電鍍填孔影響因素分析

張偉東

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

1 引言

消費(fèi)類電子產(chǎn)品的小型化和便攜性驅(qū)使現(xiàn)今印制電路設(shè)計(jì)的電路密度不斷地上升。薄內(nèi)層芯板的線寬和通盲孔直徑的減小是高密度互聯(lián)和IC基板封裝制造中積層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征。

填入通孔的電解銅的使用一項(xiàng)新的發(fā)展。對(duì)于先前銅通孔填充的發(fā)展，只有微盲孔完全靠電鍍銅填充。常規(guī)的積層芯層板塞通孔不得不在利用傳統(tǒng)電鍍銅敷形電鍍之后，用環(huán)氧樹脂填充完成，隨后進(jìn)行整平，再次金屬化和在介質(zhì)積層前的電鍍銅涂覆過程[1]（圖1）。

而用銅完全填充通孔工藝的出現(xiàn)，消除了一些有問題的制造步驟（圖2）。基于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂塞孔過程銅填通孔過程有許多優(yōu)點(diǎn)，包括提高可靠性，高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，高的生產(chǎn)率和低的總成本。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

電鍍填通孔方法的研發(fā)始于馬薩諸塞州馬爾堡陶氏電子材料研究實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品研發(fā)的目標(biāo)在于在使整個(gè)基板表面厚度變化最小化的同時(shí)使通孔填充最大化。其填充過程必須展現(xiàn)出無空隙和高表面性能，低凹陷深度和均勻表面分布的綜合性特點(diǎn)。為研究填充性能，需對(duì)不同組別、各種參數(shù)分類進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其初始參數(shù)標(biāo)值設(shè)定如表1 所示。

表1 初始標(biāo)值設(shè)定

2.1 無機(jī)成份的影響

硫酸體系為典型的包含硫酸銅（二價(jià)銅離子主要來源），硫酸（導(dǎo)電溶液），氯離子（作為一種聯(lián)合抑制劑）體系。絕大多數(shù)用于PCB制造中的銅電鍍液都是基于包含有硫酸銅和硫酸的電解質(zhì)體系。所有這些成份中硫酸濃度對(duì)于通孔填充性能有著最重要的影響。

從圖3可以明顯看出，填充性能隨著硫酸濃度的增加而降低。不溶性陽極要求用常用的氧化銅（CuO）粉末對(duì)電鍍槽進(jìn)行銅補(bǔ)充。通孔填充電解質(zhì)用濃度低于40 g/L的硫酸是一個(gè)問題，其原因是氧化銅在次低濃度酸下的低溶解度。由于這個(gè)原因，用近似含40 g/L的硫酸作電解質(zhì)對(duì)填充性能和CuO溶解度提供一個(gè)好的平衡。

2.2 有機(jī)添加劑的波動(dòng)影響

采用沒有添加劑的酸性硫酸銅體系得到的鍍銅物理性能很差。有機(jī)添加劑用于提高晶粒細(xì)度，均鍍能力，沉積物的水平性和光亮性，可很大程度改善沉積特性，促進(jìn)通孔填充性能。通常用于酸性鍍銅中有三種基本的添加劑：載體，光亮劑，整平劑。載體也被稱為抑制劑，是一種典型的大分子量聚氧化乙烯-烷基類化合物。載體在陰極表面被吸收，協(xié)調(diào)氯離子抑制電鍍速率的作用。光亮劑也被稱為加速劑，是一種典型的有機(jī)硫化物，這種有機(jī)硫化物通過置換所吸附的載體增加電鍍反應(yīng)。光亮劑化合物在電解工作槽中可能存在于幾種狀態(tài)。整平劑是典型的含氮雜環(huán)或非雜環(huán)芳香族化合物，通過置換高電流密度區(qū)域的光亮劑作用[2][3]。

有機(jī)添加劑在通孔填充中起關(guān)鍵性作用。特別是光亮劑和整平劑之間的相互作用尤為重要。整平劑優(yōu)先在高密度區(qū)域如孔口地方附著，整平過程受傳質(zhì)影響而填充過程很大程度上受對(duì)流影響。光亮劑和整平劑的競(jìng)爭(zhēng)吸附結(jié)果是在孔壁形成濃度梯度，整平劑富集的拐角相對(duì)于光亮劑富集的中心區(qū)域電鍍被更有效的抑制。從而實(shí)現(xiàn)了通孔填充對(duì)電鍍速率孔內(nèi)沉積速度和板面沉積速度的差異性要求。

低濃度整平劑將導(dǎo)致對(duì)于孔口處比在孔中心的電鍍更缺乏抑制作用，致使孔內(nèi)的沉積速率小于孔口，形成填銅空洞。高濃度調(diào)整劑將阻礙高電流密度區(qū)域的選擇性抑制作用，其結(jié)果填銅不成功，孔銅厚度偏?。▓D4）。為了進(jìn)行穩(wěn)定的通孔填充，與各組分的實(shí)際濃度一樣，光亮劑與整平劑的比例必須加以控制。

2.3 通孔電鍍與時(shí)間的關(guān)系

圖5為100 mm厚的基板上孔徑為100 mm和150 mm于1.6 A/dm2（15 A/ft2）下的通孔填充進(jìn)程。填充進(jìn)程分三個(gè)明顯的狀態(tài)：最初敷性沉積誘導(dǎo)狀態(tài)；蝴蝶結(jié)形沉積狀態(tài)（孔中心比孔角和基板表面具有更快的沉積速率）。微盲孔中心封閉一旦后的自下向上填充狀態(tài)。

圖6是基板表面，孔邊緣和孔中心鍍層厚度與時(shí)間的函數(shù)。在基板表面的電鍍速率隨時(shí)間直線增加，而孔邊緣被抑制。大約50 min后在孔中心電鍍加速變得很明顯，此時(shí)相對(duì)應(yīng)銅表面鍍層厚度為大約15 mm。

2.4 傳質(zhì)過程和電流密度的影響

傳質(zhì)過程和電流密度對(duì)通孔填充能力有十分重要的影響。一般說來，對(duì)于大直徑孔（＞100 mm），低水平的溶液流動(dòng)能提高通孔填充的性能。然而，這種提高對(duì)小直徑孔（≤75 mm）和較厚的基板（＞100 mm）填充具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致如在電鍍沉積中的連接和空洞缺陷。因此為了在填充水平和電鍍質(zhì)量間獲得最好的平衡，溶液的傳質(zhì)快慢必須慎重選擇以便特殊應(yīng)用的運(yùn)行。通過比較傳統(tǒng)空氣攪拌和噴射沖擊系統(tǒng)下的通孔填充性能，一個(gè)設(shè)計(jì)完美的噴射沖擊系統(tǒng)能同時(shí)減少有空洞通孔的發(fā)生率和增加平板的填充均勻性（圖7）。

電流密度的影響稍微有點(diǎn)復(fù)雜。低電流密度將加強(qiáng)通孔填充（比如小凹痕）同時(shí)也產(chǎn)生低程度空洞的產(chǎn)物。在質(zhì)量傳遞下，電流密度的影響由通孔尺寸決定。一般說來，低縱橫比通孔相對(duì)于高縱橫比通孔更能承受較高的負(fù)載電流密度。

2.5 電鍍厚度和孔尺寸關(guān)系

沉積在板表面的銅量要求在基板厚度和孔徑之間的凹痕深度變化低于10 mm。由于薄基板（≤100 mm）有小直徑的孔（＜100 mm），為了完成通孔填充，至少需要表銅達(dá)到15 mm。當(dāng)孔徑和基板厚度增加，銅量也必須增加以提供相應(yīng)的通孔填充性能。對(duì)于在200 mm厚或者更厚基板上大于125 mm的孔徑，需要多于30 mm的銅同時(shí)保持凹痕深度低于10 mm以便完全填充通孔（圖8）。

2.6 銅通孔填充設(shè)備分析

2.6.1 電鍍傳送方式和噴射裝置

銅電鍍工藝設(shè)備通?；趦纱箢悇e：垂直分段式和連續(xù)傳送式。為了提高設(shè)備的通孔填充性能，可將分段式和連續(xù)傳送電鍍?cè)O(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)一體化。為了在板面產(chǎn)生沖擊流動(dòng)，設(shè)計(jì)出了包括陽極材料和液體配送設(shè)備在內(nèi)的裝置如噴射器或者噴嘴。優(yōu)化的工藝選擇和在新工藝中電鍍?cè)O(shè)備的選擇能提供良好的加工能力和低廉的設(shè)備開銷。當(dāng)比較不同類型的銅電鍍通孔填充過程的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮電鍍均勻性、薄的芯層材料處理、產(chǎn)量或者收益、設(shè)備開銷，復(fù)雜性和封裝幾大因素。

在傳統(tǒng)的垂直分段式電鍍系統(tǒng)中，為了有完整的持續(xù)電鍍周期，批量板安裝在單一的閘缸里，在單一的豎直電鍍單元加工。在連續(xù)傳送電鍍系統(tǒng)中，板子通過一系列的電鍍單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)的傳輸。設(shè)計(jì)完美的噴射沖擊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整板表面溶液均勻流動(dòng)的能力，使用分段式或連續(xù)電鍍?cè)O(shè)備對(duì)于提高通孔的填充性能是至關(guān)重要的。

2.6.2 陽極材料

銅陽極，也被稱作可溶性陽極，一般為銅固體條或者由鈦籃包著的銅球。陽極加入磷以控制溶解和避免過度極化。銅陽極一般被多孔陽極罩包圍以防止顆粒進(jìn)入電鍍槽。隨著銅陽極溶入電鍍槽，整個(gè)陽極表面區(qū)域改變，同時(shí)影響陽極電流密度和沉積均勻性[4]。由于電鍍過程中陽極極化增加，最終導(dǎo)致鈍化，可溶性銅陽極的使用可限制生產(chǎn)率，因此陽極電流密度必須限制在大約3.2 A/dm2（30 A/ft2）。不溶性陽極，通常是一個(gè)鍍有鈦網(wǎng)膜的貴金屬氧化物（MMO）的混合物。不溶性陽極能在顯著的高電流密度下運(yùn)轉(zhuǎn)，保持尺寸上的穩(wěn)定，因此提供高的沉積速率和更始終如一的沉積均勻性。

在不溶性陽極的電化學(xué)反應(yīng)是水分解成氧和氫離子（酸）：

不溶性陽極系統(tǒng)要求對(duì)電鍍槽補(bǔ)充銅，其中最常見的是氧化銅(CuO)粉末。在保持酸濃度不變情況下，氧化銅溶入電鍍?nèi)芤海?/p>

在電鍍過程中光亮劑類物質(zhì)很容易形成副產(chǎn)物。這種現(xiàn)象對(duì)于所有應(yīng)用于商用酸性銅電鍍槽的有機(jī)硫化光亮劑類物質(zhì)是常見的。這些副產(chǎn)品產(chǎn)生在以化學(xué)方法與CuO進(jìn)行交互作用的間歇時(shí)間里以及在電鍍沉積的電化學(xué)過程中。通過陽極氧化產(chǎn)生的副產(chǎn)物一般是惰性的，不會(huì)影響電鍍的性能。而光亮劑所帶來的副產(chǎn)物類物質(zhì)是電化學(xué)活性，能降低沉積質(zhì)量和填充性能[5]。光亮劑副產(chǎn)物的濃度波動(dòng)對(duì)于銅通孔填充性能影響較大。由于光亮劑類物質(zhì)能與銅材表面直接反應(yīng)而消耗，形成活性副產(chǎn)物，所以針對(duì)有害光亮劑副產(chǎn)物濃度的影響，不溶性陽極系統(tǒng)已被證實(shí)比銅陽極系統(tǒng)具有更低的敏感性。

3 總結(jié)

在通孔填充過程中，酸性硫酸銅鍍液中電解質(zhì)硫酸的含量，有機(jī)添加劑的配比，電流密度與電鍍時(shí)間對(duì)填銅質(zhì)量都有較大影響。除此之外，填充過程還受通孔自身特點(diǎn)和電鍍?cè)O(shè)備影響。為了得到穩(wěn)定的可靠的通孔性能，采用不溶性陽極，含40g/L的硫酸的電鍍藥水，調(diào)節(jié)合適的添加劑配比，控制好電鍍時(shí)間和電流密度以及選擇適當(dāng)?shù)膰娚溲b置可獲得良好的通孔性能。同時(shí)其填充性能對(duì)于微盲孔也是適合的（圖9）。

[1]Wei-Ping Dow, Hsiang-Hao Chen, Ming-Yao Yen,Wei-Hsiang Chen, Kao-Hsuang Hsu, Po-YaoChuang,Hiroshi Ishizuka, Nobuo Sakagawa and Ryoichi Kimizuka, Journal of The Electrochemical Society,2008, 155, (12) pp. D750-D757.

[2]T. P. Moffat, D. Wheeler, and D. Josell, Journal of The Electrochemical Society, 2004, 151 (4) C262-C271.

[3]J. P. Herty, D. Pletcher, and T.H. Bailey, Journal of Electroanalytical Chemistry, 1998, 338

[4]M. J. Niksa, M.F. Cahill and G.S. Shaw, IPC Printed Circuits Expo? 2002

[5]M. J. West, Q. Wang and T. H. Bailey, The Electrochemical Society Transactions, 2006, 2 (6)