填孔電鍍盲孔微蝕分界線成因淺析

楊智勤 張 曦 陸 然 倪 超

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

1 前言

近年來，電子產(chǎn)品追求輕薄短小的目標(biāo)，上游IC元件日趨微小化，在有限的表面上，裝載更多的微型器件促使印制電路板的設(shè)計趨向高精度、高密度、小孔徑方面發(fā)展，傳統(tǒng)的過孔與導(dǎo)通孔互聯(lián)的多層PCB板逐漸已不能滿足產(chǎn)品需求。同時半導(dǎo)體行業(yè)的元件垂直整合、直接連通，盡量減少透過電路板或封裝基板來做電訊互通，這些高密度的互聯(lián)技術(shù)，從上游的半導(dǎo)體制程到中游的封裝載板制程，一直到下游的電路板制程，都需要電鍍銅填孔技術(shù)，為了適應(yīng)印制電路板的發(fā)展，填孔電鍍工藝得到了廣泛研究[1]。實際填孔電鍍生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)填孔電鍍過程中，盲孔內(nèi)會形成一條非閃鍍銅層與填孔鍍銅層之間的清晰的平滑分界線，本文通過試驗驗證了此分界線的產(chǎn)生原因，期望能加深業(yè)者對填孔電鍍過程的了解。

2 填孔電鍍盲孔微蝕分界線成因淺析

電鍍銅的切片分界線，成因是利用微蝕液對銅面進行微蝕，以界分出金屬之各層面與其結(jié)晶狀況。圖1為通孔的切片圖，由圖可知切片中的基材銅、一次銅和二次銅之間的分界線清晰可見，這是因為基材銅、一次銅和二次銅結(jié)晶狀況不同，金屬的各層面得以區(qū)分開?；蛟S有業(yè)者會提出，兩次電流密度完全一樣，一次銅和二次銅結(jié)晶狀況應(yīng)該是一樣的，卻也存在一次銅和二次銅的界限。在此白蓉生[2]提出電鍍過程中是否達到極限電流密度，電鍍銅材分為冬材和夏材，冬材為鍍層很慢的起步低電流區(qū)，在鍍銅瞬間電流尚未到位前所鍍出的銅層不但很薄，且低電流中有機物參與也較多，致使結(jié)晶不但細小而且組織松散，猶如樹木冬天生長緩慢的薄材，電流到達定位的銅層才會有正常結(jié)晶而有機物也隨之降低；夏材為鍍層品質(zhì)良好可大量產(chǎn)的電流區(qū)，常規(guī)電流中厚度增加晶格變大質(zhì)地扎實而稱為夏材，于是在微切片的微蝕畫面中，冬材松散處就很容易被咬低而成為分界線，這也是兩次電流密度相同，卻存在銅層間分界線的原因。

圖1 通孔切片微蝕線示意圖

填孔電鍍盲孔內(nèi)各分界線與通孔電鍍的基材銅、一次銅和二次銅不一樣，除基材銅和閃鍍銅的分界線外，閃鍍銅與填孔電鍍銅之間有2條分界線，一條是閃鍍銅與填孔銅之間的分界線，為兩次電鍍過程產(chǎn)生的；另一條是填孔銅孔內(nèi)自身內(nèi)的分界線，為無異常因素一次電鍍過程產(chǎn)生的，此分界線在盲孔內(nèi)成平滑曲線，如圖2所示。圖2-A為填孔分界線的原始圖像，圖2-B為人為加粗的圖像。由圖片實線可知，孔內(nèi)分界線平滑，分界線孔內(nèi)距離分布不同，孔底呈三角形，分界線內(nèi)的銅層厚度接近為零；孔壁分界線內(nèi)銅層厚度較厚，且分布不均，孔壁凹陷處銅較厚，凸起處銅較薄，分界線從孔底延伸至孔口，在孔口拐角處形成交界。從分界線產(chǎn)生的原理可知，微蝕后分界線是因為銅層與銅層之間結(jié)晶狀況不一樣，一次電鍍完成的填孔制程，卻在孔內(nèi)出現(xiàn)了一條分界線，說明了填孔電鍍過程中孔內(nèi)不同位置對應(yīng)的電流密度存在差異，銅離子電化學(xué)沉積結(jié)晶狀態(tài)決定了分界線的外在表現(xiàn)。

圖2 盲孔孔內(nèi)分界線示意圖

為了研究填孔電鍍盲孔孔內(nèi)分界線的成因，O.Luhn[3]等研究了盲孔厚徑比為5的晶圓填孔電鍍（孔徑5μm，孔深25μm），通過SEM和FIB研究可知，晶圓盲孔孔內(nèi)電流密度是晶圓表面電流密度的13倍，可以從圖3中看出填孔電鍍過程中盲孔孔內(nèi)和孔口位置不同的沉積效果，孔口位置鍍層銅的微觀結(jié)構(gòu)是由粒徑為100 nm ～ 1μm不等的不定向分布的再結(jié)晶銅組成，相反孔內(nèi)電沉積的銅的微觀結(jié)構(gòu)是由定向分布平行片狀的微米級結(jié)晶銅組成的。O.Luhn的試驗結(jié)果為理解填孔電鍍盲孔孔內(nèi)分界線的成因提供了研究基礎(chǔ)，盲孔孔內(nèi)不同區(qū)域間的銅離子電化學(xué)沉積狀況是盲孔孔內(nèi)分界線形成的真因。

圖3 孔口及孔底銅結(jié)晶圖

為此設(shè)計了不同電鍍時間的填孔電鍍階段試驗來驗證盲孔孔內(nèi)分界線的形成原因。由圖4-A填孔電鍍階段圖可知，填孔電鍍起始期孔壁銅厚與孔底銅厚差異明顯，孔底銅較厚且形成45°斜面，孔壁銅在凹陷處較厚，凸起處較薄，起始期銅厚在表觀上與盲孔孔型大致相同，未形成平滑曲線，說明在填孔的起始期盲孔加速劑在盲孔底部孔角和孔壁凹陷處富集，銅離子沉積速率快，而孔壁平滑處加速劑吸附率低，銅離子沉積速率慢；另一方面也推斷出填孔的起始期階段加速劑、整平劑已完全進入孔內(nèi)，影響二次電流分布，整平劑在盲孔中部以上區(qū)域吸附率高于中部以下區(qū)域；同時，加速劑在孔內(nèi)的分布與之相反；這也是孔內(nèi)分界線在孔底成三角形，銅厚接近零的原因；由圖4-B爆發(fā)期的填孔電鍍階段圖可知，填孔電鍍過程中的孔內(nèi)分界線已現(xiàn)端倪，分界線在孔底部成三角形且成平滑曲面向上延伸，在盲孔中部與填孔電鍍爆發(fā)期形成的平坦曲面交匯，隨著電鍍過程的進行，表現(xiàn)出孔底上移的趨勢；同時，隨著電鍍過程的進行，在原有盲孔的基礎(chǔ)上形成厚徑比更小的微盲孔，新形成的盲孔消除了原有盲孔本身由激光鉆孔品質(zhì)不一而產(chǎn)生的孔壁凹凸，表現(xiàn)為孔壁和孔底都為平滑的曲面，說明了填孔電鍍的進行，填孔光劑可以自身修復(fù)部分盲孔品質(zhì)，形成了完美曲線態(tài)的二代盲孔。對比圖4和圖2可知，盲孔中部以上區(qū)域的孔壁銅外型與填孔電鍍后形成的孔內(nèi)分界線幾乎一致，這因為是在填孔電鍍爆發(fā)期后的電鍍過程中，孔壁加速劑吸附率的降低，銅離子沉積速率放緩幾乎可以忽略，電鍍銅以“孔底上移”的形式填充整個盲孔，孔中心電流密度高，結(jié)晶狀況異于孔壁銅，微蝕后形成清晰分界線，這說明了填孔電鍍進行到一定階段，加速劑和整平劑在孔內(nèi)的吸附率隨之改變，正是這種電鍍不同階段吸附率的改變，實現(xiàn)了盲孔的填孔電鍍工藝，并且出現(xiàn)了文頭提到的盲孔孔內(nèi)分界線。

圖4 填孔電鍍階段圖

3 結(jié)論

從試驗結(jié)果可知，填孔電鍍盲孔孔內(nèi)切片分界線產(chǎn)生的原因為填孔電鍍不同階段加速劑和整平劑吸附率的差異引起的銅離子的電化學(xué)沉積狀況不一致，是生產(chǎn)中產(chǎn)生的正?，F(xiàn)象而非異常，通過對分界線的形成原因分析，希望能消除大家對此微蝕分界線的誤解。

[1]Ryszard Kisiel, Jan Felba, Janusz Borecki,et al.Problems of PCB microvias filling by conductive paste, Microelectronics Reliability, 2007(47):335–341.

[2]白蓉生,電鍍銅沉積原理與微盲孔填銅細說.電路板會刊.2010(48):16-38.

[3]O.L uhn,C. Van Hoof,W.Ruythoorenb,et al.Filling of microvia with an aspect ratio of 5 by copper electrodeposition, Electrochimica Acta,2009(54):2504–2508.