针对电镀主题，我们采访了I-Connect007专栏作家Mike Carano，他在RBP Chemical和OM Group拥有多年表面涂层经验。Mike介绍电镀设备和化学药水的最新创新、驱动因素以及电镀领域存在的挑战和机遇。
正如Mike指出的那样，尽管技术进步日新月异，但工艺工程师仍然需要对法拉第定律和欧姆定律有深刻的理解，才能成功地电镀PCB。
Andy Shaughnessy：Mike，电镀领域有什么最新发展？你在工艺、设备等方面看到了哪些创新和挑战？
Mike Carano：如果回到30年前，那时没有现在的电极。我喜欢称之为电沉积，那时我们连接电极，并且运行电流通过槽。在过去的10~15年，发展变化不大，但PCB技术中，导通孔越来越小且板越来越厚。当导通孔变得更小、层数越多时，通过导通孔的欧姆电阻增大。
根据欧姆定律(V=IR)，向电镀槽施加电压。厚径比为10∶1的PCB和厚径比为20∶1的PCB，哪个更难电镀？答案很明显，20∶1厚径比的PCB更难电镀，因为通过导通孔的阻力会显著增加。从技术的角度来看，必须进行一些调整，行业已经在槽设计、电镀架设计、工艺控制和新添加剂配方等方面进行调整，以提高均镀力和整体电镀分布。
当有人说“为什么就不能这样做？”时总是很有趣。因为违反了法拉第定律。能做的事只有这么多，你不能违背宇宙的某些定律，而法拉第定律就是其一。必须控制电流、电压，以及所有化学药水带入孔中的因素。
这很重要。实施周期性反向脉冲电镀，除了使用反向电流和正向电流，还使用方波和湍流波进行调整。这对电镀有通孔的超厚PCB和提高可靠性有很大帮助。
最后，PCB行业从半导体行业借用了一项技术：窄沟槽中镀铜。有时，所谓新技术并不新，只是被掩盖了。他们称之为镶嵌电镀；实际上是电镀铜填充沟槽。与PCB的盲孔相比，这些沟槽非常微小，根据我的经验，PCB行业和供应商已经能够通过化学、搅拌和其他调整，电镀铜来填充盲孔，这就是所谓的自下而上填充，而不必在顶部过度电镀。这项技术有助于制造HDI和超HDI，并使其得到真正的蓬勃发展。
盲孔不放置元件时，如何填充？必须填满盲孔，不能有空气。
可以使用填充膏、聚合物膏填充孔或通过电镀填孔。我仔细研究过，用相同的设备只要稍许调整就能完成电镀填充。除了成像技术的变革之外，它确实是让HDI和超HDI真正蓬勃发展的原因。
Dan Feinberg：Mike，最需要控制的是什么？是输出的功率还是电压？看起来，如果电压不受控制且高出四分之一伏或半伏，那么电镀平整性就会出现问题。
Carano：很有趣，Dan。总是存在两种两种类型：恒流和恒压，我也从金属精加工行业了解到了这一点。我更倾向于恒定电压并使电流上升。
但还有其他因素。必须显著改变添加剂，从而抑制表面的电镀。将盲孔想象成花瓶：在顶部变宽，在捕获焊盘处底部变窄。无论深度是3mil或4mil，都希望电镀能填满，添加剂能更快地出现并填充该导通孔，而不会在该区域的中心留下空洞，同时最大限度地减少表面上的过度电镀或蘑菇状突起。
对于图形电镀，我们做了很多。本质上是定义焊盘和导通孔的抗蚀剂，然后进入专门设计的槽中，在那里改变搅拌、温度和溶液流量，这样可以在表面上得到抑制，然后得到包覆填充。这种方法效果很好，过去几年里，行业一直在采用。正如我所说，它是HDI发展的一大支撑技术。
Feinberg：过去的15~20年，你是否看到电源有改进？
Carano：当然，有显著的改进。我们已经最小化并几乎消除了双极波以及损耗，一切都大大改善了。但就我个人而言，当我在全球各地的工厂排除故障，有反映在分析化学药水后仍无法持续得到良好的导通孔填充或良好的均镀力，这时我首先要求带我去整流器或连接电镀槽的电源处。
我曾参观了一个车间，所有整流器都位于地下室，电镀槽位于其上方的楼层。他们不得不将电缆从地下室铺设几百英尺才到达电镀槽。他们说：“这有什么不对吗？”我说：“来，把手放在电缆上。”电缆太热了，电阻太大了。
使用双绞线同轴电缆，将提供更有效的电流流动。不管脉冲电镀、导通孔场电镀，还是传统的通孔，整流器和电缆应尽可能靠近电镀槽，减少两者之间的距离，尽可能保持阳极连接和阴极连接相等。使用双绞线同轴电缆，可以最大限度地减少电流损耗和电感，当电流通过时，尤其是在脉冲电镀的情况下，产生的电动势会与电流相反。这不会是想要的结果。
Shaughnessy：那么，对于典型的美国制造商来说，目前最大的电镀挑战是什么？
Carano：他们仍然在使用15年前设计的电镀电池。电缆也过时了，没有真正观察阳极与阴极的比率，也没有使用高质量的阳极。随着技术的发展变化，当被要求电镀更厚的PCB和更小的孔时，并没有改变工艺及配套的化学药水。这就是很多公司失败的首要原因。
其次，工艺和质量控制的核心是工艺控制。对于更高的技术和更复杂的设计，必须学会如何适应更严苛的工艺窗口，因为这就是规则。必须严格管理，包括控制和工艺。
第三，寻找和培训人才是挑战之一。我认为当今北美最大的问题是人工培训，让员工了解如何排除故障并寻找问题的根源。与客户沟通时，我会问：“为什么会发生这种情况？”他们说：“嗯，我刚刚打开了这个按钮，然后又打开了那个按钮。”这不是我想要寻找的答案。我想知道你做了什么以及为什么这样做。谁来培训员工？这就是问题所在。
Feinberg：对于那些擅长连接器镀金的公司，现在要进行通孔电镀，他们需要考虑什么？
Carano：“金手指”电镀，先要将胶带贴好压紧，再把镀件放入搅拌槽内，有很多带式电镀设备可以提供电流密度和溶液运动，镀件传送通过镀槽。整个过程很简单。
随着孔径变小，板子变厚，层数变多，技术难度呈指数级增长。举个例子，我们有两块PCB，两种设计。其中一块PCB厚度为0.125英寸，孔径为20 mil；另一块PCB厚度为0.125英寸，孔径为10 mil。你可能会认为只是把孔径减半，这样应该更容易。不，当看我构建的模型和其他模型时你会发现，PCB厚度相同，但厚径比从6∶1变为12∶1，难度会呈指数级增长。
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需要重新调整参数、溶液流量，以及阳极到阴极的距离，确保所有维护项目都有良好的布线和正确的校正。进行脉冲电镀才能获得所需的电流调制，才能实现对较厚PCB的深镀能力。
所需要做的就是深究欧姆定律，测量电阻、使用探针、使用欧姆表，然后读取PCB之间的电阻。可以肯定，两种不同的厚径比或两种不同的厚度，会产生明显不同的数据。
Happy Holden：我在试验时，经常尝试使用绝缘网，在阳极和阴极之间创建一个网格，这样我就可以控制阳离子实现更普遍的分布，就像对三极管真空管的控制。能成功地控制这些阳离子吗？
Carano：Happy，你说的是屏蔽。我一直都在研究可调节的屏蔽层。让离子更难作用，这样就不会在面板的顶部或底部过度电镀。但同样，你可以使用可调节的屏蔽层，调整阳极、阳极距离和溶液冲击已经足够了。我参与过的喷射器电镀中不再使用空气搅拌。基本上是在层流中使用溶液运动，而不是空气搅动。空气搅动会导致很多问题，包括气泡会产生湍流，而不能产生穿过扩散层的运动。必须穿过阴极扩散层，这样离子才能有顺利到达PCB的路径。
Holden：Pete Pellegrino是流动电镀之王，PCB两侧各有200马力的泵。我必须使用制冷来冷却镀液，为了产生湍流搅动，这些泵输入了太多的能量。
Carano：是的，但那是20年前的事了，我在20世纪80年代初用Micro-Plate做了很多工作。该设备可使用高电流密度电镀垂直加工PCB。那时，他们使用100ASF或125ASF的高冲击（溶液移动）电镀，通过传送带的PCB在10分钟内就完成电镀。我们投入了大量时间研究100ASF、125ASF条件下优化高厚径比或中厚径比板的电镀。但目前不能这么做，同样不能违反法拉第定律。
Feinberg：如果想提高电镀速率，可以增加硫酸铜的用量吗？
Carano：可以。
Feinberg：那么这些就是你的选择，提高硫酸铜的含量而不是功耗？
Carano：增加阴极电流密度，是在迫使离子从本体溶液移动到被还原的阴极。无论结果好坏，被称为极限电流密度。这意味着，如果没有足够的浓度，无论电流密度达到多高，都会达到一个极限，而不会实现更好的电镀。事实上，镀层很糟糕。所以必须在主体溶液中有更高浓度的离子才能满足和使用更高的阴极电流密度。
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有一点需要注意，阴极电流密度越高，更倾向表面还是孔？你可能会说：“我会在40ASF下电镀。”太好了，把铜含量提高一倍。最终形成的表面镀层为2mil，而孔内的镀层为1.2mil。这是你想要的结果吗？不，我不这么认为。这些是需要权衡的。
Feinberg：这是成本和平衡的问题。
Holden：不止这些，因为你还得考虑边缘层。搅拌在使这些新阳离子到达阴极表面起着重要作用。
Carano：这就是我们刚才谈到的阴极扩散层。它是在阴极前面积聚的有限厚度，离子移动得更快或移动得更慢，具体取决于搅拌和浓度等多种因素。切记，在电镀时，会发生两种情况。可以进行质量传输或扩散控制。当使用传统设置时，实际上依赖于扩散控制，其中离子从高浓度扩散到低浓度。
但是当处理更高的厚径比时，必须切换到质量传输控制的更高对流。这对获得深镀能力有很大影响，所以要牢记。质量传输对比扩散控制，你打算做什么，怎么做；它是否会受到电流密度、PCB设计、槽设置等的控制？
我知道有一些公司，特别是在半导体领域，制造了能够持续监测电镀溶液的仪器。他们可以分析铜、酸、添加剂。为什么不对PCB这样做呢？
有些公司拥有这类仪器，不断地对运行的化学药水进行采样，并提供所有添加剂的浓度，包括有机添加剂，然后根据设定值进行调整。这属于半导体领域，在半导体中产生任何报废成本都非常高，因为报废发生得太快了。但为什么不能将其应用于PCB行业呢？我们倾向于手动操作，只需进行滴定测试即可。但对于目前的要求不够，我认为应该探究整个电镀的所有相关参数。
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对工人进行关于材料、设备等的培训，包括槽、阳极及控制装置。通过制作鱼骨图来表明哪里会发生故障、哪里会发生好的结果，就能很好地理解电镀。他们需要意识到电镀是复杂的过程，有很多组成部分。
由于篇幅原因，本文节选刊登，更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
