添加劑之間的交互作用對(duì)盲孔填充的影響

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）陳世金（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）肖定軍 譚 澤（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

添加劑之間的交互作用對(duì)盲孔填充的影響

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）
陳世金
（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）
肖定軍 譚 澤
（廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061）

添加劑作為填孔鍍液中重要的組成成分。本文利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究添加劑間交互作用對(duì)盲孔填充的影響，利用Design-Expert軟件分析得出以填充率為響應(yīng)值的回歸方程，并對(duì)擬合方程進(jìn)行方差分析。同時(shí)利用該擬合方程，優(yōu)化試驗(yàn)，得到各添加劑最佳填孔濃度參數(shù)。結(jié)果顯示添加劑間交互作用顯著，其中以光亮劑和整平劑間的交互作用對(duì)盲孔填充影響最大。所得擬合方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好，用來(lái)優(yōu)化盲孔填充率是可行的。

盲孔；填孔；添加劑；響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，電路板的盲孔互連技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[1]。在盲孔孔金屬化工藝中采用填銅結(jié)構(gòu)可以提高電路板層間的導(dǎo)通性，改善產(chǎn)品的導(dǎo)熱性，減少孔內(nèi)空洞，降低傳輸信號(hào)損失，這將有利于提高電子產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[2]。而要達(dá)到良好的填鍍效果，要求填孔制程開始后盲孔孔底的銅沉積速率高于孔口位置的銅沉積速率，最終達(dá)到超等角填充效果，即所謂的“Bottom-up Filling”或“Super Filling”[3]。而在這過(guò)程中，填孔鍍液中的各種添加劑之間的交互作用直接影響著填鍍工藝的順利進(jìn)行。因此，本文運(yùn)用了曲面響應(yīng)法[4]，研究了各種添加劑間的交互作用對(duì)盲孔填充的影響。得出添加劑之間的交互作用曲線，以及最佳的濃度范圍。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)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17.1 μm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。

本實(shí)驗(yàn)采用哈林槽來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，所用電源為直流電源，特制哈林槽規(guī)格為1 L，電鍍時(shí)采用鈦籃作為不溶性陽(yáng)極，陰陽(yáng)極距離為10.5 cm，采用打氣的攪拌方式。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：

硫酸銅：230 g/L

硫酸：22 ml/L

氯離子：50 mg/L

電鍍時(shí)間：50 min

電流密度：1.7 A/dm2～ 1.9A/dm2

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，各添加劑的控制范圍是：光亮劑：0.5 ml/L～1.5 ml/L，整平劑：10 ml/L～20 ml/L，運(yùn)載劑：7 ml/L～17 ml/L。在此基礎(chǔ)上，采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)來(lái)安排試驗(yàn)，得出各添加劑的因素水平表，如表1所示。

表1 添加劑響應(yīng)曲面分析的因素水平表

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

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。按照響應(yīng)曲面中心復(fù)合設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)，填孔后用金相顯微鏡對(duì)盲孔橫截面進(jìn)行觀察。在試驗(yàn)過(guò)程中以微盲孔填充率作為試驗(yàn)指標(biāo)。中心復(fù)合設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)曲面中心復(fù)合設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 盲孔填充率與各變量關(guān)系模型

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。表3和表4分別為盲孔填充率與各添加劑間多種擬合模型的分析比較。表3為不同模型方差分析比較，從中可看出二次方程模型的擬合效果要好于其它模型。表4對(duì)能夠擬合數(shù)據(jù)的各種多項(xiàng)式模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)、均方差和偏差平方和的結(jié)果進(jìn)行了比較，從比較結(jié)果來(lái)看，同樣是二次多項(xiàng)式模型為最優(yōu)。

綜合表3和表4的比較結(jié)果，我們選取二次多項(xiàng)式模型來(lái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，建立以盲孔填充率為響應(yīng)值的回歸模型： 其中，Y為填充率（%）；x1為光亮劑濃度（ml/L）；x2為整平劑濃度（ml/L）；x3為運(yùn)載劑濃度（ml/L）。

對(duì)該模型方程進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表5，該結(jié)果表明填孔鍍液中光亮劑、整平劑和運(yùn)載劑的含量對(duì)盲孔填充效果有較大影響，各因子間交互作用明顯。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，該模型回歸顯著（P<0.0001），模型的校正決定系數(shù)為R2adj=0.9533，說(shuō)明該模型能解釋95.33%響應(yīng)值的變化，與實(shí)際試驗(yàn)擬合良好，試驗(yàn)誤差小，證明該用該模型來(lái)優(yōu)化盲孔填充率是可行的。從表5、表6中還可以看出，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，從單因素影響來(lái)看，對(duì)盲孔填充影響最大的是整平劑和運(yùn)載劑，光亮劑次之。在各添加劑交互作用下，他們對(duì)盲孔填充的影響順序是：（光亮劑×整平劑）>（整平劑×運(yùn)載劑）>（光亮劑×運(yùn)載劑）。

表3 多種模型方差分析比較

表4 多種模型R2綜合分析

表5 盲孔填充率方差分析表

表6

我們可以用殘差的正態(tài)圖來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)模型的適合性，如圖1所示。從殘差圖可以看出，大部分真實(shí)值都接近預(yù)測(cè)值，對(duì)稱分布在預(yù)測(cè)值的兩側(cè)，說(shuō)明該模型與實(shí)際結(jié)果擬合較好。

圖2、圖3和圖4分別為光亮劑、整平劑和運(yùn)載劑相互之間的響應(yīng)曲面圖?？梢灾庇^的分析各添加劑間的交互作用對(duì)盲孔填充的影響，從中可以看出三者間的交互作用非常明顯。

圖1 以填充率為響應(yīng)值的二次方程模型殘差正態(tài)圖

由圖2和圖3可知，當(dāng)整平劑和運(yùn)載劑不變時(shí)，隨著光亮劑的增加，盲孔填充率先增加后減小。由添加劑對(duì)流吸附機(jī)理模型（CDA）可知，在對(duì)流、擴(kuò)散作用下盲孔孔壁銅表面的光亮劑替代了原來(lái)的運(yùn)載劑，光亮劑吸附增加，盲孔孔底Cu+與光亮劑中的S元素形成配合物，從而實(shí)現(xiàn)了Bottom-up效果。因此光亮劑含量太低時(shí)，分子擴(kuò)散到孔底處的機(jī)率低，盲孔孔底的Cu+與光亮劑中S元素形成配合物的數(shù)量少，不能加快孔底沉積，呈亞等角沉積模式。而光亮劑含量的增加使得其分子到達(dá)孔底的機(jī)率增大，有利于配合物的形成，加速了孔底銅的沉積，沉積方式為超等角沉積。但過(guò)量的光亮劑會(huì)破壞各添加劑在盲孔處的分布規(guī)律，從而影響填孔效果。

由圖2、圖4可知，當(dāng)光亮劑和運(yùn)載劑不變時(shí)，隨著整平劑的增加，盲孔填充率也是先增加后減小。這是因?yàn)檎絼┦且环N含氮雜環(huán)類大分子聚合物，它帶有明顯的正電性，填孔電鍍時(shí)主要吸附在高電流密度的孔口處，抑制孔口處的沉積。當(dāng)其含量太低時(shí)，對(duì)孔口抑制效果也相應(yīng)降低，增加其含量將使它能有效地吸附在孔口，抑制孔口的電沉積速率，但含量太高時(shí)，其擴(kuò)散到孔內(nèi)的機(jī)率也將增大，影響光亮劑在孔內(nèi)的吸附，從而影響盲孔填孔效果。

圖2 光亮劑、整平劑對(duì)盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

圖3 光亮劑、運(yùn)載劑對(duì)盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

圖4 整平劑、運(yùn)載劑對(duì)盲孔填充影響的響應(yīng)曲面圖，（a）等高線圖，（b）三維立體圖

由圖3、圖4可知，當(dāng)光亮劑和整平劑不變時(shí)，隨著運(yùn)載劑的增加，盲孔填充率先增加后減小。運(yùn)載劑是一種吸附性極強(qiáng)的大分子表面活性劑。極易吸附在板銅表面，抑制該處的電沉積速率。運(yùn)載劑含量太低時(shí)，不足以在表面形成完整的吸附薄膜，抑制效果差，含量太高則在強(qiáng)烈空氣攪拌下產(chǎn)生過(guò)多的泡沫，這些泡沫極易進(jìn)入孔內(nèi)卻很難及時(shí)排出，從而形成空洞。

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)

各因素在選取的試驗(yàn)范圍內(nèi)，，根據(jù)回歸模型利用Design-Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，分析得出盲孔填鍍過(guò)程中各添加劑的最佳條件為：光亮劑為0.92 ml/L，整平劑為12.65 ml/L，運(yùn)載劑為12.72 ml/L。為了實(shí)際操作的便利，確定盲孔填鍍各添加劑的濃度為：光亮劑為0.9 ml/L，整平劑為12.7 ml/L，運(yùn)載劑為12.7 ml/L，在最佳條件下盲孔填充率為97.38%與預(yù)測(cè)值97.45%基本一致。達(dá)到了參數(shù)優(yōu)化的目的。其金相切片如圖5所示。

圖5 光亮劑為0.9ml/L，整平劑為12.7ml/L，運(yùn)載劑為12.7ml/L時(shí)100μm盲孔填充橫截面圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)法優(yōu)化試驗(yàn)，得出填孔鍍液中各添加劑間的交互作用對(duì)盲孔填充的影響，繪制出相應(yīng)的響應(yīng)曲面。結(jié)果表明在交互作用下，盲孔填充率隨各添加劑的增加，變化趨勢(shì)都為先增加后減小。本文以盲孔填充率為響應(yīng)值，得出以填充率為響應(yīng)值的回歸方程：

其中，Y為填充率（%）；x1為光亮劑濃度（ml/L）；x2為整平劑濃度（ml/L）；x3為運(yùn)載劑濃度（ml/L）。

該模型的方差分析結(jié)果表明，擬合檢驗(yàn)極顯著，校正決定系數(shù)為R2adj=0.9533，該方程能較好地預(yù)測(cè)盲孔填充率隨添加劑變化的規(guī)律。

（2）響應(yīng)曲面優(yōu)化盲孔填充率的最加添加劑濃度：光亮劑0.9ml/L，整平劑12.7 ml/L，運(yùn)載劑12.7 ml/L。

該論文得到廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013C092）。

[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]周珺成,何為,周國(guó)云,王守緒. PCB盲孔鍍銅填孔添加劑研究進(jìn)展[J]. 印制電路信息, 2012, 07∶35-39.

[3]Takeshi Kobayashi, Junichi Kawasaki, Kuniaki Mihara, et a1. Via-filling using electroplating for build-up PCBs[J]. Electrochimica Acta, 2001(47)∶85～89.

[4]何為,薛衛(wèi)東,唐斌. 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)分析[M]. 北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

彭佳，從事印制電路及電子化學(xué)品領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。

The effect of the interaction between different additives on blind via filling

PENG Jia HE Wei WANG Chong CHEN Shi-jin XIAO Ding-jun TAN Ze

In this paper, the response surface methodology was used to optimize the experiment which studies the effect of the interaction between different additives on blind via filling. It obtained and analyzed the regression equation for the filling power as the response to additives through design-expert software. Furthermore, it obtained the optimum conditions of each additive through optimization experiment. The results showed that the interaction between different additives was significant, particularly the one between brightener and leveler. The fitting equation is feasible to be used to optimize the blind via filling because it fits well on the test data.

Blind Via; Filling Plating; Additive; Response Surface Methodology

TN41

A

1009-0096（2014）09-0025-04