的,而電極本身屬于等電位平面,所以電流流進或流出電極某一點必與該點所在的平面互相垂直.圖二即說明等電位平面及電流流向分布之關系.如果等電位平面被一定整的導體取代或是等電位面所對應力之平面為一絕緣體所替代將不致影響其電場.反之,若是等位面被任何替代物所切,斷則整個電場將受到相等程度之干擾,電流分布亦將有所改變,以一為例,以A和BB當作電極和以A及C當作電極將會得到相同之電流分布,主要原因是BB平面恰好與等位面重合,因而不會影響電場,假設將圖一之A與C略加移動,使其偏離中心位置,則等位線之分布將和原來有很大的不同,因為電極位置的更動影響了電場使得電流分布亦產生了變化.　

a.改變一次電流分布的方法　　
由前述電場基本理論得知,一次電流分布完全取決于鍍槽之幾何形狀.亦即陰陽極之距離、大小、形狀都會影響其電流分布.對電路板板面而言,其邊緣部份等位面分布較密集,故鍍層較厚而中央部份較薄.若要改善此種現象必須強調設計的概念.例如增加陰陽極之距離、加大陽極之面積、使用絕緣之屏蔽物來改變等位平面、采用輔助陽極來改善低電流區域之電流分布,使用輔助陰極來分散高電流區域之電流等都是可行的方法. 　

b.二次電流分布　　
由于電極產生極化而改變了一次電流分布,此時,所得到之電流稱為二次電流分布,在此,首先必須將極化的觀念略加說明.簡單而言,極化是因為電極附近發生電化學反應而增加了溶液中之電阻.若要使期望的反應能順利產生,必須增加外加電壓.如此一來,將產生額外的熱及電力消耗.由于極化作用,電極電壓將與平稀電位有所差異,此二者之差值稱為過電壓在陰極附近,離子因參與電極反應,消耗太快來不及補充,此時造成之過電壓稱為濃度過電壓,若要使離子順利通過某種能量障礙而達到電極參加反應所須要之過電壓稱為活化過電壓,而總過電壓是濃度過電壓與活化過電壓之總和,是用來測量電極極化程度之指標.由于電流大小和陰陽極間之距離成反比,在電術術化作用下,相當于增加了陰陽極之距離.此距離雙稱為特征長度因為此種效應,二次電流或多或少將可減少一次電流不均勻的現象. 　　

c.極化參數　　
由前述電場基本理論了解到電流之分布力實際受下列兩種因素所左右,分別為溶液中之電阻及極化作用產生之電阻和ALKIRE曾經將極化參數P作了以下的定義. 　　

P=R/Rp =ａcFLj/RgTK (2) 　　

其中ａc是移轉系數,F是法拉第常數,L是陰陽極距離,j是平均電流密度, Rg是氣體常數,T是溫度,K是溶液中之導電度. 如果P<<1,代表極化作用遠超過電場效應,則電流傾向于二次電流分布,將十分均勻.如果P>>1,則電流傾向于一次電流分布,完全取決于鍍槽之幾何形狀,他們并以硫酸銅鍍浴作多層板鍍銅實驗,各參數基本數據為ａc=0.5, Ma-sec/g-ep,L=30.5cm, j=26.9Ma/cm2 , K=0.55(奧姆cm)-1,
RgT/F=25.6Mv/(23℃)結果P=29.13>>1代表電流傾向于一次電流分布,其均勻與否完全決定于鍍槽之設計,而溶液之導電度、極化反應之影響均不大,此外,光澤劑或添加劑對板面的巨觀電流分布力均沒有什么影響,若要得到均勻之電流分布可使用屏蔽物或輔助陰極. 　　

微蝕方面　　
這里是針對電路板之鍍通孔(PTH)而言,近五年來,表面黏裝組件的大量采用,使得電路板趨向細線、小孔、多層化的困難層次,因而在鉆孔、除膠渣、鍍銅等都面臨了前所未有之挑戰,舉例來說,一個0.3吋厚之多層板如果鉆上15mils的通孔,鍘縱橫比高達20:1,如此之小孔已經類似一根毛細管具有相當程度的表面張力,根據理論計算至少需要0.093psi之外加壓力方能使液體順利穿過此一細雙深之孔,傳統的吹氣攪拌方式已經無法滿足這種要求.因此鍍槽勢必要作特殊設計. 　　

a.三次電流分布　　
于通孔及其附近而言,影響電流分布的因素甚多包括鍍槽幾何形狀、鍍浴導電性、質量傳迅速率、銅離子之濃度等.電流受這許多因素錯綜復雜的影響其分布稱為三次電流分布,在此最值得一提的是小孔內質量傳迅的問題.晚們知道,在縱橫比甚高的小孔,內溶液穿過不易,再加上離子褵的速率遠比離子消耗來得慢,所以在靠近孔壁及遠離孔壁之區域間形成了擴散層.此擴散層將影響電鍍的速率,如果希望增加電鍍速率則必須提高外加電流,但電流增高將使鍍層品質逐漸惡化.當電流上升至某一程度時,鍍層呈粗糙、松散而無法接受,此時之電流稱為極限電流密度,以Jlim=nFDCb/∮ (3)

其中n是電子數目,F是法拉常數, Cb為擴散層厚度.一般而言,外加電流密度如果保持極限電流密度如果保持極限電漢密度25%以內,將可得到品質良好的鍍層,如果能設法提高極限電流密度則電鍍速率亦將提高.由(3)式可看出提高極限電流密度的方法包括增加銅離子濃度、提高擴散常數、降低擴散層厚度等.升高溫度亦有提高擴散常數之效果,而脈波電鍍技術的采用則對減少擴散層的厚度有相當的成效.基本上,脈波電鍍是一種借著不同波形的電流或電壓將金屬附著于底材的電鍍技術,用的波形大致可分為三類分別為方形波、正弦波及三角形波.此外,針對各種物殊需要亦可由三種基本波形演出不同形狀之波形,假若我們采用直流電作外加電流. 　　

b.特殊攪拌方式之使用　　
若要提高小孔內之電鍍速率,必須使產生電極反應的金屬離子迅速得到補充,通常有兩種方式,一是藉助擴散作用,一是藉助對流,前者是由不孔內之銅離子往孔壁濃度低的地方運動,后者則是由鍍液的快速流動使孔外的新鮮鍍液流入孔內而褵消耗的銅離子,當小孔內毛細現象十分顯著時,擴散層也具有一定的厚度使得擴散作有的進行受阻礙,如果孔內外對流良好,不但可降低擴散層之厚度亦可提高電鍍的速率,亦即可使用高電流之快速電鍍方式,至于采用何種攪拌方式以增強對流有以下兩種可行的方法

沖擊噴射法,是用幫浦將鍍液打時高壓噴管直接垂直噴向通孔中,其優點是增加孔內質量傳迅速率,但噴管的排列、孔徑、噴射方向等均要作特殊設計,因而增加了設備制作、管理的費用. 　

單向壓力差法,其原理是以電路板把鍍槽分成兩個區域,且要加以對緊.然后用幫浦使此二區域產生一壓力差,如此鍍液將別無選擇地被迫從小孔通過,此法的優點是免除高速噴嘴設計的麻煩但缺點是無法達到量產的目標. 　　

c.鍍槽設計的準則　　
鍍小孔由于牽涉的因素太多,使得鍍槽設計相當困難,不過kessler和alkire提出一些基本法則作為設計的依據值得吾人參考.他們首先定義兩個基本參數N和E,N代表平均電流參數,E代表電流分布力參數,以物理意義來說,

N=溶液中之電阻/質量傳迅所產生之電阻(4)

E=溶液中之電阻/極化作用產生之電阻 (5)??
　　
如果N值很大,代表電流趨向于一次電流分布,比較不均勻,如果N值很小,有示趨向于質量傳迅極限,亦即鍍層的品質惡化,當E<<1時,極化作用的影響大于溶液中電阻的作用使電流趨向二次電流分布,將十分均勻,如果E>>1電流分布均勻度變差,如將N和E同時考慮歸納出下列兩條準則: E<1將同時使面板及孔內得到均勻之電流分布;N>=64E可在孔內電流分布均勻性及鍍層品質此二關系間達成平衡. 　　

微結構方面
高層次的多層印刷電路板常被當作軍事用途,其可靠性也必須物別講究,需要通過美軍規范如漂錫或溫度循環的測試,因此鍍層的物性如延展性、抗拉強度往往可以決定測試的成敗,光澤和添加劑對改善鍍層物性扮演相當重要的角色,在此特將其基本反應機構略加說明. 　　

a.電鍍之基本反應機構　　
金屬離子鍍著于陰極底材上通常分兩個步驟進行,第一步是溶液中之金屬離子向陰極運動通過電雙層亦即電荷移轉反應,第二步是到達電極的離子互相結合或與原來的晶粒結,合此步驟稱為結晶,由于金屬離子在溶液中常被數個水分子所?形成錯離子,水分子必須慢慢除去方可使金屬離子和電子結,合因為底材表面之晶格平面形狀不一,曲型的幾種包括平面狀、彎曲狀、邊緣空隙及孔,狀所以錯離子去水的電荷移轉反應先由平面而階梯而彎曲狀,比其直接置入孔狀的位置中列能節省能量,至于結晶的形成. 　　

b.添加劑的作用　　
在電鍍時為使表面的粗糙度降低或嗇鍍層之延展性常需加入添加劑或光澤劑曾經提出表面平整之反應機構凸起的部分可以吸附較多的光澤劑,因此增加了電阻,由于電流始終都朝向電阻較低的部位,所以電流便順利流向鍍層凹陷的部份得粗糙降低.又因為光澤劑大多數于有機物,Bockris也提出一理論說明其吸附于電極表面之狀況.當電極本身帶過多的負電荷或正電荷時,水分子的電雙極將呈現下落或上揚的形態,亦即增加和電極間之吸附力,如此一來有機分子的吸附力降低,反之,若電極本身不帶電荷,水分子上揚與下落的趨勢互相抵消,吸附力減少因而增強了有機分子的吸附力,由此基本理論將可針對不同性質的鍍層研究其添加劑的地方. 　　

c.脈波電鍍對微結構的影響　　
脈波電鍍最顯著的功能是其以物性的方式來改變鍍層的微結構,根據許多數據顯示,在脈波電流下得到的鍍層延展性、附著力均比傳統直流電的方式來得大,且粗糙度降低,于于經由何種機構產生此種效應呢?至今仍不十分明了.
　
結論　　
本文就多層印刷電路板的鍍銅制程以巨觀、微觀及微結構三種觀點來分析其基本理論,所得結論歸納如下:

a.就電路板面板而言,其電流分布主要決定于鍍槽之幾何形狀,比如陰陽極的距離、排列、大小等,光澤劑或添加劑對電流分布的影響甚小.若要改變電流分布不均的現象可使有輔助裝置如屏蔽物或輔助陰極等. 　　

b.就電路板通孔而言電流分布及鍍層物性,主要受溶液之電阻、電極極化和質量傳迅等復雜因素影響.若要得到品質優良且分布均勻的鍍層、勢必要強調設計的觀念,比方說應用特殊的攪拌方式,采用脈波電鍍技術等. 　　

c.添加劑或光澤劑可改變鍍層的物性如延展性、抗拉強度等,但如用量過多亦可能造成有機物對鍍層品質的污染,此外也增加管理的不便.因此,以脈波電鍍來改善鍍層物性的方法是值得努力研究的. 我國目前電路板工業一片蓬勃,產量高居世界第三位,然而在制作高層次的電路板時仍有許多頸尚待突破.鍍銅制程方面未來的趨勢是采用特殊設計的鍍槽并在化學配上力求改進,以期提高技術水準再創光明遠景.