填孔電鍍品質(zhì)可靠性的研究和探討

彭 濤 田維豐 劉 晨 姜雪飛 彭衛(wèi)紅 劉 東

深圳崇達(dá)多層線路板有限公司

1 為什么需要填孔

1.1 PCB高密度化、高精細(xì)化的發(fā)展趨勢

隨著電子產(chǎn)業(yè)的高密度、高精細(xì)化，HDI板焊盤直徑和間距的逐漸減小，使盲孔孔徑也逐漸減小，盲孔厚徑比隨之加大，普通的電鍍藥水和傳統(tǒng)的電鍍工藝不能達(dá)到盲孔鍍銅的效果，為保證盲孔品質(zhì)的可靠性，更多生產(chǎn)廠家選擇專用盲孔電鍍藥水或增加填孔流程。

圖1 盲孔高厚徑比使品質(zhì)可靠性降低

1.2 疊盲孔設(shè)計(jì)和導(dǎo)熱能力要求

疊盲孔設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高密度線路的重要方法之一，疊盲孔設(shè)計(jì)內(nèi)層盲孔一定要進(jìn)行填孔。

1.3 表面封裝的要求

圖2 疊孔板設(shè)計(jì)需要做填孔

由于未填孔的盲孔在客戶端表面封裝時(shí)，盲孔內(nèi)的空氣會(huì)阻止焊錫料進(jìn)入盲孔內(nèi)，并在盲孔孔口附近產(chǎn)生焊接氣泡，此種氣泡會(huì)減弱焊接強(qiáng)度，對品質(zhì)可靠性造成負(fù)片影響。為防止此種“虛焊”的影響，越來越多的客戶要求盲孔進(jìn)行填孔電鍍。

以上就是盲孔填孔需求量越來越大的主要原因，在電子高密度化趨勢下，盲孔的制作難度將會(huì)越來越大，盲孔的品質(zhì)可靠性和制程能力也是客戶和線路板廠商倍受關(guān)注的焦點(diǎn)。本文就從如何提升盲孔填孔制程能力和填孔品質(zhì)可靠性和大家一起探討。

2 填孔原理

2.1 填孔基本原理

在傳統(tǒng)電鍍理論中，盲孔底部是低電流區(qū)域，藥水交換少，其電鍍效果往往難以達(dá)到理想狀態(tài)。盲孔電鍍填孔工藝隨著填孔光劑的發(fā)展和優(yōu)化而逐漸成熟，在HDI板制作過程中扮演著重要角色。市場上填孔光劑種類較多，但其主要原理相近。填孔光劑主要成分有三種：光亮劑、抑制劑、整平劑。

光亮劑主要吸附于盲孔底部，利用硫醇類有機(jī)物與Cu2+形成絡(luò)合物，以加速銅在盲孔底部的沉積；

抑制劑主要是大分子基團(tuán)，吸附于銅表面，利用有機(jī)物吸附Cu2+，起到抑制表面銅離子沉積的作用；

整平劑主要作用是平衡高電流區(qū)孔口和低電流區(qū)孔角的電流分布，修飾盲孔孔形。

2.2 填孔過程示意圖

2.3 填孔品質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)

填充率（Filling Ratio）＝(H2/H3)×100%，要求≥80%

微凹深度（Dimple Depth）＝H3-H2，要求＜10 μm

填孔深鍍能力（Throwing Power）=H2/ H1

3 影響填孔品質(zhì)的因素

根據(jù)填孔電鍍的基本原理，及實(shí)際填孔經(jīng)驗(yàn)，將影響填孔品質(zhì)的因素總結(jié)，主要有：盲孔的形狀；盲孔孔徑及厚徑比；填孔光劑種類和管控；溶液攪拌方式（噴流、打氣）；填孔溶液中硫酸銅和硫酸濃度；電流密度。

4 填孔品質(zhì)影響因素分析

4.1 盲孔的形狀

不同的盲孔形狀填孔難度如圖3所示。

圖3

腰鼓型和垂直型的盲孔在填孔電鍍時(shí)，孔口是高電流區(qū)，如控制不好，其沉積速度高于盲孔底部沉積速度，就會(huì)產(chǎn)生填孔氣泡。斜坡型藥水流通性較前兩者好，不易產(chǎn)生填孔氣泡，制作難度較前兩者容易。良好的盲孔形狀是填孔電鍍的基礎(chǔ)，對激光鉆孔的品質(zhì)要有嚴(yán)格監(jiān)控，才能保證盲孔填孔電鍍的品質(zhì)。

4.2 盲孔孔徑及厚徑比

使用不同的填孔光劑，其盲孔孔徑對填孔的影響有所不同。但主要影響是厚徑比偏大，孔徑小時(shí)，在填孔電鍍時(shí)藥水交換差，易出現(xiàn)填孔空洞的缺陷，填孔時(shí)間長，生產(chǎn)效率低；孔徑偏大時(shí)，盲孔底部在噴流的作用下不易吸附加速劑，其填孔效果較差。所以合適的孔徑和縱橫比對填孔的品質(zhì)可靠性影響較大。

根據(jù)我公司使用的填孔光劑A，通過試驗(yàn)找出不同介質(zhì)層的最佳厚徑比范圍，結(jié)果如下，供大家參考：

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圖4 75 μm介質(zhì)層，150 μm孔徑填孔效果較差

圖5 同樣電鍍條件下，75 μm介質(zhì)層，75 μm孔徑，填孔效果很好

盲孔縱橫比只有維持在一個(gè)合理范圍內(nèi)，才能有穩(wěn)定的填孔效果。盲孔孔徑和孔形都是影響填孔電鍍的客觀條件，各個(gè)廠家生產(chǎn)條件不一樣，不能一概而論，但如果沒有相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和規(guī)范，則難以保證填孔品質(zhì)。

4.3 填孔光劑種類和管控

填孔光劑在填孔電鍍中起著主導(dǎo)作用，填孔光劑的選擇和管控顯得尤為重要?，F(xiàn)在有多家藥水公司都有成熟的填孔光劑，可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇合適的填孔光劑。不同的光劑有著不同的特性和管控方法，只有填孔光劑濃度穩(wěn)定，搭配合理，污染少，才能發(fā)揮出填孔的作用，才能保障填孔品質(zhì)可靠性。

4.4 溶液攪拌方式（噴流、打氣）

在電鍍中，藥水流通直接影響到電鍍效果，盲孔由于一端被封住，藥水流通比通孔要困難，所以填孔電鍍時(shí)的藥水?dāng)嚢柩h(huán)效果非常重要。藥水流通性差，在盲孔內(nèi)易產(chǎn)生氣泡；藥水流通性過強(qiáng)，則盲孔底部不能有效吸附加速劑，填孔效果反而不佳。通常來講，打氣是無規(guī)則的，不易控制，攪拌效果較弱，一般建議用噴流。不同光劑對藥水流通和噴流的強(qiáng)度要求不同，不同孔徑的盲孔對噴流強(qiáng)度也有所區(qū)別，所以選擇適當(dāng)?shù)乃幩當(dāng)嚢璺绞胶蛷?qiáng)度對填孔效果非常重要。以下是我司試驗(yàn)噴流強(qiáng)度對填孔效果的影響：

從以下圖片可以看出，過強(qiáng)和過弱的噴流都會(huì)對填孔品質(zhì)可靠性帶來影響，噴流量小，盲孔底部流通性差，合盲孔底部沉積速率小于孔口和孔中間沉積速度，則會(huì)導(dǎo)致填孔氣泡。噴流量過大，則使孔徑較大的盲孔藥水流通性強(qiáng)，帶走部分加速劑，使填孔效果下降。應(yīng)通過試驗(yàn)找出最佳的噴流參數(shù)，使不同孔徑的盲孔填孔效果達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。

噴流泵在使用過程中會(huì)有磨損和老化，噴流流量也會(huì)緩慢降低，因此噴流泵的維護(hù)和噴流流量監(jiān)控也很重要，可以通過定期維護(hù)噴流泵和安裝噴流流量計(jì)來監(jiān)控噴流流量。

4.5 填孔溶液中硫酸銅濃度

在填孔電鍍時(shí)，不僅要考慮盲孔填孔，還要同時(shí)考慮通孔電鍍。盲孔電鍍在高銅低酸下效果好，而通孔深鍍能力在高酸低銅條件下較好，兩者呈對立現(xiàn)象，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，對硫酸銅和硫酸濃度要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，使盲孔填充品質(zhì)和通孔銅厚同時(shí)達(dá)到要求。

從以上試驗(yàn)可以看出，在硫酸銅210 g/l，硫酸5.4%條件下，通孔深鍍能力可以達(dá)到72%，可滿足通孔銅厚要求，具體需根據(jù)盲孔填孔難度和通孔銅厚要求來確定硫酸銅濃度。

4.6 電流密度

在填孔電鍍時(shí)，往往采用小電流密度會(huì)得到較好的盲孔填孔效果和通孔深鍍能力，但是小電流密度生產(chǎn)時(shí)間長，生產(chǎn)效率低，成本高。在現(xiàn)有競爭激烈的市場，成本意識和生產(chǎn)效率早已深入人心。所以要降低電流密度來保證品質(zhì)不是長久之計(jì)，要盡量提高電流密度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)成本和品質(zhì)的雙豐收。

我司用填孔光劑A試驗(yàn)高低電流對填孔效果和通孔深鍍能力的影響，供大家參考，具體如下：

從試驗(yàn)結(jié)果來看，高電流密度盲孔填充效果較差，為提升電鍍效率，可采取分段電鍍的方法，電流密度逐步提升，可根據(jù)情況分為二段或三段，是解決填孔生產(chǎn)效率和品質(zhì)的較好方法。

4.7 小結(jié)

影響填孔電鍍的因素還有很多，如震動(dòng)、搖擺、有機(jī)污染、激光鉆孔品質(zhì)等各個(gè)方面都有關(guān)系，在這里就不一一贅述。

5 結(jié)語

填孔電鍍自從登上PCB工藝的大舞臺，就一直扮演著舉足輕重的角色。填孔電鍍屬于一種新型工藝，其反應(yīng)機(jī)理、過程控制、制作難度是普通電鍍不能相比的。本文從影響填孔電鍍因素的各個(gè)方面加以分析和驗(yàn)證，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)的管控措施，希望能給各位帶來幫助。但這只是填孔電鍍品質(zhì)可靠性和工藝能力提升的冰山一角，還有很多其他方面如陽極、有機(jī)污染等都是值得我們?nèi)W(xué)習(xí)、探討和總結(jié)。電子高密度化、精細(xì)化的趨勢將使盲孔密度增加，孔徑減小，厚徑比增加，制程難度增加，填孔電鍍將面臨更多挑戰(zhàn)，希望能有更多機(jī)會(huì)與大家一起分享填孔電鍍的研究成果。