PCB盲孔填孔電鍍中光澤劑及工藝條件的影響研究

伊洪坤（東莞市富默克化工有限公司，廣州 東莞 523079）王維仁（東莞市仁吉電子材料有限公司，廣州 東莞 523839）

PCB盲孔填孔電鍍中光澤劑及工藝條件的影響研究

伊洪坤
（東莞市富默克化工有限公司，廣州 東莞 523079）
王維仁
（東莞市仁吉電子材料有限公司，廣州 東莞 523839）

采用自制電鍍?cè)O(shè)備研究光亮劑、整平劑及潤(rùn)濕劑在盲孔電鍍中的作用機(jī)理，以及噴壓、電流密度、陰陽(yáng)極距離等工藝條件對(duì)填孔率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各添加劑在氯離子的協(xié)同作用下對(duì)填孔起著至關(guān)重要的作用。適宜的噴壓有助于將藥水帶進(jìn)盲孔內(nèi)，電流密度及其組合對(duì)電鍍填孔影響較大，陰陽(yáng)極距離保持在5cm左右填孔效果最佳。

盲孔；添加劑；工藝條件

1 前言

隨著電子消費(fèi)品需求的不斷提高，迫使PCB生產(chǎn)廠家技術(shù)、工藝不斷創(chuàng)新，二階、三階及更高階高密度互連板陸續(xù)出現(xiàn)。目前，多階互連板主要采用盲孔疊孔設(shè)計(jì)，對(duì)盲孔進(jìn)行電鍍填充，這樣既增加了導(dǎo)電性、散熱性，又使工序簡(jiǎn)單化，減少制程成本降低生產(chǎn)成本[1]。目前填孔藥水主要由國(guó)外幾大廠商提供，且設(shè)備、流程、工藝均需按照廠家要求進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，成本難以繼續(xù)降低，且填孔電鍍影響因素較多[2]。填孔藥水采用高銅低酸體系，外加光亮劑、潤(rùn)濕劑、整平劑等添加劑，了解各添加劑的作用機(jī)理以及相互協(xié)同效應(yīng)，對(duì)于填孔藥水的開發(fā)至關(guān)重要。國(guó)外一些學(xué)者對(duì)各添加劑的作用機(jī)理做了很多研究[3]，但國(guó)內(nèi)對(duì)填孔藥水的開發(fā)研究相對(duì)較落后，僅停留于使用進(jìn)口藥水做相關(guān)工藝的研究。因此，本文采用自制的幾種添加劑研究其在填孔過(guò)程中的行為機(jī)理以及工藝條件對(duì)填孔效果的影響，為更優(yōu)質(zhì)的填孔藥水的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

自制電鍍槽，金相顯微鏡(EDS204），研磨機(jī)（YMP-1），整流器（E3633A，Agillent）等。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

帶孔銅板（一次銅后），水晶膠、砂紙，拋光粉，H2SO4（98%），HCl（36%），CuSO4粉末，光亮劑，抑制劑，整平劑等。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

在自制電鍍?cè)O(shè)備上采用分段電流密度進(jìn)行填孔電鍍，通過(guò)改變陰極在電鍍卡槽上的位置來(lái)調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極距離，通過(guò)流量閥門調(diào)節(jié)噴嘴的噴流大小。電鍍液體系采用高銅低酸體系，150 g/L CuSO4·5H2O，98% H2SO470 g/L，36%HCl 0.16 ml/L 及光亮劑、整平劑、潤(rùn)濕劑。電鍍?cè)O(shè)備示意圖如圖1。

圖1 電鍍槽示意圖

該P(yáng)CB電鍍槽為長(zhǎng)方形槽體，包括槽底和圍設(shè)于槽底的兩個(gè)寬側(cè)壁和兩個(gè)長(zhǎng)側(cè)壁，寬側(cè)壁設(shè)有數(shù)個(gè)垂直于槽底方向的噴液通道，噴液通道設(shè)有數(shù)個(gè)均勻分布的噴嘴，相鄰兩個(gè)噴液通道之間設(shè)有陽(yáng)極插槽，兩個(gè)長(zhǎng)側(cè)壁之間架設(shè)有陰極固定架，陰極板夾于固定架上，固定架可橫向來(lái)回移動(dòng)，也可通過(guò)改變卡于槽體的位置來(lái)改變陰陽(yáng)極間的距離，確保噴嘴噴出的液體均勻的噴射到陰極板上，且采用適宜的噴壓將液體吹到孔內(nèi)，有利于填孔電鍍。

2.4 分析方法

PCB中電鍍填孔效果的評(píng)價(jià)主要通過(guò)填孔率體現(xiàn)，電鍍后切片，利用金相顯微鏡觀察孔內(nèi)鍍層情況，計(jì)算填孔率。填孔率計(jì)算方法如圖2所示，一般要求填孔率大于85%。

圖2 填孔率計(jì)算示意圖

2.5 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)采用表1所示前處理及電鍍流程：

表1 實(shí)驗(yàn)流程表

3 結(jié)果與討論

3.1 添加劑作用及失效機(jī)理

光亮劑在氯離子的存在下產(chǎn)生去極化作用，加速銅離子在低點(diǎn)位處的沉積，并且進(jìn)入銅鍍層影響鍍層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使銅晶粒更細(xì)致化，因此也叫晶粒細(xì)化劑。本實(shí)驗(yàn)中保持潤(rùn)濕劑與整平劑含量不變的情況下,隨著光亮劑含量的增加，板面逐漸變亮，但孔內(nèi)鍍銅逐漸減少。連續(xù)鍍多片板后，光亮劑逐漸失效，與一些學(xué)者的研究相吻合，如Wei Wang[4]等采用電化學(xué)極化方法及光譜分析法研究了（3-sulfopropyl）disulfide（SPS）在填孔電鍍過(guò)程中的失效機(jī)理，并采用量子化學(xué)方法計(jì)算SPS 失效比例。結(jié)果表明，15A·h/L以后SPS開始失效，隨著過(guò)電荷的增加SPS的吸附逐漸降低，SPS的失效時(shí)一個(gè)與溶解氧有關(guān)的氧化過(guò)程，-S-S被氧化成-SOx-SOy-而失效。

填孔電鍍中載運(yùn)劑在氯離子的協(xié)同作用下會(huì)抑制銅離子在高電位的沉積，攜帶光亮劑到達(dá)陰極凹陷處，從而促進(jìn)光亮劑在孔內(nèi)的沉積，載運(yùn)劑又稱潤(rùn)濕劑。Ya-Bing Li[5]等利用電化學(xué)交流阻抗等方法研究了作為載運(yùn)劑的PEG在填孔電鍍過(guò)程中的失效機(jī)理，結(jié)果表明PEG 在陰極表面的吸附隨著過(guò)電荷的增加逐漸下降，從而減弱其抑制沉積的作用，但陰極表面和陽(yáng)極表面PEG的失效機(jī)理是不同的，PEG在陽(yáng)極發(fā)生聚合反應(yīng)，生成更大分子量的基團(tuán)，不容易進(jìn)入孔內(nèi)，分散性下降，因此影響填孔電鍍的填孔率，并影響板面光滑度和亮度。實(shí)驗(yàn)中保持光亮劑于整平劑的含量不變，改變PEG的含量，當(dāng)PEG增大到一定濃度后，板面開始變?yōu)?，而不同分子量的PEG在電鍍過(guò)程中的電化學(xué)行為也不同[6]，分子量過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響填孔率，因此選擇合適分子量的PEG也很重要。

整平劑很容易吸附在高電位處，與銅離子競(jìng)爭(zhēng)，使銅離子不易在高電位處沉積，而不影響低電位處沉積，故稱為整平劑。目前，整平劑主要有Janus Green B（JGB）、DB、PAS-A-5等，Wei-Ping Dow[7]等對(duì)比研究了DB、JGB及Alcian Blue在填孔電鍍中與氯離子協(xié)同作用的強(qiáng)弱。無(wú)整平劑的情況下，各添加劑的調(diào)節(jié)范圍很窄，有整平劑的情況下范圍適當(dāng)變寬，在此氯離子的濃度及與不同整平劑的協(xié)同作用尤為重要，因此選擇及合成適合的整平劑對(duì)電鍍填孔起著最關(guān)鍵的作用。

3.2 噴壓對(duì)填孔電鍍填孔率的影響

傳統(tǒng)電鍍線主要采用水平連續(xù)電鍍及垂直電鍍，若因空氣攪拌或噴流方式無(wú)法達(dá)到要求，使得藥水要換能力差，影響填孔效果。而用于填孔電鍍的垂直連續(xù)電鍍線設(shè)備昂貴，很多小廠商無(wú)法承受。傳統(tǒng)電鍍與垂直連續(xù)電鍍的主要區(qū)別在于噴流方式不同[8]。在填孔電鍍生產(chǎn)線上鍍液由各添加劑補(bǔ)充裝置進(jìn)入到槽液儲(chǔ)備槽中，進(jìn)行槽液的循環(huán)。槽液采用置于陽(yáng)極前面的一排排噴嘴進(jìn)行噴流循環(huán)，鍍液通過(guò)噴嘴噴射到陰極板上，將藥液吹入孔內(nèi)，降低毛細(xì)管現(xiàn)象，有助于實(shí)現(xiàn)填充。本文采用150 g/L CuSO4·5H2O、98% H2SO470 g/L、36%HCl 0.16 ml/L，潤(rùn)濕劑、光亮劑、整平劑的比例（體積比）為10:4:5配置的電鍍液體系進(jìn)行電鍍以考察不同噴壓對(duì)盲孔填孔率的影響。噴流大小對(duì)填孔效果有一定影響，孔內(nèi)孔底和孔壁的銅沉積隨著電鍍時(shí)間的增加呈超等角填充，噴流過(guò)小時(shí)藥液無(wú)法充分進(jìn)入到盲孔內(nèi)，不利于填充。隨著噴流壓力不斷增加，孔內(nèi)沉積效果逐漸變好，但當(dāng)噴流過(guò)大時(shí)填孔率反而有所下降，這可能是由于噴壓過(guò)大導(dǎo)致噴入孔內(nèi)的藥液還沒(méi)來(lái)得及在加速劑的作用下進(jìn)行銅沉積便被帶出孔內(nèi)，阻礙了填孔動(dòng)作的完成。因此，根據(jù)不同的藥水選擇合適的噴壓對(duì)填孔電鍍的填孔率有很大幫助。

3.3 電流密度及其組合對(duì)填孔電鍍填孔率的影響

電流密度大小及其組合也是影響填孔電鍍填孔率的一大影響因素[9]，較小電流有利于實(shí)現(xiàn)超級(jí)填充，保證通孔的深鍍能力，但是以小電流進(jìn)行電鍍所需時(shí)間很長(zhǎng)，制造成本會(huì)大大增加，不適合產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。因此選擇合適的電流組合也很重要，既節(jié)省制程成本又達(dá)到最佳的電鍍效果。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)幾組不同參數(shù)組合的填孔效果進(jìn)行研究，填孔效果如表2 。從圖中可以看出，采用大電流時(shí)，填孔效果較差，孔內(nèi)易出現(xiàn)空洞。而采用同樣小的電流進(jìn)行電鍍卻不一定都能達(dá)到較好的填充效果，因電流密度的大小還與盲孔深徑比有關(guān)，只有選擇合適的參數(shù)組合才能達(dá)到最好的填孔效果。

3.4 設(shè)備條件對(duì)填孔電鍍填孔率的影響

本文采用自制電鍍槽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴流速度，通過(guò)改變陽(yáng)極卡于槽體上的凹槽位置來(lái)改變陰陽(yáng)極間的距離，陰陽(yáng)極距離可從3 cm調(diào)節(jié)至12 cm。陰陽(yáng)極距離對(duì)于電鍍的填孔率有一定的影響，選擇合適的陽(yáng)陽(yáng)極距離有助于填孔動(dòng)作的完成。但是不同噴壓下需調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極距離才能達(dá)到更好的填充效果，這可能是由于噴嘴呈圓錐形噴出，相鄰的兩排噴嘴噴射出的水柱在不同位置會(huì)交叉噴射，從而降低噴流壓力，因此要使得噴流壓力在合適的位置噴到陰極板上才有助于各添加劑進(jìn)入到孔內(nèi)，完成超級(jí)填充。

4 結(jié)論

各添加劑在氯離子的協(xié)同作用下對(duì)填孔起著至關(guān)重要的作用，光亮劑在氯離子協(xié)同作用下加速在孔底的沉積，整平劑與潤(rùn)濕劑在氯離子協(xié)同作用下將加速劑代入孔內(nèi)，并抑制表面沉積，加速填孔。適宜的噴壓有助于將藥水帶進(jìn)盲孔內(nèi)，降低毛細(xì)管現(xiàn)象，但噴壓過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致光澤劑來(lái)不及反應(yīng)即被帶出，阻礙了銅離子在孔內(nèi)的沉積，不利于填充；電流密度及其組合對(duì)電鍍填孔影響較大，電鍍初期適宜用低電流緩鍍的方式使添加劑充分進(jìn)入到孔內(nèi)，中期及后期適宜稍大電流，加快銅離子在孔內(nèi)的沉積，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)填充；陰陽(yáng)極距離保持在5cm左右填孔效果最佳。

表2 不同電流組合的填孔效果

[1]Mark Lefebvre, George Allardyce, Masaru Seita, Hideki Tsuchida, Masaru Kusaka, Shinjiro Hayashi. Copper electroplating technology for microvia filling. Circuit World, 2003, 29(2):9-14.

[2]陳世金, 徐緩, 羅旭, 覃新, 韓志偉. 影響印制線路板電鍍填盲孔效果的因素[J]. 電鍍與涂飾, 2012, 31(12):33-37.

[3]Wei-Ping Dow, Ming-Yao Yen, Sian-Zong Liao, Yong-Da Chiu, Hsiao-Chun Huang. Filling mechanism in microvia metallization by copper electroplating[M]. Electrochimica Acta 53 (2008) 8228-8237.

[4]Wei Wang, Ya-Bing Li, Yong-Lei Li. Invalidating mechanism of bis (3-sulfopropyl) disulfide (SPS) during copper via-filling process[M]. Applied Surface Science 255 (2009) 4389-4392.

[5]Ya-Bing Li, Wei Wang, Yong-Lei Li. Investigations on the invalidated process and related mechanism of PEG during copper via-filling process. Applied Surface Science 255 (2009)3977-3982.

[6]殷列, 王增林. 不同分子量PEG的銅電鍍液對(duì)電化學(xué)沉積銅行為的研究[J]. 電化學(xué), 2008, 14(4): 431-434. Wei-Ping Dow, Chih-Chan Li, Yong-Chih Su, Shao-

[7]Ping Shen, Chen-Chia Huang,Cliff Lee, Bob Hsu, Shar Hsu. Microvia filling by copper electroplating using diazine black as a leveler[M]. Electrochimica Acta 54(2009) 5894-5901.

[8]孫俊杰, 歐陽(yáng)小平, 陸然, 倪超. 噴流方式對(duì)電鍍填孔影響的分析[J]. 印制電路信息, 2012(10):22-33

[9]崔正丹, 謝添華, 李志東. 不同電鍍參數(shù)組合對(duì)電鍍填孔效果影響研究[J]. 印制電路信息, 2011(4):80-84.

伊洪坤，研發(fā)工程師，主要從事PCB特用化學(xué)品的研究開發(fā)工作。

Study of the effect of the additives and processing conditions in PCB blind hole filling

YI Hong-Kun WANG Wei-Ren

Studying the mechanism of b, Leveler, wetter in blind hole plating processing by using the self making equipment, and the effect of spray pressure, current density, distance between the anode and cathode on the filling rate. The experimental results showed that the additives play a vital role in the blind hole filling process with the synergistic effect of chloride ions. Suitable spray pressure helps the additives into the blind hole, current densities and it’s combinations have great impact on blind hole filling, 5cm between anode and cathode is best for filling.

Blind Hole; Additives; Processing Condition

TN41

A

1009-0096（2014）03-0050-04