采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法研究HDI板盲孔填充影響因素

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）肖定軍 譚 澤

（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

1 引言

隨著電路板朝著輕、薄、小及高密度互連方向的發(fā)展，盲孔互連技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[1]。影響盲孔填充效果的因素有很多。硫酸銅、硫酸分別作為填孔鍍液中主鹽和導(dǎo)電鹽，其存在是必不可少的。提高硫酸銅濃度可以提高允許電流密度，避免高電流區(qū)燒焦，但硫酸銅濃度的提高，會(huì)降低鍍液分散能力。硫酸濃度對(duì)鍍液的分散能力和鍍層的力學(xué)性能均有影響，硫酸濃度太低，鍍液分散能力下降，鍍層光亮范圍縮小；硫酸濃度太高，雖然鍍液分散能力較好，但鍍層的延展性降低[2]。電鍍參數(shù)同樣會(huì)影響到盲孔的填充，電流密度不同導(dǎo)致沉積速率不同，太大可能會(huì)增加鍍液燒焦的風(fēng)險(xiǎn)，太小會(huì)造成電鍍時(shí)間的增長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。電鍍時(shí)間不同導(dǎo)致鍍銅層厚度不同。因此，本試驗(yàn)研究硫酸銅與硫酸濃度及電鍍參數(shù)對(duì)盲孔填充的影響。

2 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述

均勻設(shè)計(jì)只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布，挑選的試驗(yàn)代表點(diǎn)具有“均勻分散”性，但不具有“整齊可比”性，它可保證試驗(yàn)點(diǎn)具有均勻分布的統(tǒng)計(jì)特性，可使每個(gè)因素的每個(gè)水平做一次且僅做一次試驗(yàn)。模型比較復(fù)雜時(shí)，與其他試驗(yàn)法比較，均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)少、均勻性好，并對(duì)非線性模型有較好的估計(jì)。對(duì)線性模型，均勻設(shè)計(jì)有較好的均勻性和較少的試驗(yàn)次數(shù)，正交設(shè)計(jì)有較好的估計(jì)。雖然均勻設(shè)計(jì)失去了正交設(shè)計(jì)的整齊可比性，但在選點(diǎn)方面比正交設(shè)計(jì)有更大的靈活性，也就是說(shuō)，它更加注重了均勻性。利用均勻設(shè)計(jì)可以選到偏差更小的點(diǎn)，更重要的是，試驗(yàn)次數(shù)大大減少，從而在實(shí)踐中大大降低了成本。從經(jīng)濟(jì)和優(yōu)化兩個(gè)角度衡量，均勻設(shè)計(jì)確實(shí)有其優(yōu)越性。實(shí)踐中若水平數(shù)多，因素多而要求試驗(yàn)次數(shù)少的設(shè)計(jì)，一般用均勻設(shè)計(jì)來(lái)安排試驗(yàn)；對(duì)于因素?cái)?shù)，水平數(shù)不多，一般采用正交設(shè)計(jì)。有時(shí)，可以將正交設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)使用，而本文就是采用這種相結(jié)合的方式來(lái)研究硫酸銅與硫酸濃度及電鍍參數(shù)對(duì)盲孔填充的影響。

3 試驗(yàn)前準(zhǔn)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0.5 oz的基板，用1080的PP進(jìn)行一次壓合，按110 mm×90 mm區(qū)域面積進(jìn)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(yàn)板待用。

本試驗(yàn)采用哈林槽來(lái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，用直流電源，哈林槽規(guī)格為1 L，采用鈦網(wǎng)為不溶性陽(yáng)極，陰陽(yáng)極距離為10.5 cm，采用底部打氣的攪拌方式。電鍍?cè)囼?yàn)均在室溫下進(jìn)行。

鍍液基礎(chǔ)成分濃度及電鍍參數(shù)的設(shè)定：光亮劑為0.9 ml/L，整平劑為12.7 ml/L，載運(yùn)劑為12.7 ml/L，氯離子濃度為50 mg/L。

4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

4.1 采用均勻設(shè)計(jì)法確定最佳濃度范圍

用DPS數(shù)據(jù)處理軟件生成U7*（74）均勻設(shè)計(jì)表，采用均勻設(shè)計(jì)法研究鍍液硫酸銅與硫酸濃度和電鍍參數(shù)對(duì)盲孔填充的影響。表1為該試驗(yàn)的因數(shù)水平表。

將待用試驗(yàn)板進(jìn)行填孔前處理：酸洗→熱水洗→溢流水洗→微蝕→溢流水洗→預(yù)浸。按照均勻設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中我們以盲孔填孔質(zhì)量、凹陷度、面銅均勻性作為試驗(yàn)指標(biāo)，其中填孔質(zhì)量主要是看板面是否有銅瘤、孔內(nèi)是否有空洞產(chǎn)生，面銅均勻性用面銅厚度最大極差來(lái)表示。均勻設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

從表2中，可以看出：

（1）試驗(yàn)2，鍍層上會(huì)出現(xiàn)銅瘤，鍍層均勻性差。原因在于此時(shí)電流密度過(guò)大，導(dǎo)致鍍液分散性下降；

表1 銅酸濃度及電鍍參數(shù)的因素水平表

表2 銅酸濃度、電鍍參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表及其試驗(yàn)結(jié)果

（2）試驗(yàn)6，出現(xiàn)了空洞。經(jīng)分析，考察其原因可能有三點(diǎn)：（1）可能是由于銅離子含量太低，造成孔內(nèi)藥水交換不足；（2）H+含量過(guò)高，加上大的電流密度，導(dǎo)致了氫氣的析出，且滯留在孔內(nèi)造成空洞的形成；（3）因該試驗(yàn)是用哈林槽來(lái)模擬試驗(yàn)，采用打氣的攪拌方式可能會(huì)因?yàn)閿嚢璨蛔愣斐煽椎姿幩粨Q緩慢，從而導(dǎo)致孔口銅沉積速度大于孔底的銅沉積速度。

（3）從表2還可以看出銅酸濃度及電鍍參數(shù)的最佳濃度范圍。試驗(yàn)3、試驗(yàn)4和試驗(yàn)7的試驗(yàn)結(jié)果顯示在這些條件下盲孔填充效果都挺好的。即當(dāng)CuSO4濃度為210 g/L ～ 240 g/L、H2SO4濃度為20 g/L ～ 60 g/L、電流密度為1.1 A/dm2～ 1.7A/dm2、電鍍時(shí)間為50 min ～90 min時(shí)，盲孔填充效果良好，此時(shí)沒(méi)有銅瘤和孔洞產(chǎn)生，且填充率高，面銅均勻性好。由均勻設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)，即其均勻分散性，可推斷實(shí)際銅酸濃度及電鍍參數(shù)的最佳工藝參數(shù)在此試驗(yàn)范圍附近。

4.2 采用正交試驗(yàn)法進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)

為了進(jìn)一步獲得精確的最佳工藝參數(shù)。本著高酸低銅、提高生產(chǎn)效率的原則，本試驗(yàn)在均勻設(shè)計(jì)法中得出的試驗(yàn)范圍內(nèi)選取3個(gè)試驗(yàn)水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素水平表如表3所示。根據(jù)正交試驗(yàn)表進(jìn)行哈林槽模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程同上。試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，其正交試驗(yàn)表及其極差分析數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 銅酸濃度及電鍍參數(shù)因素水平表

表4 研究銅酸濃度及電鍍參數(shù)最佳工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表

圖1 100μm盲孔試驗(yàn)指標(biāo)因素圖

由極差分析可知，R電鍍時(shí)間＞R電流密度＞R硫酸＞R硫酸銅，即在試驗(yàn)范圍內(nèi)，影響盲孔填充效果的最大因素是電鍍時(shí)間，其次是電流密度，銅酸濃度影響最小。因本試驗(yàn)以凹陷度為試驗(yàn)指標(biāo)，其值越小越好，由圖1指標(biāo)因素圖可以看出各因素的最佳組合為：CuSO4濃度為240 g/L，H2SO4濃度為30 g/L，電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時(shí)間為70 min。但在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮的不僅僅是盲孔填充率的提高，還需考慮生產(chǎn)效率的提高，以及成本的節(jié)約。因此，綜合多因素考慮，最終確定因素最優(yōu)方案為：CuSO4濃度為230 g/L，H2SO4濃度為30 g/L，電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時(shí)間為60 min。獲得該條件下的盲孔切片如圖2。

圖2 最優(yōu)方案電鍍盲孔切片圖

5 結(jié)論

采用均勻設(shè)計(jì)法和正交試驗(yàn)法相結(jié)合的方式研究了硫酸濃度、硫酸銅濃度、電流密度、電鍍時(shí)間4個(gè)因素對(duì)盲孔填充效果的影響，獲得當(dāng)光亮劑為0.92 ml/L，整平劑為12.7 ml/L，載運(yùn)劑為12.7 ml/L，氯離子濃度為50 mg/L時(shí)，硫酸銅和硫酸濃度及電鍍參數(shù)的最佳工藝參數(shù)：CuSO4濃度為230 g/L，H2SO4濃度為30 g/L，電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時(shí)間為60 min，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明在該工藝參數(shù)下盲孔基本被填平。進(jìn)一步證明用均勻設(shè)計(jì)法和正交試驗(yàn)法相結(jié)合的方式所得出的試驗(yàn)結(jié)果是可靠而有效的。

文章得到廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)：201301C0105324342）。

[1]秦佩,陳長(zhǎng)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]張懷武,何為,胡文成 等. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝(第二版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.