量密度很高的热源，而且具有很好的方向性、单色性和相干性。利用这些特性，对金属或零件表面进行强化处理(包括激光相变硬化 激光合金化和激光熔覆等) 可以改变金属或零件表面的微观结构，改善零部件的抗磨损，耐腐蚀和抗疲劳性能激光加工的精度高、能量集中，对零件的热影响小。

电镀和化学镀作为传统的表面技术经过了长期的发展，工艺已经非常成熟。研究人员将激光和传统的表面技术结合，对这个交叉领域进行了许多研究。

激光对基体表面进行照射可以发生在电镀或化学镀过程中，也可以在这之前或之后，因此可以依据激光处理介入的阶段不同分为镀前、镀中和镀后激光处理。 其中，对于镀后激光处理可以根据镀层与基体的结合情况分成三类：第一类，如果镀层和基体被激光熔化，并且镀层完全被基体稀释，则是激光表面合金化。第二类，如果镀层和基体部分熔化，镀层被基体部分稀释，镀层与基体界面为冶金结合，则是预置式的激光熔覆。第三类，如果镀层和基体没有熔化没有冶金结合 则是激光热处理。第一类和第二类情况镀层是激光加工的预置层，是激光加工工艺的一部分。第三类是为了提高镀层的使用性能，是电镀或化学镀工艺的一部分 影响镀层与基体的结合情况的因素主要有基体与镀层的材料，镀层的厚度和激光的比能量Es=P/DV(P为激光功率、D为激光光斑面积、V为激光扫描速度) 作为激光表面合金化、激光熔覆，激光梯度熔覆前的预置涂层，镀层可以由一层或数层不同的具有一定厚度的材料组成。

常规电镀在浸于电解液中的两个电极之间进行，把待镀金属基体放在含有某种金属的盐类溶液中，借助于外电源驱动并通过电解作用使金属离子在基体表面还原沉积成金属镀层。对速一电解沉积过程的分析研究表明要在阴极基体上形成电镀层主要包括离子迁移、电荷转换和晶格化三个过程，而沉积速率主要由离子迁移速率和电荷交换速率所决定。进一步研究表明离子迁移过程主要有扩散、对流和电迁移三种方式，要提高这三种方式的速率可采取下列措施(1 )提高电解液温度，(2)对电解液进行搅拌,(3)增加极间电压或减少极区距离，(4)加大电镀液浓度。

激光电镀的基本原理，激光器输出的激光束经透镜聚焦后投射到阴极表面，在阴极附近的微小区域里形成极高的光功率密度。受光照的阴极材料吸收激光能量后，使电解液—阴极界面附近的局部微小区域里的温度骤然升高，产生陡峭的温度梯度并在电解液中引起强烈对流，从而搅拌了溶液。温升和搅拌造成局部区域里离子迁移率增加，阴极还原反应增强和平衡电位正向漂移，最后导致电镀速率的增加。因此，激光电镀的机理可概括为;阴极吸收激光能量后引起光致温度骤升，造成局部范围里电化学反应大大增强，导致在阴极表面局部受光照区域沉积过程的剧烈加速。这种对激光引发的电镀增强效应的理论解释称为激光电镀的热模型。还有一种用来解释电镀增强效应的光模型，这一模型认为电镀反应的增强来源于光解效应，亦即激光促进了电解液离子自分解引起电化学反应速度的增大，从而导致电镀速率的增加。

激光束经过光学系统聚焦后能达到极高的功率(能量)密度,例如功率为1瓦的氢激光器的输出光束经过透镜聚焦成直径为几十微米的光点,其功率密度可达104-105瓦/厘米。受光照的阴极材料吸收激光能量后,将使电解液一阴极界面附近的局部微小区域里的温度骤然升高而产生陡峭的温度梯度,并在电解液中引起强烈对流,从而搅拌了溶液。温升和搅拌造成局部区域里离子迁移率增加,阴极还原反应增强和平衡电位的正向漂移,最后导致阴极受光照局部区域沉积速率的升高和电镀电流的增加。我们定义增强比E等于激光照射时的电镀电流密度与无激光照射时背景电镀电流密度之比, 它可以用下列公式表示:

激光增强电镀是以高密度激光束辐照液 / 固分界面，造成局部温升和微区搅拌，从而诱发或增强辐照区的化学反应，引起液体物质的分解，并在固体表面沉积出反应生成物。1978年，美国IBM公司首先研究了激光电镀，应用1.5W的氢离子激光器或氢离子激光器，将聚焦后的激光束照射在钨阴极上，镍的沉积速度比不用激光束提高了600—1000倍。

1980年德国贵金属研究所(Prccious metal Reaserch Institute)应用激光电沉积金、钯、铜、银和镍成功。但要求电极基片极薄，热导率高，并使用强光束以获得高的能量密度。

1981年Puippe和Von Gutfeld等人研究激尤强化电镀(LEP)的作用原理，认为电极静态电位和电荷传递速度的改变是引起沉积速度加快的主要原因。

1983年Gelchincki等人报道了“激光消融技术”镀金，工件预先涂上有机涂层，激光照射后，被照射区的涂层被清除露出基体，从而沉积出金。用此技术得到的镀层质量较好，但存在局部烧焦和溶液被污染等技术故障。

1984年美国桑迪亚实验室提出了用一种叫做“等离子激光沉积”工艺制造集成电路。其方法是让四氢化硅气体在低压下进入反应室，在激光作用下产生等离子体并沉积在基片上。

为了提高电沉积速度，1985年Von Gutfeld等人研究了激光喷射强化电镀新技术，使激光束一、概述

完全为了适应高纵横比通孔电镀的需要。但由于电镀过程的复杂性和特殊性，水平电镀技术的呈现。设计与研制水平电镀系统仍然存在着若干技术性的问题。这有待于在实践过程中加以改进。尽管如此，但水平电镀系统的使用，对印制电路行业来说是很大的发展和进步。因为此类型的设备在制造高密度多层板方面的运用，显示出很大的潜力，不但能节省人力及作业时间而且生产的速度和效率比传统的垂直电镀线要高。而且降低能量消耗、减少所需处理的废液废水废气，而且大大改善工艺环境和条件，提高电镀层的质量水准。水平电镀线适用于大规模产量24小时不间断作业，水平电镀线在调试的时候较垂直电镀线稍困难一些，一旦调试完毕是十分稳定的同时在使用过程中要随时监控镀液的情况对镀液进行调整，确保长时间稳定工作。

PCB制造向多层化、积层化、功能化和集成化方向迅速的发展。促使印制电路设计大量采用微小孔、窄间距、细导线进行电路图形的构思和设计，随着微电子技术的飞速发展。使得PCB制造技术难度更高，特别是多层板通孔的纵横比超过5：1及积层板中大量采用的较深的盲孔，使常规的垂直电镀工艺不能满足高质量、高可靠性互连孔的技术要求。其主要原因需从电镀原理关于电流分布状态进行分析，通过实际电镀时发现孔内电流的分布呈现腰鼓形，出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐渐降低，致使大量的铜沉积在外表与孔边，无法确保孔中央需铜的部位铜层应达到规范厚度，有时铜层极薄或无铜层，严重时会造成无可挽回的损失，导致大量的多层板报废。为解决量产中产品质量问题，目前都从电流及添加剂方面去解决深孔电镀问题。高纵横比PCB电镀铜工艺中，大多都是优质的添加剂的辅助作用下，配合适度的空气搅拌和阴极移动，相对较低的电流密度条件下进行的使孔内的电极反应控制区加大，电镀添加剂的作用才干显示进去，再加上阴极移动非常有利于镀液的深镀能力的提高，镀件的极化度加大，镀层电结晶过程中晶核的形成速度与晶粒长大速度相互补偿，从而获得高韧性铜层。

这两种工艺措施就显得无力，然而当通孔的纵横比继续增大或出现深盲孔的情况下。于是发生水平电镀技术。垂直电镀法技术发展的继续，也就是垂直电镀工艺的基础上发展起来的新颖电镀技术。这种技术的关键就是应制造出相适应的相互配套的水平电镀系统，能使高分散能力的镀液，改进供电方式和其它辅助装置的配合下，显示出比垂直电镀法更为优异的功能作用。

二、水平电镀原理简介

通电后发生电极反应使电解液主成份产生电离，水平电镀与垂直电镀方法和原理是相同的都必须具有阴阳两极。使带电的正离子向电极反应区的负相移动;带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是发生金属堆积镀层和放出气体。因为金属在阴极沉积的过程分为三步：即金属的水化离子向阴极扩散;第二步就是金属水化离子在通过双电层时，逐步脱水，并吸附在阴极的外表上;第三步就是吸附在阴极表面的金属离子接受电子而进入金属晶格中。从实际观察到作业槽的情况是固相的电极与液相电镀液的界面之间的无法观察到异相电子传递反应。其结构可用电镀理论中的双电层原理来说明，当电极为阴极并处于极化状态情况下，则被水分子包围并带有正电荷的阳离子，因静电作用力而有序的排列在阴极附近，最靠近阴极的阳离子中心点所构成的设相面而称之亥姆霍兹(Helmholtz外层，该外层距电极的距离约约1-10纳米。但是由于亥姆霍兹外层的阳离子所带正电荷的总电量，其正电荷量不足以中和阴极上的负电荷。而离阴极较远的镀液受到对流的影响，其溶液层的阳离子浓度要比阴离子浓度高一些。此层由于静电力作用比亥姆霍兹外层要小，又要受到热运动的影响，阳离子排列并不像亥姆霍兹外层紧密而又整齐，此层称之谓扩散层。扩散层的厚度与镀液的流动速率成反比。也就是镀液的流动速率越快，扩散层就越薄，反则厚，一般扩散层的厚度约5-50微米。离阴极就更远，对流所到达的镀液层称之谓主体镀液。因为溶液的发生的对流作用会影响到镀液浓度的均匀性。扩散层中的铜离子靠镀液靠扩散及离子的迁移方式输送到亥姆霍兹外层。而主体镀液中的铜离子却靠对流作用及离子迁移将其输送到阴极表面。所在水平电镀过程中，镀液中的铜离子是靠三种方式进行输送到阴极的附近形成双电层。

以及温差引起的电镀液的流动。越靠近固体电极的外表的地方，镀液的对流的发生是采用外部现内部以机械搅拌和泵的搅拌、电极本身的摆动或旋转方式。由于其磨擦阻力的影响至使电镀液的流动变得越来越缓慢，此时的固体电极表面的对流速率为零。从电极表面到对流镀液间所形成的速率梯度层称之谓流动界面层。该流动界面层的厚度约为扩散层厚度的十倍，故扩散层内离子的输送几乎不受对流作用的影响。

电镀液中的离子受静电力而引起离子输送称之谓离子迁移。其迁移的速率用公式表示如下：u=zeoE/6πrη要。其中u为离子迁移速率、z为离子的电荷数、eo为一个电子的电荷量(即1.61019CE为电位、r为水合离子的半径、η为电镀液的粘度。根据方程式的计算可以看出，电埸的作用下。电位E降落越大，电镀液的粘度越小，离子迁移的速率也就越快。

电镀时，根据电沉积理论。位于阴极上的PCB为非理想的极化电极，吸附在阴极的外表上的铜离子获得电子而被还原成铜原子，而使靠近阴极的铜离子浓度降低。因此，阴极附近会形成铜离子浓度梯度。铜离子浓度比主体镀液的浓度低的这一层镀液即为镀液的扩散层。而主体镀液中的铜离子浓度较高，会向阴极附近铜离子浓度较低的地方，进行扩散，不时地补充阴极区域。PCB类似一个平面阴极，其电流的大小与扩散层的厚度的关系式为COTTRELL方程式。

其电流称为极限扩散电流ii其中I为电流、z为铜离子的电荷数、F为法拉第常数、A为阴极表面积、D为铜离子扩散系数(D=KT/6πrη)Cb为主体镀液中铜离子浓度、Co为阴极表面铜离子的浓度、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、η为电镀液的粘度。当阴极表面铜离子浓度为零时。

极限扩散电流的大小决定于主体镀液的铜离子浓度、铜离子的扩散系数及扩散层的厚度。当主体镀液中的铜离子的浓度高、铜离子的扩散系数大、扩散层的厚度薄时，从上式可看出。极限扩散电流就越大。

要达到较高的极限电流值，根据上述公式得知。就必须采取适当的工艺措施，也就是采用加温的工艺方法。因为升高温度可使扩散系数变大，增快对流速率可使其成为涡流而获得薄而又均一的扩散层。从上述理论分析，增加主体镀液中的铜离子浓度，提高电镀液的温度，以及增快对流速率等均能提高极限扩散电流，而达到加快电镀速率的目的水平电镀基于镀液的对流速度加快而形成涡流，能有效地使扩散层的厚度降至10微米左右。故采用水平电镀系统进行电镀时，其电流密度可高达8A/dm2

就是如何确保基板两面及导通孔内壁铜层厚度的均匀性。要得到镀层厚度的均一性，PCB电镀的关键。就必须确保印制板的两面及通孔内的镀液流速要快而又要一致，以获得薄而均一的扩散层。

要达到薄均一的扩散层，就目前水平电镀系统的结构看，尽管该系统内安装了许多喷咀，能将镀液快速垂直的喷向印制板，以加速镀液在通孔内的流动速度，致使镀液的流动速率很快，基板的上下面及通孔内形成涡流，使扩散层降低而又较均一。但是通常当镀液突然流入狭窄的通孔内时，通孔的入口处镀液还会有反向回流的现象发生，再加上一次电流分布的影响，演经常造成入口处孔部位电镀时，由于尖端效应导致铜层厚度过厚，通孔内壁构成狗骨头形状的铜镀层。根据镀液在通孔内流动的状态即涡流及回流的大小，导电镀通孔质量的状态分析，只能通过工艺试验法来确定控制参数达到PCB电镀厚度的均一性。因为涡流及回流的大小至今还是无法通过理论计算的方法获知，所以只有采用实测的工艺方法。从实测的结果得知，要控制通孔电镀铜层厚度的均匀性，就必需根据PCB通孔的纵横比来调整可控的工艺参数，甚至还要选择高分散能力的电镀铜溶液，再添加适当的添加剂及改进供电方式即采用反向脉冲电流进行电镀才给获得具有高分布能力的铜镀层。

不但要采用水平电镀系统进行电镀，特别是积层板微盲孔数量增加。还要采用超声波震动来促进微盲孔内镀液的更换及流通，再改进供电方式利用反脉冲电流及实际测试的数据来调正可控参数，就能获得满意的效果。

三、水平电镀系统基本结构

将PCB放置的方式由垂直式变成平行镀液液面的电镀方式。这时的PCB为阴极，根据水平电镀的特点。而电流的供应方式有的水平电镀系统采用导电夹子和导电滚轮两种。从操作系统方便来谈，采用滚轮导电的供应方式较为普遍。水平电镀系统中的导电滚轮除作为阴极外，还具有传送PCB的功能。每个导电滚轮都安装着弹簧装置，其目的能适应不同厚度的PCB(0.10-5.00mm)电镀的需要。但在电镀时就会出现与镀液接触的部位都可能被镀上铜层，久面久之该系统就无法运行。因此，目前的所制造的水平电镀系统，大多将阴极设计成可切换成阳极，再利用一组辅助阴极，便可将被镀互滚轮上的铜电解溶解掉。为维修或更换方面起见，新的电镀设计也考虑到容易损耗的部位便于撤除或更换。阳极是采用数组可调整大小的不溶性钛篮，分别放置在PCB的上下位置，内装有直径为25mm圆球状、含磷量为0.004-0.006%可溶性的铜、阴极与阳极之间的距离为40mm。

使镀液在封闭的镀槽内前后、上下交替迅速的流动，镀液的流动是采用泵及喷咀组成的系统。并能确保镀液流动的均一性。镀液为垂直喷向PCB，PCB面形成冲壁喷射涡流。其最终目的达到PCB两面及通孔的镀液快速流动形成涡流。另外槽内装有过滤系统，其中所采用的过滤网为网眼为1.2微米，以过滤去电镀过程中所产生的颗粒状的杂质，确保镀液的干净无污染。

还要考虑到操作方便和工艺参数的自动控制。因为在实际电镀时，制造水平电镀系统时。随着PCB尺寸的大小、通孔孔径的尺寸的大小及所要求的铜厚度的不同、传送速度、PCB间的距离、泵马力的大小、喷咀的方向及电流密度的高低等工艺参数的设定，都需要进行实际测试和调整及控制，才干获得合乎技术要求的铜层厚度。就必采用计算机进行控制。为提高生产效率及高档次产品质量的一致性和可靠性，将PCB的通孔前后处理(包括镀覆孔)依照工艺顺序，构成完整的水平电镀系统，才是满足新品开发、上市的需要。

四、水平电镀的发展优势

产品质量更为可靠，水平电镀技术的发展不是偶然的而是高密度、高精度、多功能、高纵横比多层PCB产品特殊功能的需要是个必然的结果。优势就是要比现在所采用的垂直挂镀工艺方法更为先进。能实现规模化的大生产。与垂直电镀工艺方法相比具有以下优点：

无需进行手工装挂，1)适应尺寸范围较宽。实现全部自动化作业，对提高和确保作业过程对基板表面无损害，对实现规模化的大生产极为有利。

无需留有装夹位置，2)工艺审查中。增加实用面积，大大节约原材料的损耗。

使基板在相同的条件下，3)水平电镀采用全程计算机控制。确保每块PCB的外表与孔的镀层的均一性。

电镀槽从清理、电镀液的添加和更换，4)从管理角度看。可完全实现自动化作业，不会因为人为的错误造成管理上的失控问题。 由于水平电镀采用多段水平清洗，5)从实际生产中可测所知。大大节约清洗水的用量及减少污水处理的压力。

减少对作业空间的污染和热量的蒸发对工艺环境的直接影响，6)由于该系统采用封闭式作业。大大改善作业环境。特别是烘板时由于减少热量的损耗，节约了能量的无谓消耗及大大提高生产效率。