【本刊独家】博敏电子：基于电镀均匀性改善的一些创新与改进

摘要针对电镀过程中电镀槽、阳极遮板、喷管、挡电边条、阴极浮架等影响电镀均匀性的硬件部分，对其合理布局和设计等...





摘要

针对电镀过程中电镀槽、阳极遮板、喷管、挡电边条、阴极浮架等影响电镀均匀性的硬件部分，对其合理布局和设计等提出了具体要求，为提升电镀均匀性提出改善依据及思路。

前言

自20世纪60年代后期起，电镀行业在第三次产业革命的推动下得到了长足的进步，给包括印制电路板行业在内的各行各业带来了技术的突飞猛进和飞速发展。到目前为止，人们对电镀技术的应用已日趋成熟，并促进电镀工艺不断向低能耗、低物耗、低污染、高质量、高效率方向迅速发展。电镀均匀性一直是伴随电镀技术的发展而发展的，不同的应用领域对电镀均匀性有不同的要求，电镀均匀性的提升已成为电镀技术的“永恒主题”。电镀技术在印制电路板行业的应用也有好几十年的历史了，随着电子技术的飞速发展，对印制电路板的电镀要求将会越来越高。印制板行业的电镀设备不断创新和改进，由最早的手动电镀设备，逐步发展到垂直龙门电镀线、垂直连续电镀线、脉冲电镀线、水平电镀线等，其整体均匀性水平也得到了极大的提升。但是以上这些电镀设备，不是说已经做到尽善尽美、无可挑剔了，仍然是有一定的改进空间，尤其是涉及到一些硬件部分的构造、布局和设计等，如电镀槽体、阳极遮板、阳极钛篮设计，电镀喷管、喷嘴的构造，以及挡电边条、阴极浮架的正确使用等。这些都将直接影响到电镀均匀性，性能优异的电镀线必然会有合理的设计与布局，传统的电镀线只要在以上提到的硬件部分做好设计与布局的规划，也可以满足各类中高难度电路板的电镀制作要求。设计的创新与改进


1.1  电镀槽

电镀槽的设计十分讲究，槽体的尺寸（包括长度、宽度和深度）要根据所电镀产品的类型来确定，阴阳极距离、钛篮位置及排放数量等需要核算和测试才能确定。喷射和打气都可以实现药水的交换，但有其各自特点，也需要精确计算喷管、喷嘴、打气孔的方向、数量、距离等，随心所欲的设计肯定是无法达到理想的效果。基于对产品追求电镀的侧重点不同，也会对以上设计会有所不同，如侧重深镀能力的提升与侧重均匀性的提升是需要对其进行差异化设计的。生产75μm/75μm等级线路需要控制最大面铜厚度和铜厚极差，电镀均匀性是一个重要的追求指标，如采用传统垂直电镀线制作，则必须对其阳极钛篮的长短、形状、数量、排放位置和排列，喷管的数量、喷嘴的形状、数量、排列及流量大小，以及阳极遮板、阴极浮架的高度、形状等进行周密的计算[1]。如除了有精细线路（文中此处指50μm~100μm的线路）外，还有盲孔需要进行镀铜填充，则除了上述控制外，还需要考虑到摇摆、震动整流器和自动添加等周边装置，大致要求如表1。



垂直连续电镀线（VCP：Vertical Continuous Plating）是电镀均匀性相对较好的电镀线，其设计理念就是在传统龙门式垂直电镀线的基础上更新而来。镀铜槽为一个整体，VCP镀铜槽即相当于龙门式电镀线的一个铜缸，PCB板子在缸内通过电机带动链条传送连续运行。

一般VCP镀铜槽的长度在30 m左右，如采用1~2台整流器来进行电流输出，则需要设计电流、电压和功率很大的整流器，很难实现产业化操作。从操作便利性、成本控制及电镀均匀性等各方面综合考量，设计出一种分段打电流的电镀槽，将原有整段的阴极和阳极替换成间隔排列的阳极杆段和阴极杆段，并且各对应的阳极杆和阴极杆分别由独立的整流器控制。与现有的使用整体打电流的方式相比，该电镀槽具有更多的灵活度，可极大地方便实际操作，也有利于成本控制和生产效率的提升。分段打电流不需要上过多的陪镀板，也有利于品质的控制，能达到精确控制正常受镀板子的电流，将输出偏差大、不准确的因素转移到陪镀板上。最重要的是正常受镀板子的均匀性得到保障，满足小批量、尾数板的电镀制作（图1）。


1.2  阳极遮板

在电镀过程中“边缘效应”是无法完全消除的，只有通过增加阳极遮板、挡电边条等方式将多余的电力线阻挡一部分，使受镀板子的上电流分布尽量均匀。现有的常规阳极幕布或固定挡板均是固定的，不能进行随意调节阳极幕布四周的固定挡板，灵活性较差，最终会因设备折旧、老化或阳极配置的变化而导致电镀均匀性逐渐变差。

阳极遮板如何设计比较合理？其核心理念是能有效地阻挡住受镀区域四周边缘的电力线，并且还要能够灵活的进行调整。因为电镀槽使用一段时间后，阳极铜的消耗、钛篮的老化、阳极袋的破损等均会引起电镀均匀性发生变化，而这一变化是会引起整个电力线的分布发生变化。因此，可在常规阳极遮板的两面各设计2块PP材质的挡板（一面设计在上下两边，另一面则设计在左右两边），各面的挡板通过设计一定数量的槽孔，挡板可通过螺丝穿过槽孔而平行移动，同时拧紧螺丝即可固定挡板，在一定范围内可自由调节伸入幕布内的面积大小，达到部分阻挡电场线而改善电镀均匀性的目的（图2）。这种阳极遮板的最大好处就是可以随意调整挡电区域的大小，对改善电镀均匀性是十分有利的。受镀区域无论是哪一边出现镀层偏厚，均可以通过调节所对应边的pp挡板来进行“干涉”，如现测试到整个受镀区域的底部偏厚，则可先取出阳极遮板，将阳极遮板的下方的挡板螺丝松开，然后再将挡板向上方拉出一些，上调的距离根据测试情况来定，然后拧紧挡板上的固定螺丝即可。又如现测试到整个受镀区域的左边偏厚，同样先须取出阳极遮板，将阳极遮板的左方的挡板螺丝松开，然后再将挡板向右方拉出一些，右调的距离根据测试情况来定，然后拧紧挡板上的固定螺丝即可。


1.3  挡电边条

同样是由于电镀“边缘效应”问题，在受镀板件的两边需要挂挡电边条或陪镀板，以此来防止受镀板的板边出现镀层偏厚现象。一般PCB厂均是采用双面覆铜板进行裁剪来制作挡电边条，其厚度一般要求大于1.0 mm，而长度则需根据线路板的长度来加工成不同规格要求的尺寸。这种常规的挡电边条不但使用量很大，且其长度规格较多，使用次数有限、成本浪费较大、也不利于环保。这种常规挡电边条的厚度也会受到一定的限制，如厚度过薄易出现弯折，而厚度过厚又会出现易脱落等问题。

尺寸或厚度不合适的覆铜板制作的挡电边条是起不到改善电镀均匀性的目的。挡电边条必须要起到两个作用，一是支撑作用，二是“分流”作用（将多的电流电力线抢占过去），因此挡电边条也叫“抢电边条”。笔者有一个设计理念，即设计一种可以根据板子的长度来任意调整挡电边条的长度、可重复使用、且利于环保的可伸缩挡电边条（图3）。这种挡电边条挡电效果好、经久耐用，其具备可伸缩功能，可实现不同尺寸板子的无需更换挡电边条的目的，适合在常规龙门式垂直电镀线使用。将其做进一步改进，使其宽度加宽，也可以用作VCP电镀的陪镀板，无论从节约成本方面考量，还是从镀铜品质方面来权衡，均是值得推广其应用范围的。


1.4  喷管和喷嘴

目前越来越多的电镀线倾向于使用喷管、喷嘴设计药液的交换方式。喷管与喷管的距离要根据摇摆摆幅、喷嘴喷射出的角度等计算得到，如同侧喷管与喷管的距离设计为85 mm，是因为考虑到摇摆的摆幅为±10 cm，这样就可以保证喷射有一定的重合性，设计大于100 mm就会存在一定的“真空”区域，无法保证线路板上所有盲孔都能有药水喷进孔内。喷嘴与喷嘴的距离也不是说越小越好，距离越小就意味着喷嘴越多，而喷嘴越多就必然会影响到每个喷嘴的流量，流量过小也是没法满足盲孔孔内药水交换的需求。喷管与喷嘴在槽体内的布局、设计较合理的方式，如图4所示。喷管上喷嘴与喷嘴的距离、角度也有具体要求的，一般来说是需要“错位排列”的，主要考虑的是喷射药液要有一定的重合度，喷射到板面或孔内的药水尽量均匀。喷管在使用过程中会因浮槽或电路板偏向、弯曲等而极易出现喷嘴撞坏或变形而引起喷嘴脱落的问题，最终导致药水交换不好而影响生产电路板镀铜的质量。因此，还需要在设计时考虑到掉喷嘴问题，且对喷嘴的喷射效果要不受影响。喷嘴一旦掉落，其电镀均匀性是完全无法保证的。在喷管的两侧采用略高于喷嘴的挡片，是喷管与挡片连为一体，即可达到有效保护喷嘴的目的。如图5所示。喷嘴的形状和设计也是十分重要的，少数喷嘴的设计会沿用水平线的设计要求（扇形），而扇形喷嘴喷出来的效果是“一条线”的，且该种喷嘴易出现堵塞，很难保证喷射效果的均匀性。只有实心锥形的喷嘴喷出来的效果才是“一个面”，可以保证较好的喷射效果。喷嘴除设计为实心锥形外，还需要在喷嘴的两侧打两个相对的孔，这个两个孔可以加速药水的流动，使周边的药水可以迅速补给到喷嘴内，这里也有物理学的相关原理。


1.5  阴极浮架

印制板在进行电镀时，会使用到一种电镀浮架。电路板在插入浮架进入电镀槽时，会对浮架内侧区域产生一定的切削力，尤其质量大、板边锋利的电路板对浮架损伤较大，从而导致浮架损坏、板子插偏等问题出现，影响电镀均匀性和电镀良率。电镀浮架同样也有两个作用，一是引导板子进入镀槽，使其不发生偏移；二是阻挡板子底部过多的电流电力线，保证电镀均匀性。因此，对电镀浮架的设计同样要引起重视，而且需要根据实际槽体的具体情况来进行设计。浮架内部的结构设计要考虑到板子进入时是否会碰到、卡到侧壁，其宽度不能太宽也不能太窄。两侧板上是需要打一定数量的圆形孔的，使其不致于完全将底部的电力线全部挡住，如全部挡住底部则必然会出现底部镀铜偏薄问题。对打孔的形状、数量、距离等也要有一定的限定，相邻两排孔还要是错开的（图6）。除了对浮槽的打孔排数进行了要求外，对打孔的孔径也要做相应的技术界定，使其符合设计要求。在这里还容易出现了一个新问题，就是阳极浮架的两端固定点易出现损坏和偏移现象，这直接关系到这一飞巴板子整体均匀性，极有可能出现很大的铜厚差异，造成严重的镀铜不均问题。因此，必须将阴极浮槽两端加装导向滑槽，使其能顺利的下滑至缸体的底部，而不会出现偏移中间位置。小结通过对电镀中的电镀槽、阳极遮板、挡电边条、阴极浮架、喷管和喷嘴的构造提出了具体设计要求，为满足或改善电镀均匀性提供了参考依据。以上设计理念是源于物化、机械等科学理论基础，积累实际应用经验而提出来的，可在应用、实践中作进一步检验，并使之逐渐完善。

印制板电镀工艺是一项复杂、多样化、综合性的制作工艺，未来的印制板必然会给电镀工艺提出更多、更新的要求，给传统电镀带来极大的挑战。惟有不断创新、改进现有电镀设备，运用综合理论知识，积累丰富实践经验，才能解决电镀过程中出现的各种异常，迎接未来电镀工艺中更大的挑战。

陈世金：博敏电子股份有限公司

来源：《印制电路信息》3月刊

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