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一、概论
随着微电子技术的快速发展，印制电路板制造在多层化、层叠化、功能化以及集成化方向急速发展。通过在印刷电路的设计中大量采用微孔、窄间隔、细导线来促进电路图形的构想和设计，印制电路板制造技术的难易度变高，特别是多层板通孔的纵横比超过5:1以及层叠板大量采用的深盲孔，通常的垂直电镀工艺为高质量、不能满足高可靠性互连孔的技术要求。其主要原因是需要从电镀原理分析电流分布状态，在实际电镀过程中发现孔内电流分布呈腰鼓形，孔内电流分布从孔边逐渐下降到孔中央，大量铜沉积在表面和孔边孔中央需要铜的部位的铜层无法确保应达到的标准厚度，铜层极薄或没有铜层，严重时会造成无法挽回的损失。导致大量的多层板废弃。为了解决批量生产中的产品质量问题，现在从电流和添加剂方面解决了深孔电镀问题。高纵横比印制电路板镀铜过程中，在优质添加剂的辅助作用下，将适度的空气搅拌和阴极移动组合在相对较低的电流密度条件下进行。孔内的电极反应控制区变大，可以显示电镀添加剂的作用，并且阴极移动对提高镀液的深度电镀能力非常有利，电镀材料的极化度变大，电镀层的电结晶过程中的结晶核的形成速度和结晶粒生长速度互相补偿，得到高韧性铜层。
然而，如果贯通孔纵横比继续增大或出现深盲孔，则这两种过程措施是无力的，并且产生水平镀技术。这是垂直电镀法技术发展的继续，即基于垂直电镀工艺发展的崭新的电镀技术。该技术的关键是制造自适应且相互组合的水平镀层系统，能够实现高分散能力的镀液，在供电方式的改善和其他辅助装置的配合下，显示出比垂直电镀法更好的功能作用。
二、水平电镀原理概要
水平镀层与垂直镀层方法原理相同，均具有阴阳两极，通电后引起电极反应使电解液的主要成分电离，使带电的正离子移动到电极反应区域的负相。带电的负离子转移到电极反应区的正相，产生金属沉积电镀层和释放气体。金属堆积在阴极上的过程分为金属的氢化离子扩散到阴极的3个步骤。第二步骤是当金属氢化离子通过双电层时，金属逐渐脱水并吸附在阴极的表面上。第三步骤是阴极吸附在表面上的金属离子接收电子并进入金属晶格。实际观察到工作槽的是固相电极和液相电镀液界面之间不能观察到的异相电子传递反应。该结构可以根据电镀理论中的双电层原理来说明，当电极在阴极处于极化状态时，被水分子包围并具有正电荷的阳离子通过静电作用力在阴极附近有序排列作为由最接近阴极的阳离子中心点构成的相位面亥姆霍兹Helmholtz）称为外层，该外层从电极开始约1？相隔十纳米。但是，由于亥姆霍兹外层的阳离子所具有的正电荷的总功率量，其正电荷量不足以中和阴极上的负电荷。另一方面，远离阴极的镀液受到对流的影响，该溶液层的阳离子浓度比阴离子浓度稍高。该层的静电力作用比亥姆霍兹外层小，受热运动的影响，所以阳离子排列与亥姆霍兹外层紧密不整齐。这个层被称为扩散层。扩散层的厚度与镀液的流动速度成反比。也就是说，镀液的流动速度越快，扩散层越薄，反之越厚，扩散层的厚度一般为5？五十微米。距离阴极更远，对流到达镀液层称之谓主体镀液。因为溶液产生的对流作用影响镀液浓度的均匀性。扩散层中的铜离子通过扩散和离子的移动被发送到亥姆霍兹外层镀液。另一方面，主体镀液的铜离子通过对流作用以及离子迁移被输送到阴极表面。在水平镀层的过程中，镀液中的铜离子在阴极附近用3种方法被输送而形成双电层。
镀液对流的产生使用外部当前内部的机械搅拌和泵的搅拌、电极自身的摆动或旋转以及温度差引起的电镀液流。随着接近固体电极的表面，由于磨擦阻力的影响电镀液的流动变得缓慢，此时的固体电极表面的对流速度成为零。从电极表面到对流镀液之间形成的速度梯度层被称为流动界面层。由于该流动界面层的厚度约为扩散层厚度的10倍，所以扩散层内的离子传输几乎不受对流作用的影响。
在电场的作用下，电镀液中的离子受到静电力而引起离子传输被称为离子迁移。该转变的速度为u＝zeoE/6pi；reta;是的。这里，u是离子迁移，z是离子的电荷数，eo是电子的电荷量（即1.61019C），E是电位，r是水合离子的半径，eta。电镀液的粘度。根据方程的计算，发现电位E的下降越大，电镀液的粘度IX越小，离子迁移的速度也越快。
根据电着理论，在电镀的情况下，位于阴极的印制电路板是不理想的极化电极，吸附在阴极的表面上的铜离子得到电子还原为铜原子，使接近阴极的铜离子浓度降低。因此，在阴极附近形成铜离子浓度梯度。铜离子浓度比主体镀液低的层镀液是镀液的扩散层。另一方面，如果主体镀液中的铜离子浓度高，则扩散到阴极附近铜离子浓度低的地方，不断补充阴极区域。印制电路板电流的大小与扩散层厚度的关系式类似于COTTRELL式的平面阴极。
这里，I是电流，z是铜离子的电荷数，F是法拉第常数，A是阴极表面积，D是铜离子扩散系数（D=ＫＴ／6pi。ｒeta;），Ｃb为主体镀液中的铜离子浓度、Ｃo为阴极表面铜离子浓度、D为扩散层的厚度、K为波次曼常数（K=R/N）、T为温度、r为铜水合离子的半径、eta。电镀液的粘度。阴极在表面铜离子浓度为0的情况下，将该电流称为极限扩散电流ii。
从上述公式可知，极限扩散电流的大小由主体镀液的铜离子浓度、铜离子的扩散系数以及扩散层的厚度决定。极限扩散电流的主体镀液中的铜离子的浓度高，铜离子的扩散系数大，扩散层的厚度越薄越大。
从上述方程中发现，需要适当的过程措施，即加温过程方法来达到更高的极限电流值。通过使温度上升，可以使扩散系数变大，通过加快对流速度成为旋涡，能够得到薄而均匀的扩散层。从上述理论分析中，可以通过增加主体镀液中的铜离子浓度、提高电镀液的温度、增加对流速度等来提高极限扩散电流，实现加速电镀速度的目的。水平镀层基于镀液对流速度的加速形成旋涡，扩散层的厚度可以有效地降低到10微米左右。因此，使用水平电镀系统进行电镀时，其电流密度可以达到8A/dm2。
印制电路板电镀的关键是如何确保基板两面及导通孔内壁的铜层厚度的均匀性。为了获得镀层厚度的均匀性，必须确保印制电路板的双面和贯通孔内的镀液流速迅速一致，得到薄且均匀的扩散层。为了实现薄均匀的扩散层，从当前的水平镀层系统的结构来看，尽管在该系统内安装了许多喷咀，也能够快速垂直地喷射印制电路板镀液，加速镀液的贯通孔内的流动速度，加快镀液的流动速度可以在基板的上下和通孔内形成旋涡，降低扩散层，使其均匀。但是，一般来说镀液突然流入狭窄的贯通孔内时，会发生贯通孔的入口镀液反向回流的现象，进而由于一次电流分布的影响，入口孔部位的电镀常常发生，由于尖端效果铜层的厚度太厚，贯通孔内壁构成犬骨形状的镀铜层。镀液根据在贯通孔内流动的状态、即旋涡及回流的大小、导电镀通孔质量的状态分析，控制参数达到印制电路板镀层厚度的均匀性只能通过过程测试法来决定。涡流和回流的大小直到现在还不知道理论计算的方法，所以只采用实测的方法。实测结果，为了控制通孔镀铜层厚度的均匀性，必须根据印制电路板通孔的纵横比调整可控制的工艺参数，进而选择高分散能力的镀铜溶液，添加适当的添加剂，供电方式也就是说，只有利用逆脉冲电流改善镀层，才能获得具有高分布能力的镀铜层。
特别是当层叠板的微盲孔数量增加时，不仅使用水平电镀系统进行电镀，还可以使用超声波振动促进微盲孔内镀液的交换和流通，通过改善供电方式，利用反脉冲电流和实际测试数据调整可控制的参数可以得到令人满意的效果。
三、水平镀层系统的基本结构
根据水平电镀的特征，是将印制电路板从垂直式配置到平行镀液液面的电镀方式。此时的印制电路板是阴极，有电流供给方式的水平镀层系统采用导电钳和导电辊两种。从操作系统的便利性来说，一般采用辊导电的供给方式。在水平镀层系统中的导电辊除了阴极以外，还具有传送印制电路板的功能。各导电辊上安装有弹簧装置，以适应不同厚度印制电路板（0.10腐蚀630；5.00mm）的电镀需求。但是，电镀时接触镀液的部位有可能被镀铜层，该系统长期不工作。因此，现在制造的很多水平镀层系统，设计成能够将阴极切换为阳极，通过再利用辅助阴极组，可以将镀层的相互辊上的铜电解溶解。在维护和更换方面，考虑到新的电镀设计也容易拆卸和更换易耗部位。阳极使用可调整排列大小的不溶性钛篮，分别位于印制电路板的上下位置，直径25mm的圆形球形，磷含量0.004？0.006%的可溶性铜，阴极和阳极之间的距离是40mm。
镀液的流动使用由泵及喷嘴构成的系统，在关闭了镀液的镀层槽内前后、上下交替快速地流动，能够确保镀液的流动的均匀性。镀液是垂直方向印制电路板，在印制电路板面上形成冲壁喷射旋涡。其最终目的是实现印制电路板双面和通孔的镀液高速流形成旋涡。另外，在槽内，为了过滤镀层中产生的粒状杂质，确保镀液的清洁无污染，设置了网格为1.2微米的过滤网的过滤系统。
在制造水平镀层系统时，还必须考虑操作的便利性和工艺参数的自动控制。在实际镀金时，随着印制电路板尺寸的大小、通孔直径的大小以及所希望的铜厚度的差异、输送速度、印制电路板之间的距离、泵马力的大小、喷嘴的方向以及电流密度的高低等工序参数的设定，为了得到技术上所要求的铜层厚度因为需要实际的测试及调整及控制。需要用电脑控制。为了提高生产性和高水平的产品质量的一致性和可靠性，按照印制电路板的贯通孔前后处理（包括镀覆孔）的程序，构成完全的水平镀层系统，满足新产品的开发、上市的需要。
四、水平镀层的发展优势
水平镀层技术的发展不是偶然的，高密度，高精度，多功能，高纵横比多层印制电路板产品的特殊功能的必要性是必然的结果。其优点是比目前采用的垂直镀层技术方法先进，产品质量更可靠，实现了规模化的大生产。与垂直电镀工艺方法相比，有以下优点。
（1）适应尺寸范围广，不需要手工安装，实现所有自动化作业，对提高作业过程和对基板表面没有损害，实现规模化的大生产非常有利。
（2）在工程审查中，不需要留钳子位置，增加实用面积，大幅节省原材料损失。
（3）水平镀金采用全程计算机控制，在相同条件下确保每个印制电路板的表面和孔的镀层的均匀性。
（4）从管理的角度来看，镀金槽可以从清扫、追加电镀液和交换中完全实现自动化作业，不会发生人为失误导致的管理上的失控问题。
（5）由于可从实际生产中进行检测，所以水平镀层采用多级水平清洗，因此大幅节约了清洗水的用量，降低了污水处理的压力。
（6）由于该系统采用封闭式工作，减少了对工作空间的污染和热量蒸发对过程环境的直接影响，大大改善了工作环境。特别是烘烤板，为了减少热量损失，可以节约能源的浪费，大大提高生产效率。
五、总结
水平镀层技术的出现是为了完全适应高纵横比通孔电镀的需求。但是，由于电镀过程的复杂性和特殊性，水平电镀系统的设计和开发仍存在一些技术问题。这需要在实践过程中加以改进。尽管如此，使用水平镀层系统对印刷电路行业来说是很大的发展和进步。这种类型的设备在高密度多层板的制造中的运用中表现出很大的潜力，所以不仅可以节约人力和工作时间，而且生产速度和效率比以往的垂直电镀线还要高。另外，减少能源消耗，减少处理的废液废水废气，大幅改善工艺环境和条件，提高电镀层的质量水平。水平电镀线适合大规模生产量的24小时无停作业，水平电镀线在调整时比垂直电镀线稍微困难，调整完成后非常稳定，同时在使用中随时监视镀液的状况进行调整，确保长时间稳定的工作。
