彭 佳 何 為 王 翀（電子科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，四川 成都 610054）陳世金（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）肖定軍 譚 澤（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

添加劑之間的交互作用對盲孔填充的影響

彭 佳 何 為 王 翀
（電子科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，四川 成都 610054）
陳世金
（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）
肖定軍 譚 澤
（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

添加劑作為填孔鍍液中重要的組成成分。本文利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗設(shè)計，研究添加劑間交互作用對盲孔填充的影響，利用Design-Expert軟件分析得出以填充率為響應(yīng)值的回歸方程，并對擬合方程進行方差分析。同時利用該擬合方程，優(yōu)化試驗，得到各添加劑最佳填孔濃度參數(shù)。結(jié)果顯示添加劑間交互作用顯著，其中以光亮劑和整平劑間的交互作用對盲孔填充影響最大。所得擬合方程對試驗數(shù)據(jù)擬合良好，用來優(yōu)化盲孔填充率是可行的。

盲孔；填孔；添加劑；響應(yīng)曲面設(shè)計

1 引言

近年來，電路板的盲孔互連技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[1]。在盲孔孔金屬化工藝中采用填銅結(jié)構(gòu)可以提高電路板層間的導(dǎo)通性，改善產(chǎn)品的導(dǎo)熱性，減少孔內(nèi)空洞，降低傳輸信號損失，這將有利于提高電子產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[2]。而要達到良好的填鍍效果，要求填孔制程開始后盲孔孔底的銅沉積速率高于孔口位置的銅沉積速率，最終達到超等角填充效果，即所謂的“Bottom-up Filling”或“Super Filling”[3]。而在這過程中，填孔鍍液中的各種添加劑之間的交互作用直接影響著填鍍工藝的順利進行。因此，本文運用了曲面響應(yīng)法[4]，研究了各種添加劑間的交互作用對盲孔填充的影響。得出添加劑之間的交互作用曲線，以及最佳的濃度范圍。

2 實驗

2.1 實驗前準備

基材為FR-4材料，板厚為0.1 mm，面積為620 mm×518 mm，面銅厚度為17.1 μm的基板，用1080的PP進行一次壓合，按110 mm×90 mm區(qū)域面積進行CO2激光鉆孔，鉆取孔徑為100 μm的盲孔。經(jīng)化學(xué)沉銅、閃鍍加厚后，將板裁成110 mm×90 mm的小板作為試驗板待用。

本實驗采用哈林槽來進行模擬實驗，所用電源為直流電源，特制哈林槽規(guī)格為1 L，電鍍時采用鈦籃作為不溶性陽極，陰陽極距離為10.5 cm，采用打氣的攪拌方式。電鍍試驗均在室溫下進行。

鍍液基礎(chǔ)成分濃度及電鍍參數(shù)的設(shè)定：

硫酸銅：230 g/L

硫酸：22 ml/L

氯離子：50 mg/L

電鍍時間：50 min

電流密度：1.7 A/dm2～ 1.9A/dm2

根據(jù)實際生產(chǎn)條件，各添加劑的控制范圍是：光亮劑：0.5 ml/L～1.5 ml/L，整平劑：10 ml/L～20 ml/L，運載劑：7 ml/L～17 ml/L。在此基礎(chǔ)上，采用中心復(fù)合設(shè)計來安排試驗，得出各添加劑的因素水平表，如表1所示。

表1 添加劑響應(yīng)曲面分析的因素水平表

2.3 實驗過程

將待用試驗板進行填孔前處理：酸洗→熱水洗→溢流水洗→微蝕→溢流水洗→預(yù)浸。按照響應(yīng)曲面中心復(fù)合設(shè)計表進行試驗驗，填孔后用金相顯微鏡對盲孔橫截面進行觀察。在試驗過程中以微盲孔填充率作為試驗指標。中心復(fù)合設(shè)計表及試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)曲面中心復(fù)合設(shè)計表及試驗結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 盲孔填充率與各變量關(guān)系模型

利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行分析。表3和表4分別為盲孔填充率與各添加劑間多種擬合模型的分析比較。表3為不同模型方差分析比較，從中可看出二次方程模型的擬合效果要好于其它模型。表4對能夠擬合數(shù)據(jù)的各種多項式模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)、均方差和偏差平方和的結(jié)果進行了比較，從比較結(jié)果來看，同樣是二次多項式模型為最優(yōu)。

綜合表3和表4的比較結(jié)果，我們選取二次多項式模型來對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立以盲孔填充率為響應(yīng)值的回歸模型： 其中，Y為填充率（%）；x1為光亮劑濃度（ml/L）；x2為整平劑濃度（ml/L）；x3為運載劑濃度（ml/L）。

對該模型方程進行方差分析和顯著性檢驗，其結(jié)果見表5，該結(jié)果表明填孔鍍液中光亮劑、整平劑和運載劑的含量對盲孔填充效果有較大影響，各因子間交互作用明顯。在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，該模型回歸顯著（P<0.0001），模型的校正決定系數(shù)為R2adj=0.9533，說明該模型能解釋95.33%響應(yīng)值的變化，與實際試驗擬合良好，試驗誤差小，證明該用該模型來優(yōu)化盲孔填充率是可行的。從表5、表6中還可以看出，在試驗濃度范圍內(nèi)，從單因素影響來看，對盲孔填充影響最大的是整平劑和運載劑，光亮劑次之。在各添加劑交互作用下，他們對盲孔填充的影響順序是：（光亮劑×整平劑）>（整平劑×運載劑）>（光亮劑×運載劑）。

表3 多種模型方差分析比較

表4 多種模型R2綜合分析

表5 盲孔填充率方差分析表

表6

我們可以用殘差的正態(tài)圖來進一步確認模型的適合性，如圖1所示。從殘差圖可以看出，大部分真實值都接近預(yù)測值，對稱分布在預(yù)測值的兩側(cè)，說明該模型與實際結(jié)果擬合較好。

圖2、圖3和圖4分別為光亮劑、整平劑和運載劑相互之間的響應(yīng)曲面圖?？梢灾庇^的分析各添加劑間的交互作用對盲孔填充的影響，從中可以看出三者間的交互作用非常明顯。

圖1 以填充率為響應(yīng)值的二次方程模型殘差正態(tài)圖

由圖2和圖3可知，當整平劑和運載劑不變時，隨著光亮劑的增加，盲孔填充率先增加后減小。由添加劑對流吸附機理模型（CDA）可知，在對流、擴散作用下盲孔孔壁銅表面的光亮劑替代了原來的運載劑，光亮劑吸附增加，盲孔孔底Cu+與光亮劑中的S元素形成配合物，從而實現(xiàn)了Bottom-up效果。因此光亮劑含量太低時，分子擴散到孔底處的機率低，盲孔孔底的Cu+與光亮劑中S元素形成配合物的數(shù)量少，不能加快孔底沉積，呈亞等角沉積模式。而光亮劑含量的增加使得其分子到達孔底的機率增大，有利于配合物的形成，加速了孔底銅的沉積，沉積方式為超等角沉積。但過量的光亮劑會破壞各添加劑在盲孔處的分布規(guī)律，從而影響填孔效果。

由圖2、圖4可知，當光亮劑和運載劑不變時，隨著整平劑的增加，盲孔填充率也是先增加后減小。這是因為整平劑是一種含氮雜環(huán)類大分子聚合物，它帶有明顯的正電性，填孔電鍍時主要吸附在高電流密度的孔口處，抑制孔口處的沉積。當其含量太低時，對孔口抑制效果也相應(yīng)降低，增加其含量將使它能有效地吸附在孔口，抑制孔口的電沉積速率，但含量太高時，其擴散到孔內(nèi)的機率也將增大，影響光亮劑在孔內(nèi)的吸附，從而影響盲孔填孔效果。

圖2 光亮劑、整平劑對盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

圖3 光亮劑、運載劑對盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

圖4 整平劑、運載劑對盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

由圖3、圖4可知，當光亮劑和整平劑不變時，隨著運載劑的增加，盲孔填充率先增加后減小。運載劑是一種吸附性極強的大分子表面活性劑。極易吸附在板銅表面，抑制該處的電沉積速率。運載劑含量太低時，不足以在表面形成完整的吸附薄膜，抑制效果差，含量太高則在強烈空氣攪拌下產(chǎn)生過多的泡沫，這些泡沫極易進入孔內(nèi)卻很難及時排出，從而形成空洞。

3.2 優(yōu)化試驗

各因素在選取的試驗范圍內(nèi)，，根據(jù)回歸模型利用Design-Expert 軟件對試驗進行優(yōu)化，分析得出盲孔填鍍過程中各添加劑的最佳條件為：光亮劑為0.92 ml/L，整平劑為12.65 ml/L，運載劑為12.72 ml/L。為了實際操作的便利，確定盲孔填鍍各添加劑的濃度為：光亮劑為0.9 ml/L，整平劑為12.7 ml/L，運載劑為12.7 ml/L，在最佳條件下盲孔填充率為97.38%與預(yù)測值97.45%基本一致。達到了參數(shù)優(yōu)化的目的。其金相切片如圖5所示。

圖5 光亮劑為0.9ml/L，整平劑為12.7ml/L，運載劑為12.7ml/L時100μm盲孔填充橫截面圖

4 結(jié)論

（1）通過采用中心復(fù)合設(shè)計法優(yōu)化試驗，得出填孔鍍液中各添加劑間的交互作用對盲孔填充的影響，繪制出相應(yīng)的響應(yīng)曲面。結(jié)果表明在交互作用下，盲孔填充率隨各添加劑的增加，變化趨勢都為先增加后減小。本文以盲孔填充率為響應(yīng)值，得出以填充率為響應(yīng)值的回歸方程：

其中，Y為填充率（%）；x1為光亮劑濃度（ml/L）；x2為整平劑濃度（ml/L）；x3為運載劑濃度（ml/L）。

該模型的方差分析結(jié)果表明，擬合檢驗極顯著，校正決定系數(shù)為R2adj=0.9533，該方程能較好地預(yù)測盲孔填充率隨添加劑變化的規(guī)律。

（2）響應(yīng)曲面優(yōu)化盲孔填充率的最加添加劑濃度：光亮劑0.9ml/L，整平劑12.7 ml/L，運載劑12.7 ml/L。

該論文得到廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃資助（項目編號：2013C092）。

[1]秦佩,陳長生. PCB微盲孔電鍍銅填平影響因素研究[J]. 電子工藝技術(shù), 2012, 05∶277-280.

[2]周珺成,何為,周國云,王守緒. PCB盲孔鍍銅填孔添加劑研究進展[J]. 印制電路信息, 2012, 07∶35-39.

[3]Takeshi Kobayashi, Junichi Kawasaki, Kuniaki Mihara, et a1. Via-filling using electroplating for build-up PCBs[J]. Electrochimica Acta, 2001(47)∶85～89.

[4]何為,薛衛(wèi)東,唐斌. 優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析[M]. 北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

彭佳，從事印制電路及電子化學(xué)品領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。

The effect of the interaction between different additives on blind via filling

PENG Jia HE Wei WANG Chong CHEN Shi-jin XIAO Ding-jun TAN Ze

In this paper, the response surface methodology was used to optimize the experiment which studies the effect of the interaction between different additives on blind via filling. It obtained and analyzed the regression equation for the filling power as the response to additives through design-expert software. Furthermore, it obtained the optimum conditions of each additive through optimization experiment. The results showed that the interaction between different additives was significant, particularly the one between brightener and leveler. The fitting equation is feasible to be used to optimize the blind via filling because it fits well on the test data.

Blind Via; Filling Plating; Additive; Response Surface Methodology

TN41

A

1009-0096（2014）09-0025-04