掌握高良率製造中的 PCB 電鍍類型及製程控制

PCB 電鍍會將一疊已鑽孔的覆銅板變成可運作的電路。這也是唯一無法從外部直接檢查的製程。電路板上的每個過孔，都是一個內部生長出銅管的孔。阻焊層完成後，你便再也看不到這條銅管。理解以下概念，便能掌握整個主題：銅不會黏附在已固化的環氧樹脂上，而環氧樹脂也不導電，因此製造商必須先在裸露樹脂上形成化學種子層。

圖 1：板件通過垂直連續銅電鍍線

只有完成這一步，電流才可以建立真正關鍵的銅厚。這種先化學處理、再通電增厚的兩步方法，解釋了你會遇到的大部分電鍍類型、缺陷及檢查規則。本指南將說明這兩種機制的差異，以及圖形電鍍與整板電鍍的不同；同時也會介紹 ENIG 及硬金 等表面處理的沉積方式。最後才會討論電鍍液化學成分及電流密度，因為它們決定深孔過孔能否通過回流焊。

PCB 電鍍的基本原理

PCB 電鍍在外觀上像是完成一項工作，實際上卻負責兩個不同任務：在鑽孔內形成垂直連接，以及保護外露銅箔。由於這兩項任務面對的表面完全不同，製程的兩個部分也會使用不同的化學方法。

化學沉積與電鍍機制

剛完成鑽孔的孔壁是一條絕緣管。鑽頭穿過各個銅層，但留下的孔壁是環氧樹脂及玻璃纖維，兩者都不導電。因此，在孔壁尚未導電前，不能直接進行電解電鍍。

圖 2：顯示每個沉積層的鍍通孔截面

1. 化學銅從化學層面解決這個問題：在電鍍液中，甲醛會還原銅離子，使其沉積在帶有鈀催化劑的所有表面，整個過程不需要外部電流。電鍍液不會區分表面是否導電，因此樹脂、玻璃纖維及外露內層銅都會被均勻覆蓋。
2. 真正的銅厚由電解電鍍建立：面板浸入酸性硫酸銅溶液中，並作為陰極。銅會沉積在所有與電路連接的表面，包括剛完成種子處理的孔壁。每個電鍍槽的沉積速度約為 25 µm／小時；電鍍約 1 小時後，孔壁便可達到最終厚度。這一步才會形成真正完成電鍍的孔。

電鍍品質對載流能力及訊號完整性的影響

電流會經由鍍銅孔壁傳輸，而孔壁厚度決定其載流能力。對於 0.3 mm 孔徑，25 µm 孔壁約有 0.024 mm² 銅截面，相當於 1 oz 銅厚下約 0.67 mm 寬的走線。如果孔壁減薄至 18 µm，截面便會減少 28%，令過孔成為整條電流路徑中最窄的位置。機械風險通常高於電阻風險。在 Tg 以下，FR-4 的厚度膨脹率約為 50 ppm／°C；相比之下，銅的膨脹率約為 17 ppm／°C。

孔壁上的薄弱區會集中承受應變，裂紋便會從電鍍層最薄的位置開始。導通測試未必會顯示這個問題，因為裂開的銅桶在室溫下仍可能彼此接觸。電鍍也會影響訊號完整性。以銅為例，在 1 GHz 時，集膚深度約為 2.1 µm。

主要 PCB 電鍍類型及製造技術

常見 PCB 電鍍類型可分為三個家族。它們並不是互相競爭，而是每一種工藝都建立在前一種工藝留下的結果之上。

化學銅與電解電鍍概覽

銅電鍍工藝

• 化學銅：一種自催化製程，無需外部電流，便可在鑽孔內沉積薄薄的導電銅層，主要用於為後續電鍍準備完整孔壁。
• 直接金屬化：使用導電碳、石墨或聚合物取代化學銅。導電薄膜會令孔壁具備電鍍條件，並可避免使用甲醛化學品。
• 電解銅：利用電流在板面及孔壁內建立所需的銅厚。

電解槽添加劑

• 抑制劑：減慢高電流外層表面的沉積速度。
• 光亮劑：促進低電流區域，包括孔中心的沉積速度。
• 整平劑：控制轉角及高點位置的過度堆積。

這些添加劑共同改善電鍍分佈，並有助於在孔壁內形成更均勻的銅厚。

比較分析：圖形電鍍與整板電鍍

圖形電鍍與整板電鍍的差異，主要在於面板何時進行曝光成像。

圖 3：圖形電鍍與整板電鍍流程並列比較

• 整板電鍍會先對整個銅面進行電解電鍍，然後塗覆光阻，再將電路蝕刻到較厚的銅層中。
• 圖形電鍍會先進行曝光成像，只在光阻開口位置電鍍銅，然後覆蓋錫光阻再進行蝕刻。

蝕刻方式令兩者產生不同結果。整板電鍍需要蝕刻液移除走線之間約 60 µm 的銅。圖形電鍍只蝕刻薄薄的基礎銅箔，因為錫光阻會保護已電鍍的電路。側蝕程度會隨蝕刻時間增加，因此更深的蝕刻會令側壁變差。這就是為甚麼整板電鍍難以處理低於約 0.1 mm（4 mil）的線寬及線距。

表面處理電鍍選項（ENIG、沉銀、硬金）

表面處理是最後一道電鍍工序，只會施加在阻焊層露出的銅面區域。裸銅在數日內便會氧化，而氧化焊盤無法可靠上錫。因此，表面處理的作用是讓焊盤在電路板送抵組裝前保持可焊性。

ENIG 代表化學鎳浸金，兩層都不是電解電鍍形成。鎳層會在銅面上形成化學屏障，然後透過置換反應沉積金層，金離子會與鎳原子交換位置。當鎳層被覆蓋後，反應便會停止，因此 ENIG 金層通常只有數十納米。

沉銀採用類似的置換機制，但會直接沉積在銅面上，不需要鎳屏障。這種處理平整且成本較低，但對硫化物及人手接觸較敏感。

硬金則不同，因為它是真正的電解電鍍，並加入鈷硬化處理以提升耐磨性。其厚度足以承受 DDR4 DIMM 或 PCIe 卡邊連接器反覆插拔數百至數千次。

下表列出常見表面處理及其特性：

將硬金電鍍至完整 1 µm 的成本，遠高於只沉積數十納米的金層。因此，硬金通常只限制在接點區域。這篇 表面處理選擇指南 會從組裝角度進一步說明相關取捨。

PCB 電鍍流程逐步拆解

幾乎所有電鍍缺陷都在銅沉積前形成。準備步驟決定種子層能否均勻附着，因此電解階段只能在前面工序留下的基礎上繼續建立銅層。

表面準備：清潔、微蝕及活化

鑽孔會在孔內留下污染物，摩擦熱也會令樹脂熔化並覆蓋外露的內層銅。內層可能因此被一層自身的層壓材料薄膜絕緣。去除這層樹脂污跡是化學工作，而不是機械工作，並且必須最先完成。

圖 4：PCB 電鍍流程的七個準備階段

完整 PCB 電鍍流程會先經過以下七個準備階段，之後面板才會進入電鍍槽：

1. 去污：以 60 至 80 °C 的溶脹劑軟化鑽孔污跡，再使用濃度 55 至 85 g/L 的高錳酸鉀將其氧化去除，最後用還原劑清除錳殘留物。
2. 調節：陽離子調節劑會令樹脂及玻璃纖維帶正電荷，使帶負電的催化劑膠體可以附着其上。
3. 微蝕：受控的過硫酸鹽或過氧化物蝕刻會去除 1 至 2 µm 銅，留下新鮮且略帶粗糙的表面，以提升附着力。
4. 預浸及活化：面板進入膠體鈀槽，通常濃度為 100 至 300 ppm，讓催化劑顆粒遍布所有孔壁。
5. 加速：溫和酸液會剝除鈀膠體上的錫穩定劑，使底下的催化劑暴露並恢復活性。
6. 化學銅：催化表面會生長 0.5 至 2.0 µm 化學銅，使面板從一側至另一側都具備導電性。
7. 閃鍍：短時間電解電鍍會加厚脆弱的種子層，然後面板才會進入主電鍍槽。

調節是悄悄決定附着力的階段，而後續檢查都無法直接看見它。它不會留下可量度的獨立層，因此只有在面板完成電鍍後，才可能發現調節失敗的結果。

預防關鍵電鍍缺陷風險

電鍍缺陷很少是隨機出現。大部分缺陷都源於溶液無法接觸某個表面，或電流無法均勻到達該位置。

減少孔壁空洞及麻點

孔壁空洞是銅桶內未形成電鍍層的缺口。它不是薄弱位置，而是裸露的絕緣介質，因此過孔承載的電流必須繞過該位置。麻點則不同，通常是異物落在中間電鍍層表面後形成的小型凹坑。

圖 5：健康孔壁、孔壁空洞及骨頭形電鍍的微切片

大部分微切片中的空洞，都可追溯至以下五個原因：

• 孔內困住空氣：細小而深的孔會保留氣泡，使溶液無法置換，氣泡後方也無法完成電鍍。潤濕劑、真空輔助或超聲波流動可在催化步驟前打破氣泡。
• 去污不完整：殘留在孔壁上的樹脂會同時阻擋催化劑及銅，使空洞正好出現在需要連接的內層焊盤位置。
• 玻璃纖維突出：突出孔壁的玻璃纖維束會遮擋其後表面，並妨礙活化，令電鍍層繞過該區域。
• 催化劑不足或受污染：鈀濃度過低會令部分區域沒有種子層，而沒有催化位置便無法開始化學銅沉積。
• 電鍍液中的微粒：懸浮固體或有機分解物會在電解電鍍期間沉積於表面，遮擋局部位置並形成電鍍凹坑。

兩種缺陷的特徵方向相反，因此仔細閱讀微切片十分重要。若空洞與內層焊盤對齊，通常指向去污或活化問題；若整個面板分散出現麻點，則更可能與電鍍液過濾有關。

控制高縱橫比導通孔的電鍍分佈

縱橫比是電路板厚度除以成品孔徑，也是預測電鍍問題的單一重要數值。1.6 mm 電路板配合 0.2 mm 過孔時，縱橫比為 8:1。此時，溶液必須穿過八個孔徑的距離，才能從兩端到達中心。拋鍍能力用於量度電鍍液處理這種幾何形狀的能力。

當縱橫比超過約 8:1，拋鍍能力會迅速下降，孔桶會形成骨頭形輪廓：兩端較厚，中間收窄。平均孔壁厚度可能仍符合要求，但最薄位置會遠低於規格，並在回流焊期間產生裂紋。縱橫比是設計變數，而不是製造商的問題，因此修正應在疊層設計階段完成。將 1.6 mm 電路板的過孔維持在 0.3 mm，可讓縱橫比約為 5:1。JLCPCB 公布的規則是，鍍通孔縱橫比不應超過 10:1。這篇 過孔縱橫比指南 會說明各個範圍開始產生影響的位置。

JLCPCB 精密電鍍基礎設施及品質保證

成品電路板上看不到電鍍品質，因此關鍵在於製造商是否量度電鍍結果，並提供實際數據。

自動化電鍍線確保銅厚一致

垂直連續電鍍通常簡稱為 VCP，是大量生產時保持銅厚一致的方式。面板會由移動輸送線懸掛，按固定速度依次經過各個槽體，而電鍍液會以高流量均勻流過整個區域。由於每塊面板都以相同路徑、相同時間通過，面板之間的差異便由機器設定控制，而不是取決於操作員判斷。

外層銅重及孔壁電鍍會在同一槽體內完成，因此兩者會同步變化。選擇 2 oz 外層銅，代表面板需要在電鍍液中停留更長時間，孔壁也會因而變厚，而不是另一個獨立選項。這篇PCB 鍍層厚度指南會說明各種表面處理及銅重如何疊加。

透過切片測試驗證符合 IPC Class 2 及 3

微切片是實際觀察電鍍層的唯一方法。製造商會從面板切下 coupon，將其鑲嵌在環氧樹脂中，然後研磨及拋光至孔中心線，使孔桶壁在顯微鏡下完整暴露。IPC-TM-650 方法 2.1.1 定義了這項程序，讓不同製造商的數據可以互相比較。

圖 6：熱應力測試後進行量測的拋光微切片 coupon

量測會按照既定位置進行，而不是只讀取單一數值。孔壁厚度會在孔桶周圍及不同高度量度，因為單一讀數無法區分均勻 20 µm 孔壁與平均值相同但中間收窄的骨頭形電鍍。最小數值才決定結果是否合格。

設計師最容易低估的是第二行，因為孔桶平均厚度可以達到 22 µm，但仍可能存在只有 12 µm 的薄區並因此失效。Class 3 同時收緊平均值及最低值，而額外的製程控制主要用於確保最低值。

PCB 電鍍常見問題

結語

PCB 電鍍很容易被視為製造商提供的固定服務，但其中幾乎每個變數都會受到原理圖及設計決策影響。孔徑決定縱橫比，銅重決定電鍍時間，線路間距決定採用圖形電鍍還是整板電鍍，而電路板上的連接器則決定表面處理。作出這些選擇時，它們未必看似與電鍍有關。最值得建立的習慣，是關注最薄位置，而不是只看平均值。

平均孔壁厚度可以通過報告，但真正的薄區可能在現場第四次熱循環後開裂。隨着電路板變薄、過孔變小，平均值與最低值之間的差距只會擴大。因此，微切片數據值得仔細閱讀，而不是存檔後置之不理。JLCPCB 公布的電鍍規格及符合 IPC 的檢查，讓普通原型訂單也能取得這些數據，從而驗證設計假設。