不同電流密度對直流電鍍填盲孔的影響研究

張劍如

（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515041）

1 前言

電子產(chǎn)品的微小化使高密度布線增加，同時功能和可靠性很大程度上依賴于盲孔的填孔技術(shù)。電鍍填盲孔已成為高密度HDI制作的一個關(guān)鍵流程。一般情況下，在高銅低酸的電鍍液中，在有機添加劑的作用下，盲孔底部的沉積速率遠大于表面的沉積速率，最終將盲孔填平，此為電鍍填盲孔。

電鍍液中有機添加劑一般可分為光亮劑、整平劑和運載劑三種。光亮劑也稱為加速劑，其分子中含有極性較小的雙S鍵，如聚二硫二丙烷磺酸鈉SPS等，在電鍍中主要作用是幫助銅離子加速在陰極還原，使銅層結(jié)構(gòu)變得更細致，其容易吸附在盲孔孔底等低電流區(qū)域，加速銅的沉積速率。整平劑一般為含氮官能團的有機化合物，極性很強，帶強烈正電性，吸附在孔角等高電流區(qū)域，抑制銅的沉積速率，在氯離子等協(xié)同作用下將盲孔填平。運載劑也稱為抑制劑，通常為聚乙烯二醇PEG等聚醇類化合物，表面濃度高，孔底濃度低，形成濃度差，以抑制表面銅的沉積。在有機添加劑的作用下，盲孔底部的沉積速率大于表面的沉積速率，使盲孔實現(xiàn)遠超過100%的深鍍能力，最終實現(xiàn)盲孔填平。當(dāng)然，電鍍過程中，盲孔底部的沉積速率和表面的沉積速率之比是在不斷變化的。隨著盲孔孔徑的縮小，盲孔孔內(nèi)光亮劑的濃度增加，盲孔孔內(nèi)銅的沉積速率會大大提高，盲孔底部和表面銅的沉積速率之比會迅速提高，加速盲孔填平，此為爆發(fā)期。如圖1所示：

圖1

電鍍填盲孔效果評價一般可用凹陷度（Dimple）和填孔率兩種來判斷盲孔是否填平，本文采用填孔率來評估電鍍填盲孔效果。填孔率計算公式為填孔率=B/A×100%。如下示意圖：

圖2

當(dāng)然在滿足填孔率良好的情況下，需確?？變?nèi)無鍍層空洞、裂縫等不良品質(zhì)出現(xiàn)。

另外隨著線路越來越細，為確保線路制作良率，需使板件表面銅厚降低，這要求在確保電鍍填盲孔效果的同時盡量降低表面鍍層銅厚或者通過增加減銅的方法來降低表面銅厚。

2 影響盲孔深鍍能力的因素分析

業(yè)界研究已經(jīng)表明電鍍填盲孔存在爆發(fā)期。電鍍填孔過程本身受各種藥水成分、藥水交換條件、有機添加劑吸附、盲孔大小和電流密度等因素影響。本文通過固定其他因素如采用統(tǒng)一的電鍍液、試驗鍍槽和槽片等，在哈林槽試驗不同電流密度情況下的電鍍填盲孔過程，并嘗試通過改變電流組合使即能滿足電鍍填孔效果有能使鍍銅量降低。

2.1 單張106B片，3mil盲孔的填孔行為

將同一拼板按哈林槽所需尺寸，鑼成幾塊小板。每塊小板測試一個電鍍條件，每測試一個條件均更換新鮮電鍍槽液。測試樣板采用單張106B片，實測介質(zhì)層厚度約45 μm，盲孔孔徑為0.075 mm。電鍍條件如表1。

測試板件在哈林槽分別按上述條件電鍍，電鍍后取同一位置進行切片分析，計算其填孔率，結(jié)果如圖3。

圖3

從結(jié)果看，電鍍前20 min處于平緩狀態(tài)，20 min后開始爆發(fā)，尤其是在30 min后，填孔率迅速提升，且在爆發(fā)期采用高電流密度可明顯縮短爆發(fā)期時間，提高填孔效果。

2.2 單張106B片，0.1 mm盲孔的填孔行為

將同一拼板按哈林槽所需尺寸，鑼成幾塊小板。每塊小板測試一個電鍍條件，每測試一個條件均更換新鮮電鍍槽液。測試樣板采用單張106B片，實測介質(zhì)層厚度約45 μm，盲孔孔徑為0.1 mm。電鍍條件如表2。

測試板件在哈林槽分別按上述條件電鍍，電鍍后取同一位置進行切片分析，計算其填孔率，結(jié)果如圖4。

圖4

表1

表2

從結(jié)果看，電鍍前20 min處于平緩狀態(tài)，20 min后開始爆發(fā)，尤其是在30 min后，填孔率迅速提升，且在爆發(fā)期采用高電流密度可明顯縮短爆發(fā)期時間，提高填孔效果。此點結(jié)論和0.075 mm盲孔基本一致，但總體填孔率相對0.075 mm盲孔較低，表明在同等鍍銅量的情況下，盲孔容量越大，填孔效果越差。

2.3 單張1080HB片，0.075 mm盲孔的填孔行為

將同一拼板按哈林槽所需尺寸，銑成幾塊小板。每塊小板測試一個電鍍條件，每測試一個條件均更換新鮮電鍍槽液。測試樣板采用單張1080HB片，實測介質(zhì)層厚度約80 μm，盲孔孔徑為0.075 mm。電鍍條件采用低、中、高及中高組合電流密度四種條件進行試驗，如表3。

測試板件在哈林槽分別按上述條件電鍍，電鍍后取同一位置進行切片分析，計算其填孔率，結(jié)果如圖5。

從結(jié)果看，電鍍前20 min，低、中、高三組電流密度的填孔率大致一樣，20 min后開始爆發(fā)，電鍍填孔率迅速提升，其中，高電流密度提升最為明顯，其次為中電流密度，低電流密度提升最為緩慢，這和鍍銅量有一定關(guān)系。試驗中，筆者嘗試在電鍍填孔爆發(fā)前即電鍍前20 min采用中電流密度，爆發(fā)期采用高電流密度方式的組合電流方式進行測試，從測試結(jié)果看，其電鍍填孔率提升曲線和直接采用高電流密度的填孔率曲線一致，表明可通過組合電流方式降低整體鍍銅量，進而降低面銅厚度。

圖5

從圖中可知，隨著時間的推移，0.075 mm盲孔孔徑在逐步縮小，盲孔底部呈超等角沉積，在進入電鍍填孔爆發(fā)期后，底部沉積速率迅猛提升至盲孔填平，且盲孔孔內(nèi)無出現(xiàn)空洞、裂紋等不良品質(zhì)。

2.4 單張1080HB片，0.1 mm盲孔的填孔行為

將同一拼板按哈林槽所需尺寸，鑼成幾塊小板。每塊小板測試一個電鍍條件，每測試一個條件均更換新鮮電鍍槽液。測試樣板采用單張1080HB片，實測介質(zhì)層厚度約80 μm，盲孔孔徑為0.1 mm。電鍍條件如表4。

表3

表4

測試板件在哈林槽分別按上述條件電鍍，電鍍后取同一位置進行切片分析，計算其填孔率，結(jié)果如圖6。

圖6

從結(jié)果看，電鍍前20 min，低、中、高三組電流密度的填孔率大致一樣，20 min后開始爆發(fā)，電鍍填孔率迅速提升，其中，高電流密度提升最為明顯，其次為中電流密度，低電流密度提升最為緩慢，這和鍍銅量有一定關(guān)系。試驗中，本文嘗試在電鍍填孔爆發(fā)前即電鍍前20 min采用中電流密度，爆發(fā)期采用高電流密度方式的組合電流方式進行測試，從測試結(jié)果看，其電鍍填孔率提升曲線和直接采用高電流密度的填孔率曲線一致，表明可通過組合電流方式降低整體鍍銅量，進而降低面銅厚度。

隨著時間的推移，0.1 mm盲孔孔徑在逐步縮小，盲孔底部呈超等角沉積，在進入電鍍填孔爆發(fā)期后，底部沉積速率迅猛提升至盲孔填平，且盲孔孔內(nèi)無出現(xiàn)空洞、裂紋等不良品質(zhì)。受電鍍填孔鍍銅量影響，切片顯示采用高電流及組合電流的電鍍填孔效果比采用中電流的要好。

采用0.1 mm盲孔的填孔率曲線和0.075 mm的填孔率曲線非常一致，多次哈林槽試驗表明，直流電鍍填盲孔存在爆發(fā)期，且爆發(fā)期在20 min以后。在爆發(fā)期前，采用低、中、高電流密度的填孔率都是差不多的，但爆發(fā)期后，電流密度越高，填孔率提升效果越明顯。

3 總結(jié)

本文將電鍍理論和實踐相結(jié)合，在哈林槽采用不同電流密度進行重復(fù)驗證，通過多種介質(zhì)層厚度、多種盲孔孔徑的重復(fù)驗證，得出如下結(jié)論：

（1）直流電鍍填孔存在爆發(fā)期，且爆發(fā)期在20分鐘以后；

（2）在爆發(fā)期前，采用低、中、高電流密度的填孔率基本一致；

（3）在填孔爆發(fā)期期間，電流密度越高，填孔率提升效果越明顯，可通過在爆發(fā)期采用高電流密度方式縮短電鍍周期，提升電鍍填孔產(chǎn)能。

（4）通過采用爆發(fā)期前配合中電流密度，爆發(fā)期時配合高電流密度的組合電流方式可獲得直接采用高電流密度填孔的一致填孔率曲線，可適當(dāng)降低電鍍填孔整體鍍銅量，進而降低面銅厚度；

本次實驗均在哈林槽中完成。后續(xù)將需繼續(xù)在生產(chǎn)線驗證采用組合電流密度降低面銅厚度的可行性。