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2023春季国际PCB技术/信息论坛214电镀涂覆 Electroplating and coating垂直连续电镀不同阴阳极回路设计对比分析 Paper Code:S-027 周帅林 高 明 孙宏超 李志东（武汉新创元半导体有限公司，湖北 武汉 430000）摘 要 随着半导体封装基板向高密度、高精度等方向发展，电镀工艺也从减成法全板电镀转变为加成法图形电镀，为了在保证高产能的同时确保精细线路的均匀性以及品质的可追溯性，对封装基板的图形电镀提出了更高的挑战。文章针对垂直连续电镀的不同阴阳极回路设计，分析其结构，电流回路及产品跨槽时的电流切替，并结合实际应用中产品出现的问题，阐述了不同回路在可追溯性、产能、电流控制精度、线路均匀性、成本以及发生异常对产品影响程度等几个方面各自的优缺点，为设备选型和生产提供参考依据。关键词 线路均匀性；电流控制精度；可追溯性；产能 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0214-15 Comparative analysis of different anode and cathode circuit designs invertical continuous electroplatingZhou Shuailin Gao Ming Sun Hongchao Li Zhidong Abstract With the development of IC substrate towards high density and high precision,electroplating process has also changed from panel plating with subtractive process to pattern plating with Modified Semi-additive Process.In order to ensure high production capacity and ensure the uniformity of fine lines and quality traceability,pattern plating of IC substrate has put forward higher challenges.Based on the design of different anode and cathode circuits for vertical continuous electroplating,this paper analyzes its structure,current circuit and current switching when the product is moved from one cell to another,and combines the problems in practical application.The advantages and disadvantages of different circuits in traceability,production capacity,current control accuracy,line uniformity,cost and the degree of influence of abnormal occurrence on products are expounded,so as to provide reference for equipment selection and production.Key words Line Uniformity;Current Control Precision;Traceability;Capacity0 前言近年随着中国PCB的迅速发展，垂直连续电镀线（即Vertical Continuous Plating，以下简称VCP）已经发展成为PCB电镀的主流设备。从目前的行业发展来看，欧洲和日本的电镀设备企业具有领先的技术优势和产品，并实现了产品的大批量供应。在这些特定领域，国产高端PCB电镀设备与欧洲、日本的企业还具有一定差距1。文章结合市场调研和工厂实际应用经验，论述VCP不同阴阳极回路的优缺点，为PCB行业的电镀设备选型和生产提供参考依据。2152023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating1 电镀基本概念电镀是用电化学的方法在板件表面沉积一层薄金属或合金的过程。在进行电镀时，将预镀板件与电源负极相连，惰性电极与直流电源的正极相连，镀槽中含有预镀覆金属离子的溶液，当接通电源时，预镀覆的金属便在阴极上析出。如下图1为小型电镀系统，影响回路的主要因素有以下几点：（1）滑块与阴极导轨接触电阻（2）夹爪与制品接触电阻（3）镀液欧姆电阻（4）电极极化电阻（5）制品电阻（6）挂具导杆电阻 图11.1 接触电阻所谓接触电阻：就是当在两个导体的机械接触面上通过电流时，其界面部分的电阻比其他部分的电阻要高，人们将此电阻称为接触电阻。接触电阻与导体内部的电阻相比，不仅量值高，而且性质也是不一样的。例如，理想状态下导体内部的电阻表现恒定，当电压降低时，电流也成比例地降低；然而，对于导体间的接触电阻，电流增加或减小时，其值却是不一样的2。取接触面的微观来分析：用肉眼看导体表面是很平滑的，但在显微镜下观察，导体表面却是凹凸不平的。如图2所示，两个导体并没有全接触，当电流从导体1流向导体2时，电流是从S区域流经的。由于电流通过的有效截面积的减小，因而在界面上这个电阻较两个导体来说，瞬间变大了。图2除界面凹凸不平影响外，当在金属界面形成一层导电性很差的氧化膜时，同样会对界面电流的传输产生负面影响，从而促进接触电阻的产生。通常减少接触电阻的方法有磨光接触面，扩大接触面；加大接触部分压力；涂抹导电膏等3。2023春季国际PCB技术/信息论坛216电镀涂覆 Electroplating and coatingVCP导轨减少接触电阻的常用方法为涂抹导电油，或导轨采用水浴浸没方式，定期打磨导轨，增加导电刷与导轨的压力。1.2 极化电阻冯立明主编的电镀工艺与设备中论述了电极的极化过程4，并说明极化产生的实质上是因为电极反应速度、电子传递速度与离子扩散速度三者不相适应造成的。阴极浓度差极化的发生，是离子扩散速度小于电极反应消耗离子的速度所致，而阴极电化学极化则是电子传递速度大于电极反应消耗电子的速度所致。一般说来，电化学极化作用对于改善镀层质量起着很重要的作用，因此我们应尽可能想办法通过提高阴极的电化学极化作用来提高镀层的结晶细致程度。生产过程中，一般采用加入络合剂，添加剂来增强阴极的电化学极化5。由此可知，极化电阻在电镀系统中产生的原因。1.3 阴极制品电阻根据电阻定律，导体的电阻R跟它的长度L、电阻率成正比，跟它的横截面积S成反比，公式为R=L/S （1-1）其中为制成电阻的材料的电阻率，L为绕制成电阻的导线长度，S为绕制成电阻的导线横截面积，R为电阻值。在PCB板上，影响制品电阻的因素有以下几点：（1）底铜（化学铜）厚度；（2）线路的线宽（残铜面积）；（3）孔数如下图3为制品上三根导线，面积S=Ld；（1-2）这些因素均是通过影响制品电流通过的横截面积S来影响电阻的大小，由公式1-1可知，横截面积S与电阻R成反比；故横截面积S越小，电阻R越大。图3如下图4-a，取制品中间和边缘两处面积，电阻分别为R1，R2；对经过R1，R2的电流进行回路分析，可得图4-b。图 4-a2172023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating图 4-b根据图4-b回路使用欧姆定律，可知I1=U/（R1+R其它+R极化+R镀液+R接触）（1-3）I2=U/（R1+R2+R其它+R极化+R镀液+R接触）（1-4）I1/I2=（R1+R2+R其它+R极化+R镀液+R接触）/（R1+R其它+R极化+R镀液+R接触）；（1-5）a.假设减成法制程时，底铜厚度约6 m；R1=1，R2=3，R其它+R接触电阻+R镀液电阻+R极化电阻=100；那么I1/I2=104/1011.03:1，I1几乎与I2相当,若R1,R2足够小，I1I2。b.当转为半加成法制程时，底铜厚度约1 m，根据欧姆定律电阻公式（1-1），厚度与电阻成反比，假设R1=6，R2=18，R其它不变。那么I1/I2=124/1061.17:1；I1与I2差异变得显著。由此可知，随着电镀制程向M-SAP/SAP的发展，为保证精细线路，底铜越来越薄；采用传统的回路方式，电流在板面的均匀性变差，线路均匀性随之变差。2 不同阴阳极回路设计2.1 单元槽共阴共阳2.1.1 结构描述单cell（单元槽）每面阳极共一台整流机供电，阴极共一条导轨。如下图5为单槽5片制品结构示意图图52.1.2 电流回路及异常分析R1电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R2极化R2镀液R2接触R0R2阴极其它电阻I2R1极化R1镀液R1接触R0R1阴极其它电阻I1R1阴极R2R1电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻2023春季国际PCB技术/信息论坛218电镀涂覆 Electroplating and coating1.回路分析：对图5进行回路分析，A面可得如下图6电路图图6从电路图我们可以清晰看出，五片制品在回路上属于并联电路，电流关系如下式：I0=I1+I2+I3+I4+I5 （2-1）整流机输出稳定的电流I0，五片制品分别得到分电流I1、I2、I3、I4、I5，理想条件下，I1=I2=I3=I4=I5，由此，五片制品上通过等量电量，生成等量的电镀铜。然而实际生产并非如此，接触电阻因滑块的差异，R1接触R2接触R3接触R4接触R5接触；制品本身存在片间差异，R1阴极R2阴极R3阴极R4阴极R5阴极；极化电阻因电极与镀液不同位置的扰动不同，无法保证相同，故R1极化R2极化R3极化R4极化R5极化；电镀液本身存在介质欧姆电阻，在同一槽体内，只有增大循环，降低镀液浓度差，方可减少R镀液的差异。由此可知，在这个并联回路上，R1总R2总R3总R4总R5总，然而在同一个电源下的五个支路整体属于一个等势体，U1=U2=U3=U4=U5，由欧姆定律I=U/R可知，I1I2I3I4I5，因此，此回路下的整流控制精度误差较大，并且，根据2-1式可知，当任意一个支路电阻发生较大变化时，其他支路通过的电流都会发生变化，它代表着在同一个回路的5片板均受到了影响，在生产过程中，此类问题时有发生。此回路的特点：（1）整流机需要的数量少，前期设备投入较低的成本同样可以达到生产效果;（2）产品间距可以做到10 mm以下，极大的提高了设备的利用率，有助于提高产能；但条件切换时需要的dummy数量多，前后至少各5片dummy，不利于多次换型产品；（3）在改善边缘镀厚上有一定帮助，但无法完全消除;（4）追溯性差，无法识别异常Anode不良和异常挂架接触电阻不良，每片板生产时的电流电压参数无法追溯；（5）阴极导轨需定期均匀涂抹导电油；（6）单片板电流控制精度较低。2 异常分析：a）挂具掉板或漏夹板，b）单个挂具线路虚接，c）阴极导轨氧化，d）单个整流器故障，e）阳极老化，以上异常均会导致产品批量性异常。R4极化 R4镀液R4接触阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R3极化 R3镀液R3接触R2极化 R2镀液R2接触R1极化R1镀液R1接触R0R4阴极 R3阴极 R2阴极 R1阴极R5极化 R5镀液R5接触R5阴极 1st panel2ndpanel3rdpanel4thpanel5thpanel其它电阻I1I2I0I3I4I5R1总R2总R3总R4总R5总2192023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating2.1.3 跨槽电流分析此结构所有阴极连通，整流器稳定输出电流I0，跨槽（指制品从一个槽搬送至另一个槽的过程）时电流无变化。2.2 单元槽共阴分阳（纵分）2.2.1 结构描述单槽单片阳极独立供电，阴极共导轨；目前主流厂商为韩国TKC，如下图7为单槽5片制品结构示意图图72.2.2 电流回路及异常分析1.回路分析对图7结构进行回路分析，可得出以下图8-a、图8-b两种并存回路。回路a为主要路径，为所需要的回路。图 8-a由于共阴极，在同一镀液介质下，整流器对阳极进行供电，同一块阳极的电力线可通过镀液介质经过不同阴极制品回到共同阴极。对图11整流器A1的电流路径进行分析，如下图9；I0=I1+I2+I3；由此可知图8-b回路的存在。通过回路分析可知，每个整流机有一个回路对应每片制品，故此种阴阳极回路存在一定的可追溯性，能识别异常的发生，但I0I1I2I3I4I5；故在单片整流器控制精度上有一定的误差，整流器所监控出来的电流电压并非指定产品，可能来自图8-b的干扰。R0R5极化 R5镀液R5接触R5阴极5thpanel其它电阻I0I5R4极化 R4镀液R4接触R0R4阴极 4thpanel其它电阻I0I4R3极化 R3镀液R3接触R0R3阴极 3rdpanel其它电阻I0I3R2极化 R2镀液R2接触R0R2阴极 2ndpanel其它电阻I2I0R1极化R1镀液R1接触R0R1阴极1st panel其它电阻I1I0阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻2023春季国际PCB技术/信息论坛220电镀涂覆 Electroplating and coating此种回路的特点:（1）整流机数量多，前期设备投入成本高；（2）产品间距可以做到10 mm以下，极大的提高了设备的利用率，有助于提高产能；条件切换时需要前后至少各2片dummy，不利于多次换型产品；（3）在改善边缘镀厚上有一定帮助，但无法完全消除;（4）可追溯性良好；通过整流机的电压报警可以识别异常Anode不良和异常挂架接触电阻不良，配合RFID（射频识别系统）可追踪生产的电流电压参数数据。（5）阴极导轨需定期均匀涂抹导电油，有铜油混合异物掉落板面降低良率的风险。（6）单片板电流控制精度一般。2 异常分析a）挂具掉板或漏夹板，b）单个挂具线路虚接，c）阴极导轨氧化，d）单个整流器故障，R4极化 R4镀液R4接触阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R3极化 R3镀液R3接触R2极化 R2镀液R2接触R1极化R1镀液R1接触R0R4阴极 R3阴极 R2阴极 R1阴极R5极化 R5镀液R5接触R5阴极 1st panel2ndpanel3rdpanel4thpanel5thpanel其它电阻I1 I2 I0 I3 I4 I5 R1总R2总R3总R4总R5总图 8-b图92212023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coatinge）阳极老化以上异常均会导致产品批量性异常。2.2.3 跨槽电流分析此结构所有阴极连通，整流器稳定输出电流I0，跨槽时电流无变化。2.3 单元槽共阴分阳（横分）2.3.1 结构描述阳极分上、中、下三段输出控制，3 panel对应6台整流机；目前主流厂家为韩国TKC；如下图10为单槽3 panel结构示意图图102.3.2 电流回路及异常分析1.回路分析对图10进行回路分析，可得下图11电路图，此种回路同共阴共阳结构类似，阴极制品拆分为3个面积分别整流。此种回路的特点：（1）整流机数量多，前期设备投入成本高；（2）产品间距可以做到10 mm以下，极大的提高了设备的利用率，有助于提高产能；但条件切换时需要前后至少各3片dummy，不利于多次换型产品；（3）在改善边缘镀厚上有一定帮助，但无法完全消除，阳极分上、中、下三段控制，可分开设定电流比例，有利用调整基板板面线路均匀性（4）可追溯性差；无法识别单个异常Anode不良和单个异常挂具的接触电阻不良；（5）阴极导轨需定期均匀涂抹导电油，有铜油混合异物掉落板面降低良率的风险。（6）单片板电流控制精度低。2.异常分析：a）如挂具掉板或漏夹板，b）单个挂具线路虚接，c）阴极导轨氧化，d）单个整流器故障，e）阳极老化以上异常均会导致产品批量性异常。2023春季国际PCB技术/信息论坛222电镀涂覆 Electroplating and coating2.3.3 跨槽电流分析此结构所有阴极连通，整流器稳定输出电流I0，跨槽时电流无变化。2.4 单元槽分阴共阳（4轨）2.4.1 结构描述多阴极导轨设计，可实现每片板每面的独立整流；目前主流厂家为日本Almex；如下图12为单槽3片制品结构示意图。2.4.2 电流回路及异常分析1.回路分析对图12结构进行回路分析，可得图13电路图，此种回路，每片制品走各自回路，通过的电流I1=I2=I3=I4=I0；曾有人提出疑问，在同一镀槽内，相同的镀液介质下，是否存在A/B面电流的绕流，如下图14，此种看法，笔者是认同的，首先这种电力线是存在的，但在保证阴极与左右阳极距离相等的情况下，笔者认为这种绕流是可以看作抵消的，而且极大程度上保证了单片制品上的镀层总量与其他制品一致，减少了片间差异，进而减少了镀厚差异。图11阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R3极化 R3镀液R3接触R2极化 R2镀液R2接触R1极化R1镀液R1接触R0上R3阴极 R2阴极 R1阴极1st panel2ndpanel3rdpanel其它电阻I1上I2上I0上I3上R1总上R2总上R3总上阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R3极化 R3镀液R3接触R2极化 R2镀液R2接触R1极化R1镀液R1接触R0中R3阴极 R2阴极 R1阴极其它电阻I1中I2中I0中I3中R1总中R2总中R3总中阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻R3极化 R3镀液R3接触R2极化 R2镀液R2接触R1极化R1镀液R1接触R0下R3阴极 R2阴极 R1阴极其它电阻I1下I2下I0下I3下R1总下R2总下R3总下上中下2232023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating图12图13图14阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻4thpanelI43rdpanel2ndpanel1st panelI1R4极化R4镀液R4接触R0R4阴极 其它电阻R3极化 R3镀液R3接触R0R3阴极 其它电阻I0I3R2极化 R2镀液R2接触R0R2阴极 其它电阻I2I0R1极化R1镀液R1接触R0R1阴极其它电阻I02023春季国际PCB技术/信息论坛224电镀涂覆 Electroplating and coating此种回路的特点:（1）整流机数量多，前期设备投入成本高；（2）槽内基板间距一般在5060 mm，条件切换时需要前后各1片Dummy，在产品结构单一条件下，产能较共阴极低78%；但是，在适应多种类产品，特别是载板的半加成法产品时，涉及电镀面积参数的频繁更换，这种损失较共阴极需多枚Dummy板带来的损失更低。以513 mm623 mm尺寸为例，VCP速度0.5 m/min来计算，共阴极板间距10 mm，分阴极板间距50 mm；24 h内需换型9.8次可保证两者产能相同。而且减少了Dummy板对药水及原物料消耗的成本。（3）边缘间距大，可通过辅助阴极调节两端铜厚均匀性;（4）可追溯性好，配合RFID可追踪每片板生产的电流电压参数数据，通过整流机的电压报警可以识别异常Anode不良和异常挂架接触电阻不良；（5）阴极和导轨接触采用自来水不使用导电油，避免导电油带来的异物不良。（6）单片板电流控制精度高。2.异常分析a）如挂具掉板或漏夹板，b）单个挂具线路虚接，c）阴极导轨氧化，d）单个整流器故障，e）阳极老化以上异常a、b会导致单片产品异常；异常c、d会导致同一导轨产品异常；异常e会导致产品批量性异常；2.4.3 跨槽电流分析此种回路涉及电流的切替，当一片制品同时跨两个槽体时，存在一个电流切换，理想条件下，在跨轨时间内，整流器需要较高的控制精度来保证电流上升下降率一致，如下图15，可保证通过制品总电量Q=It一致。图15a如制品跨轨时间t=50秒，电流升降时间t=100秒的情况，如下图16。相对于产品的跨轨时间，电流升降时间长的话，产品的后半部分电流面积比率较高，容易导致后半部分镀层厚度偏厚。b如跨轨时间t=50秒，电流升降时间t=50秒的情况，如下图17。如果电流升降时间与产品的跨槽时间一致，总是相对于面积比率、电流比率恒定，镀厚均等。c如制品跨轨时间50秒，电流升降时间t=20秒的情况，如下图18。相对于产品的跨轨时间，电流升降时间短时，在产品的前半部分，电流面积比率较高，容易导致前半部分镀层厚度偏厚。2252023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating 图16-c 图16-d 产品的流向0秒Cell1面积100%,电流100%Cell2面积0%电流0%Cell1 Cell220秒Cell1面积60%电流80%Cell2面积40%电流20%40秒Cell1面积20%电流60%Cell2面积80%电流40%60秒Cell1面积0%电流40%Cell2面积100%电流60%图16-a 图16-b 图17-c 图17-d 产品的流向!0秒Cell1面积100%电流100%Cell2面积0%电流0%Cell1!Cell220秒Cell1面积60%电流60%Cell2面积40%电流40%图17-a 图17-b 40秒Cell1面积20%电流20%Cell2面积80%电流80%60秒Cell1面积0%电流0%Cell2面积100%电流100%2023春季国际PCB技术/信息论坛226电镀涂覆 Electroplating and coating 产品的流向0秒Cell1面积100%电流100%Cell2面积0%电流0%Cell2Cell1 20秒Cell1面积60%电流0%Cell2面积40%电流100%图18-c 图18-d 图18-a 图18-b 40秒Cell1面积20%电流0%Cell2面积80%电流100%60秒Cell1面积0%电流0%Cell2面积100%电流100%2.5 单元槽分阴共阳（单轨）2.5.1 结构描述整流机和挂具集合小车系统，可实现单片每面独立整流；目前主流厂家为PAL，下图19为该结构示意图。图192.5.2 电流回路及异常分析1.回路分析如下图20，此种回路，每片制品走各自回路，通过的电流I1=I2=I3=I4=I5=I0；2272023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating图20此种回路的特点：（1）整流机数量多，前期设备投入成本高；（2）槽内基板间距可做到10 mm以下，条件切换时需要前后各1片dummy，极大的提高了设备的利用率，有助于提高产能;对于多次换型同样能取得较高的产能（3）边缘间距可控，可通过辅助阴极调节两端铜厚均匀性;（4）可追溯性好，配合RFID可追踪每片板生产的电流电压参数数据，通过整流机的电压报警可以识别异常Anode不良和异常挂架接触电阻不良；（5）阳极通过导电刷与侧壁阳极接触，有摩擦异物降低良率的风险；（6）单片板电流控制精度高；（7）无法避免板面电流不均对镀厚均匀性的影响。2.异常分析a）如挂具掉板或漏夹板，b）单个挂具线路虚接，c）阳极导轨氧化，d）单个整流器故障，e）阳极老化，以上异常a、b、d仅会导致单片产品异常；异常c、e会导致产品批量异常2.5.3 跨槽电流分析此结构所有阳极连通，整流器稳定输出电流I0，跨槽时电流无变化，每个整流器对应的产品始终走各自回路。3 总结综合以上分析，可得出以下表1：对于不同图形设计的mSAP/SAP 制程，涉及多次参数的切换，发展的方向趋向于分阴回路；此种回路追溯性好，在目前客户对产品追溯性的要求愈加严格的背景下，较共阳极更有优势；而且笔者以为，未来发展方向趋向于分阴极结合横向多段分阳极控制，可分开设定电流比例，更有利于调整基板的线路均匀性。但整流机需要数量多，挂具、导轨设计较复杂，投入成本较大。R0R5极化 R5镀液R5接触R5阴极 5thpanel其它电阻I0I5R4极化 R4镀液R4接触R0R4阴极 4thpanel其它电阻I0I4R3极化 R3镀液R3接触R0R3阴极 3rdpanel其它电阻I0I3R2极化 R2镀液R2接触R0R2阴极 2ndpanel其它电阻I2I0R1极化R1镀液R1接触R0R1阴极1st panel其它电阻I1I0阴极电阻电镀液欧姆电阻极化电阻接触电阻及夹具电阻2023春季国际PCB技术/信息论坛228电镀涂覆 Electroplating and coating回路方式 共阴共阳 共阴分阳 (横分)共阴分阳 (纵分)分阴共阳 (4轨)分阴共阳(单轨)追溯性 差 差 良好 优 优 电流控制精度 低 低 一般 良好 良好 线路均匀性 差 良好 一般 一般 一般 成本 低 较高 一般 较高 较高 产能(速度&槽长相同)换型次数少,产能较高;换型次数多,产能低 换型次数少,产能较高;换型次数多,产能低 换型次数少,产能较高;换型次数多,产能相对一般 换型次数少,产能较高;换型次数多,产能相对较高 无论换型次数多少,产能相对较高 异常发生影响度 严重 严重 中等 轻 轻 表1参考文献1 王龙基.中国印制电路板用垂直连续电镀设备状况,印制电路信息,2020,No.05.2 樊融融.现代电子装联工程应用1100问,2013年10月电子工业出版社出版.3 许志红.电器理论基础,2019年4月机械工业出版社出版.4 冯立明.电镀工艺与设备,2005年化学工业出版社出版.5 代海宁.电化学基本原理及应用:冶金工业出版社,2014.第一作者简介周帅林，湖北省武汉市人，2016年6月毕业于长江大学资源勘查工程，学士学位，毕业至今主要从事电路板行业电镀工艺的研究工作，目前就职于武汉新创元半导体有限公司。