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下一代電鍍系統(tǒng)

* 來源: * 作者: admin * 發(fā)表時間: 2023-11-17 18:05:00 * 瀏覽: 35
      電鍍一直是PCB制造的核心工藝。1970年我作為惠普公司的一名年輕工程師，被分配的第一份工作就是電鍍工藝。當(dāng)然，那時的銅電鍍工藝是焦磷酸銅，MT Chemicals公司生產(chǎn)的一種性質(zhì)極不穩(wěn)定的堿性溶液。在我掌握了這種電鍍?nèi)芤旱幕瘜W(xué)組成和控制方法后不久，就有機(jī)會測試和引進(jìn)LeaRonal公司的PC-GLEEM，這是一種新的硫酸基硫酸銅鍍銅化學(xué)物質(zhì)。之后就再也沒有使用過焦磷酸銅。
《CircuiTree》的技術(shù)編輯是Karl Dietz，他寫了許多關(guān)于酸性鍍銅的“Tech Talks”專欄文章。當(dāng)時電鍍系統(tǒng)原始且簡單。我將重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的變化，因?yàn)镵arl在他的專欄中涵蓋了大部分電鍍化學(xué)藥水變化。

電鍍

電鍍槽經(jīng)歷了多次升級，以適應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)和導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)。我看到的第一個創(chuàng)新是在1971年，當(dāng)時Nathan Pritikin（Pritikin diet（皮特金飲食）的創(chuàng)始人）在他位于加利福尼亞州Galena的PCB工廠向我介紹了一款箱式電鍍儀，Peter Pellegrino展示了他的flo-motion電鍍歧管，有許多出口的流體歧管，以這樣的速度和體積分布電鍍電解質(zhì)，可達(dá)到更高的電流密度和離子分布，甚至可以向下進(jìn)入電鍍通孔，可以在15分鐘內(nèi)（在孔內(nèi)）電鍍1 mil的銅。從那時起，大部分的創(chuàng)新都來自于電鍍設(shè)備供應(yīng)商和多層以及高密度互連PCB的高速發(fā)展。下文將討論一些重點(diǎn)領(lǐng)域。

電鍍槽結(jié)構(gòu)

基本要素沒有太大變化，但增加了一些創(chuàng)新。其中包括：
陽極和陰極
最大的創(chuàng)新之一是不溶性陽極，由鈦或涂覆了氧化銥的鈦電極和陽極膜構(gòu)成（圖1）。可溶性磷化銅陽極會引入顆粒，限制控制電鍍分布的能力。已知不溶性陽極可以消除顆粒，提供較大的陽極面積，且陽極的形狀可以與電鍍件相匹配。當(dāng)與溶液電感器和陽極膜相匹配時，它們可限制通常會在可溶性陽極表面看到的添加劑分解和消耗。
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圖1:當(dāng)使用不溶性陽極電鍍銅時，使用陽極盒裝半透膜可以提高添加劑的消耗
分段陽極
另一個創(chuàng)新是分段陽極(圖2)。它可以更好地控制電流分布，特別是當(dāng)陰極(PCB)在垂直或水平傳送帶上移動時。
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圖2:使用分段陽極，結(jié)合單獨(dú)的直流或脈沖電鍍電源，可以更精細(xì)地控制陰極電流密度和分布。這對于銅導(dǎo)通孔填充化學(xué)物質(zhì)和使用傳送陰極(面板)的設(shè)備來說非常重要(來源:Atotech和Ludy)
溶液和攪拌
用于高濃度溶液攪拌的噴射器始于20世紀(jì)70年代中期的flo-motion歧管。自那以后，其性能一直在不斷提高，特別是新型流體吸嘴在不引入空氣的情況下實(shí)現(xiàn)了更好的溶液分布。較高的層流相當(dāng)于較高的溶液交換和流體動力，尤其是在密閉空間或盲孔中。工作攪拌隨著Z軸的增加而改善，以實(shí)現(xiàn)更好地流體分布并減少載留的微氣泡。流體動力由改進(jìn)的泵、過濾器和集成支持設(shè)備控制(圖3)。
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圖3:先進(jìn)的電鍍槽采用先進(jìn)的過濾和溶液攪拌設(shè)計(jì)以確保達(dá)到最佳導(dǎo)通孔填充、冷卻、化學(xué)分析和填加藥水(來源:Atotech和Ludy)

傳輸系統(tǒng)：垂直傳送帶和起重機(jī)

1975年，位于科羅拉多州Loveland的惠普PCB工廠首次采用了激光測距儀。通過變速電機(jī)驅(qū)動起重機(jī)，并使用HP激光測量系統(tǒng)測量各種起重機(jī)的精密位置，可以加速和減速到達(dá)工藝槽的精確中心。這節(jié)省了寶貴的起重機(jī)運(yùn)行時間，并確保沒有起重機(jī)發(fā)生碰撞。

自動支撐

目前機(jī)器人和鉸鏈電鍍飛行桿被用來支撐PCB安裝到電鍍載體中，并確保形成良好的電接觸。圖4顯示了一些用于支撐PCB拼板的簡單機(jī)械臂。鉸鏈飛行桿允許起重機(jī)攜帶兩組陰極，且可以將它們移近非電鍍槽以節(jié)省空間。
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圖4:較鏈機(jī)械臂提供支撐，完成面板搬運(yùn)(資料來源:Ludy)

控制系統(tǒng)，傳感器和化學(xué)藥水添加

可編程邏輯控制器(PLC)具有相關(guān)的聯(lián)網(wǎng)能力和顯示圖形，已成為最受歡迎的控制系統(tǒng)。他們擁有相關(guān)的傳感器和監(jiān)視器，是控制領(lǐng)域的主力軍。如圖5所示，它們可以控制PCB面板的移動、電源、泵送和過濾、化學(xué)測序、溫度和分析，以及顯示和警告。
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圖5:現(xiàn)代PLC可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、傳感和分析控制以及實(shí)時顯示(來源:Atotech)

模塊化電源和整流器

具有數(shù)字控制和模塊化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代電流和電壓源目前很常見。模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以使用相同的整流器模塊，通過單個模塊的并聯(lián)或串聯(lián)操作來增加輸出功率，為工廠擴(kuò)建、生產(chǎn)轉(zhuǎn)換和工藝轉(zhuǎn)換提供了靈活性。在發(fā)生元器件故障時，可以保證冗余。
在模塊化過程中，安裝了多通道系統(tǒng)，打開和關(guān)閉陽極和陽極組，并提供了接觸陽極和陽極組的特定監(jiān)控選項(xiàng)。使用復(fù)雜的數(shù)字控制系統(tǒng)可以提高控制精度、降低殘余紋波、擴(kuò)大控制范圍和達(dá)到更高效率。這一切都在PLC的控制下運(yùn)行，PLC具有集成的ProfiNet接口，用于與工廠控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用于診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)，并提高能源效率。

通風(fēng)和排污

現(xiàn)代電鍍系統(tǒng)可以將工藝過程中的廢氣減少80%，因?yàn)椴凵w被編程為在傳輸工具將負(fù)載放入槽蓋時打開。這會減少排放到環(huán)境中的廢氣（圖6）。
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圖6:工藝槽蓋可減少80%廢氣(資料來源:Ludy)
通過使用熱泵加熱漂洗水，蒸發(fā)損耗被從通風(fēng)中回收的水所取代（圖7）。這意味著排出的空氣是清潔干燥的，并且不會產(chǎn)生額外的廢水。產(chǎn)生了與廢物、熱量、蒸發(fā)和冷凝有關(guān)的熱力學(xué)協(xié)同效應(yīng)。可以保持較小的必要排氣量，因此通過流量優(yōu)化提取將必要的凈化保持在最低限度。
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圖7:熱泵可用于冷卻適當(dāng)?shù)碾婂兒凸に?，并加熱其他工藝和漂洗?來源:Ludy)

干燥

如圖7所示，熱泵可以有效冷卻電源和工藝槽，這些能量以及羅利波超聲波原理可用于有效干燥PCB，包括所有導(dǎo)通孔和空腔。

電鍍仿真與動力

對法拉第原理和邊界層動力學(xué)的新理解導(dǎo)致了基于數(shù)量、間距和到陰極距離的陽極效應(yīng)模型，如第一個方程所示。第二個方程展示了電沉積的擴(kuò)散模型。
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簡圖1

預(yù)測性維護(hù)

為了進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，需要測量、記錄和存儲電壓、電流消耗、振動、溫度、聲學(xué)和開關(guān)頻率等參數(shù)。這是除了設(shè)備的工作時間之外的。根據(jù)設(shè)備的不同，將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫，并用于預(yù)測維護(hù)選項(xiàng)。對于每個設(shè)備，現(xiàn)有測量通道的標(biāo)準(zhǔn)值被存儲為設(shè)定點(diǎn)參數(shù)。
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新的創(chuàng)新評估模塊記錄和評估目標(biāo)值、實(shí)際價(jià)值。這樣就可以根據(jù)違反標(biāo)準(zhǔn)值的頻率和長度來統(tǒng)計(jì)故障概率。這種評估是自適應(yīng)的，并且隨著數(shù)據(jù)集數(shù)量的增加而改進(jìn)。
可以向設(shè)備列表中的用戶提供各種評估，從而相應(yīng)地顯示事件(即定期維護(hù)和預(yù)防性檢測)的百分比。

結(jié)論

通過化學(xué)、設(shè)備和分析技術(shù)，電沉積的復(fù)雜性已經(jīng)得到了很大改善，以至于目前電沉積已應(yīng)用于貫穿硅通孔的半導(dǎo)體制造，以及微米級幾何結(jié)構(gòu)中貫穿玻璃通孔的IC封裝。每一代新的電子產(chǎn)品都會進(jìn)一步模糊晶圓與PCB制造之間的界限。鍍銅沉積的總體要求是更薄，且要具有一致的高延展性，改善的厚度分布和均鍍力，并消除表面缺陷。