陳世金*，徐緩，羅旭，覃新，韓志偉

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）

1 前言

平板電腦、智能手機(jī)等越來(lái)越多的時(shí)尚消費(fèi)類電子產(chǎn)品的出現(xiàn)給PCB(印制線路板)行業(yè)帶來(lái)了更多的發(fā)展機(jī)遇。該類電子產(chǎn)品的布線密度越來(lái)越大，使二階、三階和高階的HDI(高密度互連)產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，這對(duì)PCB 行業(yè)來(lái)說(shuō)也是一種挑戰(zhàn)。當(dāng)前，多階HDI板的層間互連大多采用盲孔與盲孔對(duì)接的方式，即疊孔設(shè)計(jì)，圖1為一種三階疊孔設(shè)計(jì)的HDI 板。

疊孔設(shè)計(jì)的多階HDI 板一般采用電鍍填盲孔的方式用銅將盲孔填滿[1]。如何運(yùn)用好電鍍填盲孔技術(shù)？電鍍填盲孔的影響因素有哪些？這些都是業(yè)界工作者在做高階HDI 產(chǎn)品前所需要考慮的問(wèn)題。畢竟電鍍填盲孔與傳統(tǒng)電鍍有一定差異，在工藝參數(shù)和流程設(shè)計(jì)上 有更嚴(yán)格的要求，對(duì)電鍍?cè)O(shè)備和物料的要求也有一些特殊，凹陷度(Dimple)、填孔藥液控制的穩(wěn)定性等均是電鍍填盲孔技術(shù)的難點(diǎn)。只有掌握了電鍍填盲孔技術(shù)，才能將其運(yùn)用到疊孔高階HDI 產(chǎn)品的制作之中，并且提升印制電路制作的工藝水平。

圖1 三階疊孔設(shè)計(jì)的HDI 板Figure 1 HDI board with three-step stacked via structure

2 工藝流程和設(shè)備要求

印制線路板制造中電鍍填盲孔所使用的藥液多為硫酸鹽體系，其主要成分為硫酸銅和硫酸，電鍍?cè)砼c傳統(tǒng)電鍍基本相同，主要是利用電鍍添加劑(光亮劑、抑制劑、整平劑等)各成分的作用來(lái)獲得盲孔內(nèi)的填充效果。與傳統(tǒng)電鍍所不同的是，填孔電鍍添加劑中整平劑的用量會(huì)適當(dāng)提高，以促使板面上較高電流密度區(qū)形成Cu2+與整平劑競(jìng)爭(zhēng)的局面，阻止面銅長(zhǎng)快、長(zhǎng)厚，而盲孔中光亮劑分布較多的凹陷處會(huì)相對(duì)鍍得快一些。因此，添加劑是電鍍填孔制程中十分重要的成分，也是目前各PCB 制造商和藥水商研究的熱門課題。在電鍍填盲孔工藝中，工藝流程選擇和設(shè)備要求均有一定的講究，這是做好電鍍填盲孔的必要前提。

2.1 工藝流程

電鍍填盲孔技術(shù)在印制線路板中的應(yīng)用已超過(guò)10年，但是能達(dá)到規(guī)模量產(chǎn)化的廠家并不多，PCB 業(yè)界電鍍填孔的工藝流程分為閃鍍(flash plating)和不閃鍍兩種情況。

2.1.1 閃鍍流程

閃鍍流程是業(yè)界應(yīng)用最早、最廣泛的一種，由于閃鍍后進(jìn)一步增加了盲孔內(nèi)的導(dǎo)通性，會(huì)使填孔效果更好，且可使停放時(shí)間具有更大的靈活性。其流程為：除膠渣/化學(xué)沉銅─閃鍍銅─除油─微蝕─浸酸─填孔電鍍。

一般閃鍍銅厚度控制在3～5 μm，閃鍍過(guò)厚不利于精細(xì)線路的制作。如采用水平化學(xué)沉銅(PTH)和電鍍將會(huì)極大地方便該工藝流程的操作，垂直線也要具備盲孔電鍍制作條件。一般來(lái)說(shuō)，采用噴流器和射流比較有效，常規(guī)打氣、龍門式電鍍線很難保證盲孔底部的鍍銅效果。

2.1.2 不閃鍍流程

不閃鍍流程是業(yè)界近年開(kāi)始嘗試的一種新工藝流程，該流程可縮短制作時(shí)間，減少部分處理工序。其具體流程為：除膠渣/化學(xué)沉銅─除油─浸酸─填孔電鍍。

不閃鍍流程最主要的控制重點(diǎn)是PTH 后的停放時(shí)間管控。有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明：PTH 后的停放時(shí)間對(duì)填孔效果有著密切的關(guān)系，不同的停放時(shí)間所得到的填孔效果存在一定差異。另外，化學(xué)沉銅的厚度和均勻性也會(huì)影響填孔效果，通常建議化學(xué)沉銅的銅層厚度大于0.3 μm[2]。

2.2 設(shè)備要求

無(wú)論是閃鍍流程還是不閃鍍流程，都對(duì)設(shè)備有一定的要求。傳統(tǒng)的陰極移動(dòng)加空氣攪拌的垂直電鍍?cè)O(shè)備已經(jīng)不可能圓滿完成盲孔填充的任務(wù)。填孔電鍍的設(shè)備現(xiàn)大多采用噴射式垂直連續(xù)電鍍線(VCP)或水平電鍍線，所使用的陽(yáng)極有可溶性和不可溶性之分，整流器也有直流和脈沖兩種。常規(guī)電鍍填孔線的技術(shù)要求為：振動(dòng)幅度≥20 mm/s；搖擺幅度±10 cm，周期6～8 次/min；A(陽(yáng)極)∶A(陰極)=1.5∶1.0；噴射泵流速10 GPM，噴嘴為實(shí)心錐狀；整流器輸出偏差≤5%。

在設(shè)備的選擇上還需要根據(jù)各公司產(chǎn)品特點(diǎn)、客戶要求等來(lái)設(shè)計(jì)具體的配置。這樣既可保證良好的填孔效果，也有利于成本的控制。在填孔電鍍中經(jīng)常會(huì)使用到可溶性陽(yáng)極或不溶性陽(yáng)極(用鈦涂陽(yáng)極或其他材料的不溶性陽(yáng)極來(lái)直接取代銅陽(yáng)極)，可溶性陽(yáng)極的缺點(diǎn)是有黑色陽(yáng)極膜生成，鍍液維護(hù)頻率較高(需要定期添加銅陽(yáng)極，進(jìn)行電解、碳處理等)，添加銅陽(yáng)極時(shí)易造成鍍液污染，從而影響鍍液穩(wěn)定性。不溶性陽(yáng)極的缺點(diǎn)是成本較高，但是其穩(wěn)定性好、維護(hù)方便，如生產(chǎn)高端產(chǎn)品，筆者認(rèn)為不溶性陽(yáng)極是一個(gè)理想的選擇。

同時(shí)，為減少陰極上“寄生反應(yīng)”的發(fā)生，對(duì)鍍液中的流動(dòng)布設(shè)有更高的要求，陽(yáng)極材料也需要不斷改進(jìn)。據(jù)悉，De Nora 第五代DT5 型陽(yáng)極材料已經(jīng)研制出來(lái)，對(duì)改善陽(yáng)極性能、減少添加劑的消耗等均有較大的幫助。

3 影響填孔效果的因素

印制線路板中對(duì)電鍍填孔效果的評(píng)判主要通過(guò)填充率(filling ratio)或凹陷度體現(xiàn)，如圖2所示。一般要求填充率≥85%、凹陷度≤10 μm，但不同產(chǎn)品的要求會(huì)有所不同，有些情況還需要對(duì)完成電鍍填孔后的面銅厚度進(jìn)行控制。

圖2 填孔能力表征示意Figure 2 Schematic diagram for characterization of filling ratio

影響電鍍填孔效果的因素可通過(guò)如圖3所示的魚(yú)骨圖加以分析。

圖3 電鍍填孔效果的影響因素Figure 3 Factors affecting the via-filling effectiveness by plating

3.1 設(shè)備設(shè)計(jì)

能否達(dá)到理想的填充效果與設(shè)備設(shè)計(jì)有相當(dāng)重要的聯(lián)系。對(duì)于電鍍填孔設(shè)備，一般都傾向于在傳統(tǒng)銅缸的配置基礎(chǔ)上增加射流設(shè)計(jì)。在銅缸內(nèi)部的設(shè)計(jì)需要注意兩個(gè)問(wèn)題：一是噴管上噴嘴與噴嘴的距離，噴嘴與陰極(PCB 板)的距離，以及噴射面的重合性(即噴嘴須交錯(cuò)排布)；二是噴嘴的形狀設(shè)計(jì)，一定要求是實(shí)心錐形，保證噴射出的效果是一個(gè)“圓面”，而不是一條直線(扇形噴嘴的噴射效果)，這也是出于噴射效果的考慮。

圖4 填孔電鍍的槽體設(shè)計(jì)Figure 4 Design of plating cell for via filling

圖5 噴嘴設(shè)計(jì)Figure 5 Design of nozzle

圖4和圖5分別為標(biāo)準(zhǔn)銅缸噴管和噴嘴的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)都是有一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)際依據(jù)的，如同側(cè)噴管與噴管的距離設(shè)計(jì)為85 mm，是因?yàn)榭紤]到搖擺的擺幅為±10 cm，這樣就可以保證噴射有一定的重合性，設(shè)計(jì)大于100 mm 就會(huì)存在一定的“真空”區(qū)域，無(wú)法保證線路板上所有盲孔都能有藥水噴進(jìn)孔內(nèi)。噴嘴除設(shè)計(jì)為實(shí)心錐形外，還需要在噴嘴的兩側(cè)打兩個(gè)相對(duì)的孔，從而加速藥水的流動(dòng)，使周邊的藥水可以迅速補(bǔ)給到噴嘴內(nèi)。即使使用相同的藥水、添加劑和電鍍參數(shù)，不同設(shè)備的電鍍填孔效果也有很大差異，如表1所示。

表1 不同電鍍?cè)O(shè)備的填孔效果Table 1 Via filling effectiveness of different plating equipments

為保證良好的電鍍填孔效果，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，如噴管有無(wú)破損、噴嘴有無(wú)脫落、噴嘴噴出的效果等。每周都要對(duì)所有影響導(dǎo)電性的設(shè)備部件(如整流器、鞍座、飛巴、火牛線等)進(jìn)行檢測(cè)或維護(hù)。

3.2 電鍍參數(shù)

電鍍參數(shù)也是影響填孔效果的因素之一，用什么樣的電鍍參數(shù)可以達(dá)到最好的填充效果，最省時(shí)間，效率最高？根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，采用小的電流密度會(huì)得到較好的填孔效果，并保證通孔的深鍍能力，但是小電流生產(chǎn)所需時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低、成本高，在激烈競(jìng)爭(zhēng)的今天，采用這種“小電流、長(zhǎng)時(shí)間”的方式進(jìn)行填盲孔制作顯然是不現(xiàn)實(shí)的。這就需要通過(guò)更多的試驗(yàn)來(lái)得出更優(yōu)的電鍍參數(shù)，既獲得良好的填孔效果，又保證生產(chǎn)的高效率。為此，進(jìn)行了幾組試驗(yàn)來(lái)對(duì)比不同電鍍參數(shù)的填孔效果，如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，高電流密度時(shí)盲孔的填充效果較差，尤其是孔徑較小的盲孔在此情況下會(huì)出現(xiàn)孔內(nèi)空洞的現(xiàn)象，而這是品質(zhì)驗(yàn)收中所不能接受的，而且也會(huì)影響到盲孔的可靠性。因此，生產(chǎn)小孔徑類的盲孔板一般建議采用小電流密度制作。從100 μm 孔徑的盲孔填充效果來(lái)看，并不是電流密度最小的填充率最高，這也說(shuō)明孔徑在一定范圍內(nèi)只有采用合適的電鍍參數(shù)，才能使其得到最好的填孔效果。

表2 不同電鍍參數(shù)的填孔效果Table 2 Via filling effectiveness at different plating parameters

葉成鏡和藍(lán)國(guó)興[4]將盲孔電鍍銅的沉積分為3 種類型，即均勻成長(zhǎng)型、非均勻成長(zhǎng)型和爆發(fā)型。他們認(rèn)為在爆發(fā)型的電鍍行為中，依不同相對(duì)沉積速率(RDR)可將整個(gè)電鍍反應(yīng)分為4 個(gè)階段：起始期、爆發(fā)期、回復(fù)期和平衡期。因此，在電流密度的選擇上要特別注意，選擇合適的電流密度不但可以達(dá)到好的填孔效果，而且可以提升生產(chǎn)效率。也有研究表明[5]：在不同的電流密度下爆發(fā)期出現(xiàn)的時(shí)間不同，抓住填孔處于爆發(fā)期之時(shí)調(diào)整電流密度，可以起到事半功倍的效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同電流密度下的填孔爆發(fā)期，結(jié)果如圖6所示(其中縱坐標(biāo)為孔內(nèi)與表面上銅速率比)。實(shí)驗(yàn)用硫酸銅鍍液組成為：CuSO4·5H2O 200 g/L，H2SO480 g/L，Cl-50 mg/L，某公司三組分填孔添加劑適量。

圖6 組合電流密度與單一電流密度填孔爆發(fā)期的對(duì)比Figure 6 Comparison of explosion period by using single and combined current density

從圖6的曲線可以看出，電流密度由12 ASF(曲線A)增加至20 ASF(曲線B)時(shí)，填孔爆發(fā)期的開(kāi)始時(shí)間由施鍍后40 min 提前至10 min，可見(jiàn)電流密度越大，填孔爆發(fā)時(shí)間越早。但爆發(fā)時(shí)間提前并不一定能達(dá)到提高生產(chǎn)效率和得到較好填充效果的目的，還需要將爆發(fā)期持續(xù)的時(shí)間盡量縮短。而采用20 ASF × 20 min + 12 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min 的電流密度組合(曲線C)時(shí)，填孔爆發(fā)期在施鍍后10 min 就開(kāi)始，在40 min 時(shí)結(jié)束，即持續(xù)了僅30 min，比單一電流密度下爆發(fā)期所持續(xù)的時(shí)間都短得多(12 ASF 時(shí)的爆發(fā)期持續(xù)超過(guò)50 min，而20 ASF 時(shí)的爆發(fā)期持續(xù)時(shí)間為40 min)。由此可見(jiàn)，采用大的電流密度可縮短填孔爆發(fā)期來(lái)臨的時(shí)間，爆發(fā)后采用小電流來(lái)維持較高的填孔能力，最終可以獲得較好的填孔效果。

如圖7所示，采用不同電鍍參數(shù)組合(如20 ASF × 20 min + 13 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min)所得的填孔效果比單一電鍍參數(shù)(如16 ASF × 80 min)時(shí)要好，且總的施鍍時(shí)間可縮短15 min。因此，在采用不同電鍍參數(shù)組合進(jìn)行電鍍填孔方面是很值得研究的，也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖7 不同電流密度組合下的填孔效果Figure 7 Via filling effectiveness at different combination schemes of current density

3.3 板材及孔型

基板對(duì)電鍍填孔的影響也不可忽視，介質(zhì)層材料對(duì)填孔有影響是顯而易見(jiàn)的。與玻纖增強(qiáng)材料相比，非玻璃增強(qiáng)材料更容易填孔。值得注意的是，孔內(nèi)玻纖凸出物對(duì)電鍍銅有不利的影響[2]。在這種情況下，難點(diǎn)在于提高化學(xué)鍍種子層的附著力，而非填孔工藝本身，其存在會(huì)影響鍍液在盲孔內(nèi)的交換，電鍍時(shí)易造成孔內(nèi)“空洞”或“封鍍”等問(wèn)題的出現(xiàn)。

除板材對(duì)填孔效果有影響外，鐳射加工的孔型也有一定的影響，因?yàn)樗绊懙剿幩诿た變?nèi)的交換和流動(dòng)。一般鐳射鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)孔型控制如圖8所示，孔壁為直線，孔呈倒梯形(下孔徑為上孔徑的75%～85%)，孔徑控制在90～125 μm，真圓度≥85%，孔口懸伸量(over hang)≤10 μm，F(xiàn)R4 板材孔底側(cè)蝕量(under cut)≤15 μm，RCC 板材則控制在10 μm 以下[6]。

圖8 鐳射鉆孔孔型Figure 8 Typical configuration of laser-drilled via

鐳射后的孔徑、孔深、孔口懸伸量、孔底側(cè)蝕量等對(duì)填孔效果都有一定的影響。孔徑過(guò)大就需要更多的銅來(lái)填滿盲孔，同時(shí)藥水交換不能過(guò)于激烈，否則很難將盲孔填滿；孔徑過(guò)小或過(guò)深則不利于藥水的交換，如果藥水交換不好或電流密度過(guò)大，盲孔內(nèi)極易出現(xiàn)“空洞”問(wèn)題。因此，要想保證電鍍填盲孔效果，除對(duì)板材進(jìn)行選擇外，還必須對(duì)盲孔的孔型、孔壁質(zhì)量等進(jìn)行控制。一般來(lái)說(shuō)，在孔徑、孔深一定的情況下，“倒梯形”的盲孔最有利于藥水的交換，與“梯形”、“腰鼓形”、“底部直角形”等其他孔型相比更容易被填滿。關(guān)于盲孔孔型對(duì)填孔效果的影響在文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)的講解。

3.4 鍍液組成

如前所述，鍍液的組分主要包括無(wú)機(jī)成分(Cu2+、H2SO4、氯離子)和有機(jī)成分(載體光亮劑、整平劑、主光亮劑)兩大類。每種成分都有其各自的作用，且都對(duì)填孔效果有一定的影響。限于篇幅，在此僅針對(duì)最常研究的Cu2+含量進(jìn)行分析。在設(shè)備、電鍍參數(shù)和盲孔規(guī)格均相同的前提下，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出能獲得最佳填孔效果的Cu2+濃度控制范圍。具體數(shù)據(jù)和圖片列于表3。

表3 硫酸銅含量對(duì)填孔效果的影響Table 3 Effect of copper sulfate content on via filling

由以上幾組試驗(yàn)可以看出，隨著Cu2+質(zhì)量濃度上升，填充能力變強(qiáng)，210 g/L 時(shí)能得到最好的填孔效果。隨后繼續(xù)提升Cu2+濃度則凹陷值出現(xiàn)負(fù)值，表明填孔處的銅層有凸起現(xiàn)象，而這種情況不利于品質(zhì)控制。因此，要得到最好的填充效果還要選擇合適的Cu2+濃度。值得注意的是，提高銅離子濃度對(duì)通孔分散能力有負(fù)面影響[2]，如果存在通盲孔共鍍的情況，須慎重調(diào)整Cu2+濃度，而且酸銅比與傳統(tǒng)工藝也有所不同，這是因?yàn)闉榱双@得良好的填孔效果，微導(dǎo)通孔內(nèi)的電鍍 速率應(yīng)大于基板表面的電鍍速率。在這種情況下，與傳統(tǒng)通孔電鍍?nèi)芤旱母咚岬豌~不同，盲孔電鍍?nèi)芤号浞綖榈退岣咩~，才能保證凹陷處銅離子的及時(shí)供應(yīng)。除此之外，H2SO4、氯離子以及電鍍添加劑都會(huì)對(duì)填孔效果造成影響[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

電鍍填盲孔工藝對(duì)設(shè)備、操作等要求較高，設(shè)備及工藝流程的設(shè)計(jì)，酸銅比、添加劑等鍍液參數(shù)的控制，以及電鍍參數(shù)的優(yōu)化等都是控制的關(guān)鍵。只有詳細(xì)了解電鍍填盲孔的工藝原理，深入分析每一個(gè)影響因素的作用機(jī)理，在實(shí)際制作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能更好地運(yùn)用該技術(shù)，得到理想的填孔效果。

隨著PCB 技術(shù)的飛速發(fā)展，多階HDI 板電鍍填盲孔的制作要求將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)，除保證填充率或凹陷度符合要求外，還會(huì)有更多的新要求，如填孔后面銅厚度的控制、圖形電鍍填盲孔技術(shù)的開(kāi)發(fā)等，這對(duì)于精細(xì)線路的制作至關(guān)重要。印制線路板技術(shù)向精細(xì)化、高密度化發(fā)展是必然趨勢(shì)，電鍍填盲孔技術(shù)的廣泛推行將勢(shì)不可擋。因此，對(duì)該技術(shù)的研究要在今后的工作中不斷深入，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、積累成果，逐漸提高技術(shù)水平，從而提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和搶占更多市場(chǎng)先機(jī)。

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