电镀电流分布理论.doc

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电镀电流分布理论

1.一级电流分布

电极没有极化和未受到其它因素干扰的情况下，由于阴极与阳极相对位置存在远近，其所产生的高低电流分布称之为一次电流分布，它完全取决于镀槽的几何形状，即阴阳极的距离、排列、大小、形状等。

当一定电压加于两电极上时，镀液中的每一点都有一定的电压存在,其大小介于两电极电压之间。

因为金属电极导电性很强,可以假设电极表面每一点的电压均相等，同理,在镀液中也可以找出某些具有相等电位的假想平面。

一般说来，靠近电极的位置,其等电位平面与电极形状甚为相似，但是，其形状会随着与电极的距离逐渐增大而改变。

在等位面分布较密集的区域，其电流密度就较大,反之则较小。

由电场理论得知,等电位平面和其所对应力平面是互相垂直的。

电极本身属于等电位平面,所以电流流进或流出电极某一点必与该点所在的平面互相垂直。

如果等电位平面被一完整的导体取代或者是等电位平面所对应力平面被一绝缘体所替代，将不会影响其电场。

反之,如果等电位平面被任何替代物所切断,则整个电场将受到相等程度的干扰,电流分布也将有所改变。

一级电流分布对镀铜层影响最大，主要控制镀层的表面结构。

通常在阴极的各边缘处，会有较多的电力现分布。

如下图所示。

横线表示电力线

+─++─+

阳极阴极阳极阳极阴极阳极

俯视图侧视图

图1.理想的阴阳极排列图

横线表示电力线

+─++─+

阳极阴极阳极阳极阴极阳极

俯视图侧视图

图2.实际的阴阳极排列图

电路板镀件板面边缘因等电位平面分布较密集而镀层较厚；镀件中间因等电位平面分布较疏散而镀层较薄。

光泽剂或添加剂对板面宏观电流的分布几乎没有什么影响。

电镀铜时需要供应能量，使得镀液中的铜离子（Cu2+）还原在阴极上和阳极能解离出铜离子，此系统的能量以电能为主。

因此镀槽中阴阳极的几何摆设或两极的相对位置变化，都会在阴极形成高低不同的电镀能量。

电镀能量高的地方具有较高的电镀速率，即所谓的高电流密度区；电镀能量低的区域其电镀速率较低，即低电流密度区。

电路板电镀，由于其路线排列很难掌握，而阳极基本上固定不变，所以在板面孤立区域，通常出现较高电流分布，使得镀层偏厚，如下图3。

阳极

电力线

孤立区域大铜皮

底铜

光致抗蚀剂阴极图3图形电镀图

一次电流分布只受阴阳极的几何形状所影响，所以高电流密度区会形成尖端效应，亦即电流集中在板中凸出部份、板边或孔口，造成板面均匀性不佳或狗骨现象。

而由于通/盲孔内部之电流分布较板面少，所以先天上就不足，这就是深镀能力始终小于100%的道理即在于此。

而当高电流密度下操作时，此一现象将会加以放大。

一级电流分布的影响因子：

槽体设计；阳极设计；挂架与接点设计；阳/阴极大小、形状、导电性；阴极工件板大小与形状；电极的相对位置；阳/阴极几何摆设；阳/阴极方位与镀槽关系；镀件与镀槽的距离；摆动状况；空气搅拌；镀液的界面；遮蔽物；窃镀装置（辅助阴极）等。

一级电流分布为自然形成，不容易改变，若要改变一次电流分布不均的现象，只能改变电镀设备和设计理念：

增加阴/阳极距离、加大阳极面积、使用绝缘屏蔽物改变等电位平面、采用辅助阳极改善低电流区域的电流分布、使用辅助阴极分散高电流区域的电流分布、镀面按正方形或长方形密集上架，以降低高低电流差异等。

下图4为较为可行的镀槽设计：

阳极阴极

6-12″

（150-300mm）

3-4″

6-12″图4镀槽设计图（侧视）

2.二级电流分布

电镀过程中电极附近发生了电化学反应，因而增加了镀液的电阻称之为极化。

由于电极产生极化，使局部实际电流分布与一次电流分布的状态有所不同，这种改变后的电流分布状态称之为二次电流分布。

实际上，电镀过程中电流分布仍受到其它因素的影响，即加入电荷传递与质量传递等参数之后，其电流密度又得以重新加以分配。

二次电流分布主要是受到活化过电压及浓度过电压的影响，即扩散层和双电层的相对影响。

其效应并不及一级电流分布。

二级电流分布效应出自电镀槽液的化学成分与浓度，特别是硫酸铜、硫酸及氯化物等浓度的变化。

因此可透过电荷传递与质量传递来改善电流分布，使得实用的电流分布较原先的一级电流分布更趋于均匀。

一般质量传递的影响因素有：

硫酸铜浓度、电镀速率、搅拌情形、槽液温度。

有关电荷传递的影响因素有：

吸附阴极的有机添加物；吸附阴极的有机添加物与铜离子的复合物。

质量传递受到槽液搅动与打气的影响，通常搅动与打气仅能影响阴极表面的质量传递；孔内质量传递则几乎由阴

极摆动的距离与频率所决定。

有机添加物基本上不影响质量传递，却影响电荷传递。

若阴极板面各处与孔内，当质量传递与电荷传递的差异很小时，则板面的电流密度也会接近，镀层自然分布均匀。

由于电流大小和阴阳极间距离成反比,电极极化就相当于增加了阴阳极间的距离。

此距离称之为特征长度。

因为此种效应,二次电流或多或少可减少一次电流不均匀的现象.　　

由电场理论可知,电流的分布力实际上受两种因素所左右：

①镀液电阻；②极化作用所产生的电阻。

极化参数P作如下定义：

P=R/Rp=ａcFLj/RgTK　　

式中ａc-移转系数,F-法拉第常数,L-阴阳极距离,j-平均电流密度,Rg-气体常数,T-温度,K-溶液的导电度。

如果P＜1,代表极化作用远超过电场效应,则电流倾向于二次电流分布,将十分均匀；

如果P＞1,则电流倾向于一次电流分布,完全取决于镀槽的几何形状。

以硫酸铜镀液作多层板镀铜实验,各参数基本数据为ａc=0.5,Ma-sec/g-ep,L=30.5cm,j=26.9Ma/cm²,K=0.55（奥

姆cm）-1,RgT/F=25.6Mv/（23℃）。

结果P=29.13＞1代表电流倾向于一次电流分布,其均匀与否完全决定于镀槽的设计,而溶液的导电度、极化反应的影响均不大。

3.三级电流分布

对于通孔及其附近而言,影响电流分布的因素包括镀槽几何形状、镀液的导电性、质量传迅速率、铜离子的浓度等。

电流因受上述因素错综复杂的干扰而影响其分布称之为三次电流分布。

三级电流分布效应不及一、二级电流分布，但仍与均布力息息相关。

此效应主要于槽液的有机添加剂构成。

添加剂通常包括三种成分，即光泽剂、平整剂与载体，三种成分均会在阴极表面边界层产生作用。

光泽剂：

吸附于阴极表面，可取代部分的载体之用，增加该区的电镀速率（+）。

平整剂：

可被吸附并取代某些特定位置（通常为高电流密度区或高搅拌区）的光泽剂或载体，能降低电镀速率（–）。

载体：

吸附于阴极表面，阻碍高电流区离子的还原反应（–）。

光泽剂增加电镀速率，增加极化曲线斜率；平整剂和载体降低电镀速率，降低极化曲线斜率。

低电流密度区、低搅拌区高吸附高电流密度区、高搅拌区吸附

光泽剂平整剂/铜离子复合物

增加电镀速率降低电镀速率