本发明属于金属电镀及电沉积技术领域，具体涉及一种电镀液分散能力评价装置及其评价方法。
背景技术：
金属电镀技术广泛用于表面修饰、电气互连、电子封装等领域。在实际电镀应用过程中，由于镀件表面凹凸不平或者镀件几何外形不规则等原因，会导致镀件上不同受镀区域与电镀阳极的距离不一致。这种距离不一致会导致镀件上镀层厚度均匀性变差，进而使镀层耐腐蚀性、电气连接可靠性、封装可靠性受到影响。为了解决这一问题，目前通常会对电镀液配方及工作条件进行调整，以提高电镀液的分散能力(tp，throwingpower)，进而提高镀层的均匀性。
为了测试电镀液的分散能力，目前通常采用远近阴阳极法、弯曲阴极法、霍尔槽法等方法。远近阴阳极法通过设置距离阳极不同距离的两块平行阴极板，电镀20～30分钟后，通过两块阳极板上镀层增加的质量比值来评价镀液的分散能力。弯曲阴极法是利用特定几何外形的阴极测试板，电镀10～20分钟，然后测量测试板上4个区域的镀层厚度并计算来评价镀液的分散能力。霍尔槽法是利用阴极测试板与阳极板不平行带来的距离差异，电镀10～20分钟后，通过测量测试板上特定8个区域上的镀层厚度并计算来评价镀液的分散能力。上述测试方法通过特殊的实验装置和计算方法，能相对客观地评价镀液的分散能力。但是上述方法所需电镀时间长，而且需要对测试板进行称量或镀层厚度测量才能评价分散能力，操作繁琐，工作量大，增加了导致实验结果误差的不可控变量；另一方面，上述测试方法采用的测试板受镀面积大，对其重量和厚度的测量存在较大的误差，因此对镀液的微观分散能力的评价能力很弱。
目前，由于仪器设备的精细化程度越来越高，电子设备的小型化和便携性需求也越来越大，金属电镀液的微观分散能力受到越来越多的重视。如何实现快速、准确、经济地测量镀液的微观分散能力，成为金属电镀领域亟需解决的问题。
技术实现要素：
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种电镀液分散能力评价装置及其评价方法。该装置中采用包括与电镀阳极距离不同的第一电镀阴极和第二电镀阴极的电镀阴极组件，通过测量第一电镀阴极和第二电镀阴极上的电流，即可实现对电镀液分散能力的评价，测量速度快，测量值准确，能实现对镀液的微观分散能力的评价。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电镀液分散能力评价装置，其特征在于：包括电源、电镀槽、电镀阳极、电镀阴极组件，其中，所述电镀阴极组件与所述电镀阳极平行设置；所述电镀阴极组件靠近电镀阳极侧的表面设置有第一电镀阴极，所述第一电镀阴极通过电气互连线路连接在一起形成一个阵列；所述电镀阴极组件的表面还设置呈阵列式分布的通孔或盲孔；所述通孔的孔壁上设置有一个或者多个第二电镀阴极，所述盲孔的孔底或者侧壁设置有一个或者多个第二电镀阴极；设置在通孔或者盲孔上相同几何位置的第二电镀阴极通过电气互连线路连接在一起形成一个阵列；第二电镀阴极阵列与电镀阳极之间的距离大于第一电镀阴极阵列与电镀阳极之间的距离。
进一步地，所述通孔或盲孔的方向与电镀阴极组件的表面垂直。
进一步地，所述电气互连线路不与电解液接触；本实施例将电气互连线路埋嵌于电镀阴极组件内。
进一步地，所述第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列分别与电流测量电路连接。
进一步地，采用数字源表测量电流，所述数字源表电压降＜200μv。
进一步地，所述数字源表与计算机连接，所述数字源表以1～1000点/秒的采样频率对第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列的电流强度进行采样。
根据本发明实施例，设置在通孔或者盲孔侧壁上的第二电镀阴极具体为与所述通孔或者盲孔同心的圆形带状电镀阴极。
根据本发明实施例，设置在盲孔孔底的第二电镀阴极具体为与所述盲孔同心的圆片状电镀阴极。
根据本发明实施例，所述电镀阳极的下方设置有恒温加热装置，电镀槽的底部设置有镀液循环装置。
另一方面本发明还提供基于上述装置的电镀液分散能力评价方法，其特征在于，分别测量第一电镀阴极阵列的电流和每个第二电镀阴极阵列的电流，以第二电镀阴极阵列上电流与第一电镀阴极阵列上电流的比值大小及变化来评价电镀液的分散能力。
若第二电镀阴极阵列上电流与第一电镀阴极阵列上电流的比值越大，电镀液的分散能力越好；若第二电镀阴极阵列上电流与第一电镀阴极阵列上电流的比值越小，电镀液的分散能力越差。具体地，定义第一电镀阴极阵列上的电流为i1，定义在通孔或盲孔不同位置上的第二电镀阴极阵列上电流分别为i2、i3、…、in+1，其中，n≥1，则若第二电镀阴极阵列上电流(i2、i3、…、in+1)与第一电镀阴极阵列上电流(i1)的比值越大，即i2/i1、i3/i1、…、in+1/i1越大，电镀液的分散能力越好；若第二电镀阴极阵列上电流(i2、i3、…、in+1)与第一电镀阴极阵列上电流(i1)的比值越小，即i2/i1、i3/i1、…、in+1/i1越接近0，电镀液的分散能力越差。本结论适用于同一电镀体系或者不同电镀体系的评价。
根据本发明实施例，当第二电镀阴极只设置在通孔孔壁中间区域，或者当第二电镀阴极只设置在盲孔孔底；此时，第一电镀阴极上的电流为i1，第二电镀阴极中的电流为i2，若第二电镀阴极上电流与第一电镀阴极上电流的比值越大，即i2/i1越大，电镀液的分散能力越好；若第二电镀阴极上电流与第一电镀阴极上电流的比值越小，即i2/i1越接近0，电镀液的分散能力越差。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种电镀液分散能力评价装置及其评价方法，采用包括与电镀阳极距离不同的第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列作为电镀阴极组件，通过测量第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列上的电流，即可实现对电镀液分散能力的评价，测量速度快，测量值准确，能实现对镀液的微观分散能力的评价。
2、本发明提出的电镀液分散能力评价装置中，电镀阴极组件包括位于其表面的第一电镀阴极阵列和位于其通孔或盲孔内的第二电镀阴极阵列，通过在电镀阴极组件上开孔实现第二电镀阴极阵列与电镀液的接触，很好地还原了镀件上微观区域的流场环境和电场串扰，以及受扩散控制的物质传递差异，因此能更加准确地评价镀液的微观分散能力；同时，电镀阴极组件孔中的第二电镀阴极阵列与其表面的第一电镀阴极阵列与电镀阳极之间的距离是不一样的，也可实现对镀液在受限流场条件下的宏观分散能力的评价。
3、本发明提出的一种电镀液分散能力评价装置及其评价方法中，采用计算机对数字源表测量的数据进行处理，处理速度快，评价误差小。
附图说明
图1为本发明提供的一种电镀液分散能力评价装置的结构示意图；其中，1-电源；2-电镀槽；3-电镀阳极；4-电镀阴极组件；5-电镀阴极组件表面的第一电镀阴极阵列；6-电镀阴极组件内部的第二电镀阴极阵列；7-第二数字源表a2；8-第一数字源表a1；9-恒温加热装置；10-镀液循环装置接口；11-电镀液液面；12-计算机。
图2为设置通孔的电镀阴极组件的结构示意图；其中，4-1-1为第一电镀阴极，4-1-2为电镀阴极组件中的通孔，4-1-3为第二电镀阴极，4-1-4为第一电镀阴极间的电气互连线路，4-1-5为第二电镀阴极间的电气互连线路，4-1-6为第一电镀阴极接线处，4-1-7为第二电镀阴极接线处；
图3为设置盲孔的电镀阴极组件的结构示意图；其中，4-2-1为第一电镀阴极，4-2-2为电镀阴极组件中的盲孔，4-2-3为位于盲孔底部的第二电镀阴极，4-2-4为第一电镀阴极间的电气互连线路，4-2-5为第二电镀阴极间的电气互连线路，4-2-6为第一电镀阴极接线处，4-2-7为第二电镀阴极接线处。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细、完整的阐述：
一种电镀液分散能力评价装置，其特征在于：包括电源、电镀槽、电镀阳极、电镀阴极组件，其中，所述电镀阴极组件与所述电镀阳极平行设置；所述电镀阴极组件靠近电镀阳极侧的表面设置有第一电镀阴极，所述第一电镀阴极通过电气互连线路连接在一起形成一个阵列；所述电镀阴极组件的表面还设置呈阵列式分布的通孔或盲孔；所述通孔的孔壁上设置有一个或者多个第二电镀阴极，所述盲孔的孔底或者侧壁设置有一个或者多个第二电镀阴极；设置在通孔或者盲孔上相同几何位置的第二电镀阴极通过电气互连线路连接在一起形成一个阵列；第二电镀阴极阵列与电镀阳极之间的距离大于第一电镀阴极阵列与电镀阳极之间的距离。
其中，分别对第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列上的电流进行测量的数字源表的电压降＜200μv，能以1～1000点/秒的采样频率对第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列上的电流强度进行采样。采集得到的第一电镀阴极阵列上的电流(i1)和第二电镀阴极阵列上的电流(i2、i3、…、in+1)传输至计算机进行数据分析与处理；所述计算机能设置数字源表采样频率，收集并处理各个数字源表的采样数据，但对数字源表型号和计算机操作系统和硬件配置不做特定要求。
下面结合说明书附图对本发明的电镀液分散能力评价装置进行详细说明：
图1为本发明具体实施例提供的一种电镀液分散能力评价装置，包括电源1、电镀槽2、电镀阳极3、电镀阴极组件4及数字源表、恒温加热装置9、镀液循环装置接口10和计算机12，本实施例中电镀阳极3与电镀阴极组件4为平板形状，并分别设置于电镀槽2的两端；所述电镀阴极组件4靠近电镀阳极3侧的表面设置有第一电镀阴极阵列5，所述电镀阴极组件4的表面还设置呈阵列式分布的通孔或盲孔；每个通孔的孔壁中间区域设置有一个与所述通孔同心的圆形带状第二电镀阴极，或者每个盲孔的孔底设置有一个与所述盲孔同心的圆片状第二电镀阴极；所述圆形带状第二电镀阴极或所述圆片状第二电镀阴极通过电气互连线路连接在一起形成第二电镀阴极阵列6；第一数字源表8设置在第一电镀阴极阵列5和电源负极之间，第二数字源表7设置在第二电镀阴极阵列6和电源负极之间；通过第一数字源表8和第二数字源表7对第一电镀阴极阵列5和第二电镀阴极阵列6上的电流进行测量，所述第一数字源表8和第二数字源表7均与计算机12连接，以实现对电镀液分散能力的评价；电镀阳极3下方的电镀槽2的底部还设置有恒温加热装置9，电镀阴极组件4下方的电镀槽2的底部还设置有镀液循环装置接口10，用于镀液循环装置接入。
如图1所示电镀液分散能力评价装置中，第一电镀阴极阵列5与电镀阳极3之间的距离比第二电镀阴极阵列6与电镀阳极3之间的距离短，在第一电镀阴极阵列5和电源负极之间接入一个内阻为零的第一数字源表8(即a1)，在第二电镀阴极阵列6和电源负极之间接入一个内阻为零的第二数字源表7(即a2)，且第一电镀阴极阵列5和第二电镀阴极阵列6并联。
在电镀的过程中，由于第一电镀阴极阵列5与电镀阳极3之间的距离更近，因此，第一电镀阴极阵列5上通过的电流强度i1比第二电镀阴极阵列6上通过的电流强度i2大，即i2/i1＜1。若电源1施加的总电流强度不变，第一电镀阴极阵列5和第二电镀阴极阵列6的大小不变，且二者与电镀阳极3的距离均不变时，电镀液的分散能力发生变化，则通过第一电镀阴极阵列5和第二电镀阴极阵列6上的电流强度比值也会随之发生变化。通过分析i2/i1的变化能感知分散效果的变化，如果电镀液分散能力提高，那么i2/i1会增大，如果电镀液的分散能力降低，那么i2/i1会减小；同时通过分析i2/i1的值能判断分散效果的优劣，如果i2/i1的值越大，电镀液的分散能力越好，如果i2/i1的值越接近0，则电镀液的分散能力越差。
从上述内容可知，对于同一个电镀液体系而言，i2/i1的比值可以直观的评价电镀液温度、电镀液对流方式与强度、电镀施镀电流密度改变对电镀液分散能力的影响；除此之外，还可以通过i2/i1的比值的变化来评价电镀液组成的改变对电镀液分散能力的影响。对于不同的电镀液体系而言，也可以在不改变电镀条件的情况下，通过i2/i1的比值来评价电镀液的分散能力，i2/i1的比值越大，电镀液的分散能力越好。
图2示出了设置通孔的电镀阴极组件的结构示意图。当电镀阴极组件4中设置的孔为通孔4-1-2时，所述通孔4-1-2设置方向与电镀阴极组件4的表面垂直；所述第一电镀阴极阵列5包括设置在电镀阴极组件4靠近电镀阳极3一侧表面的多个第一电镀阴极4-1-1，这些第一电镀阴极4-1-1通过埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路4-1-4连接在一起，并从设置在电镀阴极组件4顶部的第一电镀阴极接线处4-1-6引出接入到电路中；第二电镀阴极4-1-3设置在电镀阴极组件4的通孔孔壁中点位置上，本实施例中第二电镀阴极4-1-3具体为与所述通孔同心的圆形带状电镀阴极，多个第二电镀阴极4-1-3通过埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路4-1-5连接在一起形成第二电镀阴极阵列6，第二电镀阴极阵列6通过设置在阴极组件顶部的第二电镀阴极接线处4-1-7引出并接入到电路中。其中，埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路不与电镀液接触。
图3示出了设置盲孔的电镀阴极组件的结构示意图。当电镀阴极组件4中设置的孔为盲孔4-2-2时，所述盲孔4-2-2设置方向与电镀阴极组件4的表面垂直；所述第一电镀阴极阵列5包括设置在电镀阴极组件4靠近电镀阳极3一侧表面的多个第一电镀阴极4-2-1，这些第一电镀阴极4-2-1通过埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路4-2-4连接在一起，并从设置在电镀阴极组件4顶部的第一电镀阴极接线处4-2-6引出接入到电路中；第二电镀阴极4-2-3设置在电镀阴极组件4的盲孔孔底上，本实施例中第二电镀阴极4-2-3具体为与所述盲孔同心的圆片状电镀阴极；多个第二电镀阴极4-2-3通过埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路4-2-5连接在一起形成第二电镀阴极阵列6，并从设置在电镀阴极组件4顶部的第二电镀阴极接线处4-2-7引出并接入到电路中。其中，埋嵌在电镀阴极组件4内部的电气互连线路不与电镀液接触。
其中，所述电镀阳极3和电镀阴极组件4分别安装在电镀槽2两端的固定位置，但对固定方式不做特定要求。所述电镀槽2应当耐腐蚀，耐高温，且不与电镀液反应，本发明对电镀槽2的材质不做特别要求，可以是有机玻璃、铁氟龙等。本发明中要求尽量减小电路中的接触电阻和线路电压降，但对线材和接线方式不做特别要求。
其中，本发明要求数字源表电压降＜200μv，能以1～1000点/秒的采样频率对第一电镀阴极阵列5和第二电镀阴极阵列6的电流强度进行数据采样，并且传输到计算机12进行数据分析与处理。所述计算机12需能设置数字源表采样频率，收集并处理各个数字源表的采样数据，但对数字源表型号和计算机操作系统和硬件配置不做特定要求。
下面结合具体实施案例和说明书附图对本发明的电镀液分散能力评价装置及其评价方法进行详细说明：
实施例：
电镀阴极组件制作：
本实施例采用高密度互连印制电路板制造方法制作电镀阴极组件，电镀阴极组件长150mm、宽50mm。本实施例采用板厚1mm、面铜厚度18μm的双面覆铜板作为内层l2和l3，然后制作内层图形，内层图形为除去左、右、下三边边缘5mm铜层的大铜面，然后采用75μm的半固化片和12μm铜箔压合制作出外层l1和l4。在l1层上制作第一电镀阴极阵列5、第一电镀阴极间电气互连线路4-2-4、第一电镀阴极接线处4-2-6以及第二电镀阴极接线处4-2-7；所述第一电镀阴极阵列5由4个与电镀阴极组件4长边边缘的距离为15mm的第一电镀阴极4-2-1组成，第一电镀阴极4-2-1长为20mm、宽为0.1mm。此外，在第二电镀阴极接线处4-2-7制作11×11个孔径100μm、间距0.5mm的连接l1与l2层的盲孔，采用化学镀铜和电镀填盲孔的方法实现l1与l2层间的电气互连，然后在l1和l4层上制作阻焊油墨层，并在第一电镀阴极4-2-1所在区域开窗，使得第一电镀阴极4-2-1显露，而第一电镀阴极间的电气互连线路4-2-4被阻焊层覆盖，同时在第一电镀阴极接线处4-2-6和第二电镀阴极接线处4-2-7的位置开窗，从而将第一电镀阴极阵列和第二电镀阴极阵列引出并接入到电路中，然后通过激光在l1与l2层之间制作盲孔4-2-2，盲孔直径100μm，盲孔中心间距1mm，盲孔设置于第一电镀阴极4-2-1之间，阴极组件短边方向设置25个盲孔，长边方向设置6个盲孔，盲孔阵列的中心位于相邻第一电镀阴极4-2-1间区域的中心，这样在4个第一电镀阴极4-2-1之间制作形成25×6×3的盲孔阵列；在盲孔的底部l3层会得到25×6×3个第二电镀阴极4-2-3组成的第二电镀阴极阵列6。
电镀液分散能力评价：
本实施例以印制电路板电镀铜电镀液为对象，评价电镀液硫酸铜与硫酸浓度比、电流密度、电镀液温度对电镀液分散能力的影响。其具体过程如下：
电镀液酮酸比：在长宽高分别为10cm、6cm、12cm的电镀槽中加入750ml电镀液，电镀液a含五水硫酸铜75g/l、硫酸220g/l，氯离子60mg/l，电镀液b含五水硫酸铜220g/l、硫酸75g/l，氯离子60mg/l。在加入电镀液a或者电镀液b中的一种后，将长宽分别为15cm、5cm的磷铜电镀阳极固定在电镀槽的一端，将实施例制作的电镀阴极组件固定在电镀槽的另一端。将电镀槽和数字源表接入电路中，保持微型计算机与数字源表的通讯畅通，采用打气泵打气对镀液进行搅动，气流量2l/min。电源施加2.75μa电流，持续10min，数字源表7、8采样数据为10点/秒。实验结果表明，使用电镀液a时i2/i1的比值比使用电镀液b时大，这说明提高电镀铜电镀液中硫酸的浓度，能提高电镀液的分散能力。
电流密度：在长宽高分别为10cm、6cm、12cm的电镀槽中加入750ml电镀液，电镀液含五水硫酸铜75g/l、硫酸220g/l，氯离子60mg/l。将长宽分别为15cm、5cm的磷铜电镀阳极固定在电镀槽的一端，将实施例制作的电镀阴极组件固定在电镀槽的另一端。将电镀槽和数字源表接入电路中，保持微型计算机与数字源表的通讯畅通，采用打气泵打气对镀液进行搅动，气流量2l/min。电源分别施加2.75μa和5.5μa电流，各持续10min，数字源表采样数据为10点/秒。实验结果表明，提高电源施加电流强度，i2/i1的比值减小，这说明施加电流密度提高，电镀液分散能力降低。
电镀液温度：在长宽高分别为10cm、6cm、12cm的电镀槽中加入750ml电镀液，电镀液含五水硫酸铜75g/l、硫酸220g/l，氯离子60mg/l。将长宽分别为15cm、5cm的磷铜阳极固定在电镀槽一端，将电镀阴极组件固定在电镀槽的另一端。将电镀槽和数字源表接入电路中，保持微型计算机与数字源表的通讯畅通，采用打气泵打气对镀液进行搅动，气流量2l/min。电源施加2.75μa电流，持续10min，数字源表采样数据为10点/秒。然后将电镀液加热至45℃，更换新的实施例制作的电镀阴极组件，气流量2l/min，电源分别施加2.75μa电流，持续10min，数字源表采样数据为10点/秒。实验结果表明，提高镀液温度，i2/i1的比值减小，这说明电镀液温度提高，电镀液分散能力降低。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种方式，其描较为具体和详细但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出是，于本领域普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进这些都属于保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权要求为准。