朱 凱 王 翀 何 為（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）程 驕 肖定軍（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

一種快速填盲孔的工藝及原理研究

Paper Code: S-017

朱 凱 王 翀 何 為
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）
程 驕 肖定軍
（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

消費(fèi)電子的快速發(fā)展推動(dòng)HDI需求的持續(xù)增長，電鍍填盲孔是HDI制造中必不可少的工序之一?？焖偬蠲た讓χ谱骶?xì)線路、控制成本、提高產(chǎn)能都是有利的。本文探討了一種新的填盲孔工藝，在不改變現(xiàn)有電鍍體系的基礎(chǔ)上，僅通過改變工序，可以將填盲孔時(shí)間從60 min縮短到40 min，微凹＜5 μm，面銅厚度控制在（12±0.5）μm。文章還采用電化學(xué)方法和SEM圖對新工藝的快速填盲孔原理進(jìn)行了初步研究，研究結(jié)果表明，采用新工藝，可以在電鍍工序之前實(shí)現(xiàn)盲孔板不同位置添加劑的選擇性吸附，具體表現(xiàn)為盲孔底部吸附有高濃度的光亮劑，而板面光亮劑濃度較低。

高密度互連；快速填盲孔；電化學(xué)；選擇性吸附

1 引言

近年來，以智能手機(jī)和穿戴設(shè)備為代表的消費(fèi)電子市場持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)著PCB行業(yè)HDI（High Density Interconnect Technology）的需求量持續(xù)增加。電鍍填盲孔技術(shù)操作簡單、成本低廉、可靠性高、技術(shù)成熟，是目前HDI主要采用的工藝，也是實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)所使用的最廣泛的工藝[1][2]。

縮短電鍍填盲孔的時(shí)間，一方面能直接提高生產(chǎn)效率，減少鍍銅量，降低成本；另一方面，消費(fèi)電子的需求促進(jìn)PCB繼續(xù)朝小型化、高集成化發(fā)展，而縮短填孔時(shí)間，可以有效降低面銅厚度，降低蝕刻時(shí)側(cè)蝕的影響，從而有利于制作線寬線距更小的精細(xì)線路。因此研究快速填盲孔的技術(shù)對PCB行業(yè)的發(fā)展具有重要作用[3]。

2 電鍍填盲孔技術(shù)原理

電鍍填盲孔技術(shù)屬于電鍍銅的一種，電鍍銅的原理是在陽極和陰極（鍍件）之間施加一定電流，鍍液中的Cu2+在陰極表面得到電子還原成Cu，并沉積在陰極表面形成銅鍍層。電鍍銅溶液有氰化物體系，焦磷酸鹽體系，硫酸鹽體系和氟硼酸鹽體系，電子產(chǎn)品制造中主要使用酸性硫酸鹽體系[4]。

電鍍填盲孔技術(shù)是在銅電鍍液中加入合理的添加劑改變盲孔板不同位置的電流分布來實(shí)現(xiàn)盲孔填充。目前PCB行業(yè)使用的硫酸銅體系的電鍍銅配方所使用的添加劑主要有加速劑、抑制劑和整平劑三種[5]。Dow等[6]采用電化學(xué)方法以不同工作電極轉(zhuǎn)速模擬研究了對流強(qiáng)度對添加劑競爭吸附的影響。Dow等[7]還通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過分子自組裝的方式即可在盲孔板板面、孔壁和孔底的銅層上吸附SPS和MPS，后續(xù)電鍍填盲孔時(shí)即使鍍液中沒有光亮劑，電鍍銅填孔所需要的加速作用也會(huì)出現(xiàn)。

Moffat等[8]提出的CEAC（Curvature Enhanced Accelerator Coverage，曲率提升加速劑覆蓋率）機(jī)理認(rèn)為填孔過程中幾何外形變化改變局部添加劑濃度導(dǎo)致“bottom-up”現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)盲孔的填充。Dow等[9]提出的CDA （Convection Dependent Adsorption，對流有關(guān)性吸附）理論認(rèn)為盲孔板孔底和板面的不同對流情況也會(huì)產(chǎn)生“bottom-up”現(xiàn)象。提高電鍍填盲孔的速度就是要采取適當(dāng)?shù)姆绞郊涌臁癰ottom-up”的速度，包括合適的添加劑體系和工藝方法。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及藥水

設(shè)備：穩(wěn)壓電源，哈林槽，磨拋機(jī)，金相顯微鏡，辰華660C電化學(xué)工作站，Jeoljsm-6510LV掃描電子顯微鏡。

藥水：市售通孔電鍍藥水、市售填孔電鍍藥水，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、光亮劑，抑制劑，整平劑等。

3.2 快速填盲孔工藝研究

實(shí)驗(yàn)在1.5 L哈林槽中進(jìn)行，采用底部打氣的攪拌方式，氣流量為2.5 L/min。預(yù)鍍槽VMS（Virgin makeup solution）組成為CuSO4·5H2O 75g/L，H2SO4240 g/L，Cl–0.006%。填孔槽VMS組成為CuSO4·5H2O 220 g/L，H2SO2450 g/L，Cl–60 ppm。測試板厚度1.5 mm，盲孔厚徑比100∶75 μm，具有可靠的孔金屬化層。

實(shí)驗(yàn)首先按照傳統(tǒng)填盲孔的工藝路線進(jìn)行填孔電鍍，實(shí)驗(yàn)流程為：

除油（5min）→水洗→預(yù)鍍→水洗→酸浸→填孔電鍍

預(yù)鍍槽各添加劑濃度分別為：光亮劑0.4 ml/L，抑制劑8 ml/L，整平劑2 ml/L。填孔電鍍槽各添加劑濃度分別為：光亮劑0.8 ml/L，抑制劑8 ml/L，整平劑2 ml/L。電流密度為1.5 A/dm2，預(yù)鍍時(shí)間5 min，填孔電鍍時(shí)間分別為60 min、40 min，填孔效果如圖1、圖2。

圖1 1.5A/dm2＊60min填孔效果圖（dimple＜5μm，面銅18μm±1μm）

圖2 1.5A/dm2＊40min填孔效果圖（dimple＞25μm）

實(shí)驗(yàn)采用快速填盲孔工藝進(jìn)行填孔電鍍，實(shí)驗(yàn)流程為：

除油（5 min）→水洗→預(yù)鍍→水洗→預(yù)浸→填孔電鍍

其中預(yù)浸槽中含10%的H2SO4、光亮劑2 ml/L等。預(yù)鍍槽各添加劑濃度分別為：光亮劑0.4 ml/L，抑制劑8 ml/L，整平劑2 ml/L。填孔電鍍槽中各添加劑濃度分別為：光亮劑0.2 ml/L，抑制劑8 ml/L，整平劑2 ml/L。電流密度1.5 A/dm2，預(yù)鍍時(shí)間5 min，填孔電鍍時(shí)間40 min，填孔效果如圖3。

圖3 快速填盲孔工藝1.5A/dm2＊40min填孔效果（dimple＜5μm，面銅12±0.5μm）

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述快速填盲孔工藝的填孔能力，采用不同厚徑比的盲孔板進(jìn)行填孔實(shí)驗(yàn)，被測試盲孔規(guī)格包括厚徑比50∶75 μm、厚徑比75∶75 μm、厚徑比75∶100 μm、厚徑比100∶100 μm。填孔效果如圖4。

上述實(shí)驗(yàn)可以證明，快速填盲孔工藝可以在不改變添加劑種類，僅改變工序的條件下，通過增加預(yù)浸步驟，可以將厚徑比100∶75 μm的盲孔填孔時(shí)間從60 min縮短到40 min，同時(shí)保證填孔dimple＜5 μm，面銅厚度控制在（12±0.5）μm的范圍內(nèi)。同時(shí)該工藝也可以對其他規(guī)格的高厚徑比的盲孔實(shí)現(xiàn)快速填孔。

圖4 快速填孔工藝對不同規(guī)格盲孔填孔效果圖

3.3 快速填盲孔工藝原理研究

為了進(jìn)一步研究快速填盲孔工藝的原理，分別采用電化學(xué)模擬研究盲孔板孔底和板面銅沉積環(huán)境，并采用SEM圖分析預(yù)浸步驟后盲孔板不同位置添加劑的吸附狀態(tài)。

3.3.1 快速填盲孔工藝電化學(xué)模擬

實(shí)驗(yàn)采用計(jì)時(shí)電位法分別以RDE（Rotating disk electrode）轉(zhuǎn)速100 min和1500 min模擬電鍍填盲孔過程中盲孔板孔底和板面的電鍍環(huán)境，工作電極為鉑電極，直徑3 mm；輔助電極為鉑棒電極，參比電極為Hg/Hg2SO4電極。實(shí)驗(yàn)流程及控制參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

表1 不同填孔工藝電化學(xué)模擬流程及參數(shù)表

圖5 不同填孔工藝電化學(xué)模擬對比圖

從圖5分析，在無預(yù)浸填盲孔的電化學(xué)模擬結(jié)果中，RDE轉(zhuǎn)速從1500/min降低至100/min，銅沉積電位正移，正移幅度10 mV ～ 13 mV。銅沉積電位隨RDE轉(zhuǎn)速的降低而正移，這說明填盲孔過程中，對流強(qiáng)度相對更低的孔底銅更容易沉積，這可以產(chǎn)生“bottom-up”現(xiàn)象。在快速填盲孔的電化學(xué)模擬結(jié)果中，RDE轉(zhuǎn)速從1500/min降低至100/min，銅沉積電位正移，正移幅度＞18 mV。與無預(yù)浸填盲孔的模擬結(jié)果對比，快速填盲孔的模擬中RDE轉(zhuǎn)速降低，銅沉積電位正移幅度更大，這說明采用快速填盲孔工藝時(shí)，盲孔板孔底與板面的銅沉積速度差比無預(yù)浸填盲孔工藝更大，因而可以加快“bottom-up”，更快地實(shí)現(xiàn)填盲孔。

3.3.2 填孔初期（5min）盲孔板不同位置SEM對比

通過電化學(xué)方法進(jìn)行模擬了解到采用快速填盲孔工藝，可以實(shí)現(xiàn)盲孔板孔底與板面銅沉積速度的更大差異，為進(jìn)一步研究導(dǎo)致這種差異變大的原因，實(shí)驗(yàn)分別按照傳統(tǒng)填盲孔工藝（無預(yù)浸）和快速填盲孔工藝對測試板進(jìn)行電鍍，然后SEM(Scanning Electron Microscopy)圖分析盲孔板孔底和板面銅鍍層形貌，進(jìn)而研究預(yù)浸步驟對電鍍填盲孔前盲孔板不同位置添加劑吸附狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)流程及參數(shù)見表2，SEM圖見圖6～圖9。

對比圖6～圖9可以看出，相比無預(yù)浸填盲孔工藝，快速填盲孔工藝在填孔進(jìn)行到5 min時(shí)，盲孔底部銅鍍層更加平整，晶粒更細(xì)，而板面銅鍍層更加粗糙，晶粒更大。由于兩種工藝路線的填孔槽配方相同，電鍍參數(shù)也相同，因此可以得出快速填盲孔工藝通過增加預(yù)浸改變了電鍍填盲孔前盲孔板不同位置的添加劑吸附量，具體表現(xiàn)為盲孔底部具有高濃度的光亮劑，而板面光亮劑濃度較低。由于電鍍填盲孔前盲孔板不同位置光亮劑的濃度差異，加快了“bottom-up”的速度，從而縮短填孔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速填盲孔。

表2 SEM用測試板填盲孔流程及參數(shù)表

4 結(jié)論

消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求持續(xù)增長，帶動(dòng)著PCB繼續(xù)朝微型化、高集成化發(fā)展，快速填盲孔工藝對精細(xì)線路、控制成本、提高產(chǎn)能都具有重要的作用。本文探討了一種新的填孔工藝，通過合理增加預(yù)浸工序并調(diào)整填孔槽各添加劑配比，可以將填盲孔時(shí)間從60 min縮短到40 min，同時(shí)保證dimple＜5 μm，面銅厚度12±0.5 μm。此外，通過電化學(xué)方法模擬和SEM對比分析發(fā)現(xiàn)，增加預(yù)浸步驟，可以使盲孔板在填孔之前孔底吸附高濃度的光亮劑，而板面濃度較低，從而加快“botton-up”速度，縮短填孔時(shí)間。本文主要從工序上入手探討縮短填孔時(shí)間的方法，此外還可以研發(fā)更優(yōu)秀的添加劑體系，配合快速填孔的工藝，將進(jìn)一步提高電鍍填盲孔的填孔速度。

文章得到國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號61474019）、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助（項(xiàng)目編號：201301C0105324342）和教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號20120185110021）。

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朱凱，現(xiàn)為電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系在讀研究生，師從印制電路專家何為教授，主要研究方向?yàn)橛≈齐娐钒逍录夹g(shù)。

A rapid via-filling technology and study of its principle

ZHU Kai WANG Chong CHEN Jiao XIAO Ding-jun HE Wei

With increasing of consumer electronics, the demand of HDI board has continued growing. Moreover, via-filling is the essential production process of HDI, thus rapid via-filling contribute to fine lines, cost control and productivity improvement. In this paper, a new via-filling technology is studied, which could shorten filling time from 60min to 40min, but also ensure dimple less than 5μm and leveling surface copper thickness rang in 12±0.5μm. Furthermore, SEM and electrochemistry methods have been used to investigate the principle of as told rapid via-filling technology. Research results show that the rapid via-filling technology could achieve selective adsorption on different place of blind via board. To be specific, there is high concentration accelerator adsorption on the bottom of blind via, but much lower on the surface of the board.

HDI; Rapid Via-Filling; Electrochemistry; Selective Adsorption

TN41

A

1009-0096（2015）03-0112-05