通孔電鍍填孔工藝研究與優(yōu)化

劉 佳 陳際達(dá)（重慶大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，重慶 401331）鄧宏喜 陳世金 郭茂桂（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）何 為 江俊峰（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

通孔電鍍填孔工藝研究與優(yōu)化

Paper Code: S-014

劉 佳 陳際達(dá)
（重慶大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，重慶 401331）
鄧宏喜 陳世金 郭茂桂
（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）
何 為 江俊峰
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

為了提高高密度互連印制電路板的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和可靠性，實(shí)現(xiàn)通孔與盲孔同時(shí)填孔電鍍的目的，以某公司已有的電鍍填盲孔工藝為參考，適當(dāng)調(diào)整填盲孔電鍍液各組分濃度，對(duì)通孔進(jìn)行填孔電鍍。運(yùn)用正交試驗(yàn)法研究加速劑、抑制劑、整平劑、H2SO4濃度對(duì)通孔填充效果的影響，得到電鍍填通孔的最優(yōu)參數(shù)組合，并對(duì)其可靠性進(jìn)行測(cè)試。將得到的最優(yōu)電鍍配方用于多層板通孔與盲孔共同填孔電鍍。結(jié)果表明：電鍍液各成分對(duì)通孔填充效果的影響次序是：抑制劑>整平劑>加速劑>H2SO4；最優(yōu)配方是：加速劑濃度為0.5 ml/L，抑制劑濃度為17 ml/L，整平劑濃度為20ml/L，H2SO4濃度為30 g/L。在最優(yōu)配方下，通孔填孔效果顯著提高，其可靠性測(cè)試均符合IPC品質(zhì)要求。該電鍍配方可以實(shí)現(xiàn)多層板通孔與盲孔共同填孔電鍍，對(duì)PCB領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

高密度互連；電鍍；通孔填充；同時(shí)填充；正交試驗(yàn)

1 前言

通孔在高密度電氣互連和任意層電氣互連中起重要作用。傳統(tǒng)的通孔孔壁金屬化的孔化電鍍技術(shù)需要樹(shù)脂塞孔，磨板整平，層壓前再次金屬化過(guò)程，制作流程繁瑣，而且樹(shù)脂塞孔后因樹(shù)脂與基板材料溫度膨脹系數(shù)不同而容易導(dǎo)致破孔等問(wèn)題。孔壁金屬化后填充導(dǎo)電膠技術(shù)中導(dǎo)電膠容易固化收縮，影響高密度互連的可靠性。故傳統(tǒng)的孔壁金屬化的孔化電鍍技術(shù)和通孔內(nèi)填充導(dǎo)電膠技術(shù)已經(jīng)不能滿足HDI板高密度、高導(dǎo)電性和高可靠性等要求。為了解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)良好的電氣互連，通孔填孔電鍍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)不僅可以增強(qiáng)互連線路的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和HDI板的機(jī)械強(qiáng)度[1]，提高布線密度和導(dǎo)電效果，而且能夠消除填充、整平和封裝步驟的分離，縮短PCB生產(chǎn)流程[2]。通孔填孔電鍍技術(shù)已經(jīng)成為多層板制造最重要的技術(shù)之一[3]。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用比較少，國(guó)內(nèi)有關(guān)該技術(shù)的文獻(xiàn)也比較少。

由于通孔和盲孔幾何形狀不同，一般適用于盲孔填充的電鍍配方通常不適用于通孔填充[5]。因此，利用該公司傳統(tǒng)的電鍍填盲孔配方及電鍍參數(shù)填充通孔（電鍍液組成為220 g/L硫酸銅，40g/L硫酸，0.005%Cl-，1.0 ml/L加速劑，12 ml/L抑制劑，15 ml/L整平劑），其填孔效果并不理想，如圖1所示，其凹陷度為13 μm ～ 25 μm，填充率為70%～85%，甚至有的孔內(nèi)還有縫隙，不能滿足IPC品質(zhì)要求。本實(shí)驗(yàn)方案是通過(guò)對(duì)某公司用于填充盲孔的電鍍液配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法[4]優(yōu)化電鍍液組成參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較好的通孔填充效果，得到可用于多層板通孔和盲孔共同填孔電鍍的電鍍配方，實(shí)現(xiàn)通孔與盲孔同時(shí)填孔電鍍的目的。

1 填孔電鍍工藝

1.1 通孔填銅電鍍技術(shù)

通孔填充過(guò)程中銅優(yōu)先沉積在孔中心而不是孔口，故電鍍銅填充通孔的橫截面類似蝴蝶，我們稱這種電鍍技術(shù)為蝴蝶技術(shù)[6]。由于板面和孔口的對(duì)流優(yōu)于孔中心，添加劑從孔口到孔中心呈階梯濃度，板面和孔口的沉積速率小于孔中心，因此，電鍍填通孔機(jī)理是有機(jī)添加劑吸附/消耗/擴(kuò)散模式[7]。

1.2 通孔電鍍的填充能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

通孔填孔電鍍過(guò)程必須使填充能力最大化，表銅厚度最小化，展現(xiàn)出無(wú)空洞、低凹陷度和均勻銅表面分布等綜合性特點(diǎn)[8]。填充能力的量度是填充率[8]。填充率是指鍍銅層厚度B除以整個(gè)厚度A。鍍銅填孔可接受的標(biāo)準(zhǔn)是填孔率B/A＞78%[9]。填充率越大，填孔效果越好。通孔填孔率計(jì)算方法如圖1所示。

圖1 通孔的填孔率=B/A×100%

1.3 添加劑的影響

加速劑又稱光亮劑，通常為含硫原子的小分子化合物，它能降低低電流密度區(qū)Cu2+電沉積電位，促進(jìn)銅沉積速率，而且有利于晶核的形成，使鍍銅層光滑致密。抑制劑多為聚醚類化合物，是吸附性強(qiáng)的大分子表面活性劑，可降低鍍液表面張力，它與Cl-協(xié)同作用提高高電流密度區(qū)Cu2+電沉積電位，從而抑制表銅的沉積。整平劑是一種含氮雜環(huán)類大分子聚合物，帶正電，能提高銅的分散能力，容易吸附在陰極凸起區(qū)或轉(zhuǎn)角處等高電流密度區(qū)與Cu2+競(jìng)爭(zhēng)電荷從而抑制銅的沉積，導(dǎo)致整平效應(yīng)。整平劑的還原性使其在電鍍過(guò)程中被消耗。因此，從孔口到孔中心將形成整平劑的梯度濃度[6]。H2SO4電離產(chǎn)生的質(zhì)子容易進(jìn)攻整平劑的N原子，改變整平劑的分子結(jié)構(gòu)。高濃度的H2SO4與整平劑發(fā)生快速的化學(xué)反應(yīng)，使整平劑沿通孔的濃度階梯度降低，影響通孔填孔電鍍的填充效果，所以硫酸的濃度不能太高[6]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

材料：FR-4雙面覆銅箔層壓板、半固化片、銅箔、CuSO4·5H2O(A.R)、H2SO4(A.R) 、Cl、加速劑、抑制劑、整平劑等。

設(shè)備：機(jī)械鉆孔機(jī)、CO2激光鉆孔機(jī)、板電線、垂直連續(xù)電鍍線、直流電源、哈林槽、電子天平、金相顯微鏡、烘箱、錫爐、冷熱循環(huán)試驗(yàn)箱等。

2.2 工藝流程

（1）開(kāi)料。將基板材料型號(hào)是FR-4，基板厚度為0.1 mm的印制電路板裁剪成250 mm×250 mm規(guī)格。

（2）機(jī)械鉆孔。制作直徑為100 μm的通孔，鉆咀直徑為0.1 mm。

（3）化學(xué)沉銅。經(jīng)清洗、微蝕、活化等前處理后進(jìn)行化學(xué)沉銅，時(shí)間為30 min?；瘜W(xué)沉銅厚度為0.3 μm ～0.5 μm。

（4）裁板。把250 mm×250 mm規(guī)格的板裁剪成115 mm×60 mm規(guī)格。

（5）電鍍填孔。經(jīng)脫脂、微蝕、水洗、酸化等前處理后，在1 L哈林槽中電鍍，電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時(shí)間為80 min。

（6）切片。在電路板同一位置取10 mm×16 mm大小的切片，用金相顯微鏡觀察填孔情況。

2.3 通孔填銅電鍍正交試驗(yàn)

填孔電鍍過(guò)程中，在不影響填孔效果的前提下Cu2+濃度越高越好，而Cl-添加量百萬(wàn)分之幾，可變化范圍太小對(duì)填孔效果影響不明顯，故在此不予考慮硫酸銅與Cl-的濃度變化。一般來(lái)說(shuō)，HDI板孔徑大小控制在100 μm ～ 150 μm之間[7]，本實(shí)驗(yàn)選擇100 μm孔徑。在1L哈林槽中，采用不溶性陽(yáng)極材料和空氣攪拌方式，控制電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時(shí)間為80 min。具體鍍液組成如下：

CuSO4230 g/L

Cl-0.005%

H2SO430-50 g/L

加速劑 0.5-1.5 mL/L

抑制劑 7-17 mL/L

整平劑 10-20 mL/L

根據(jù)公司生產(chǎn)規(guī)定的用于電鍍填盲孔的電鍍液各組分濃度的適用范圍，用L9（34）正交表研究加速劑、抑制劑、整平劑、H2SO4濃度四個(gè)因素對(duì)通孔填充效果的影響，以通孔填充率為考察指標(biāo)，找出電鍍銅填充通孔的電鍍藥液最優(yōu)參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素-水平表

2.4 可靠性測(cè)試

2.4.1 熱應(yīng)力測(cè)試

將試樣置于150 ℃ 烘箱中2 h 后取出，冷卻至室溫。然后在288 ℃ 的錫爐中完全浸入錫液10 s，取出冷卻至室溫后再次浸錫。經(jīng)3次浸錫后取出試樣，冷卻至室溫后做切片，用金相顯微鏡觀察切片圖。觀察是否有孔銅斷裂、分層、爆板等現(xiàn)象。

2.4.2 冷熱循環(huán)測(cè)試

在冷熱循環(huán)試驗(yàn)箱中，將試樣至于高溫125 ℃與低溫-55 ℃各30 min，在每一次循環(huán)過(guò)程中常溫保持20 min，測(cè)試循環(huán)50次。取出試樣冷卻到室溫后做切片，用金相顯微鏡觀察是否有孔銅斷裂、分層、爆板等現(xiàn)象。

2.5 通孔與盲孔共填孔電鍍

電鍍填通孔技術(shù)通常用于多層板。在HDI板中，往往存在通孔與盲孔都需要進(jìn)行電鍍，分別對(duì)通孔和盲孔進(jìn)行電鍍填孔，需要兩次電鍍，流程繁瑣。通孔和盲孔共同填孔電鍍技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以簡(jiǎn)化工藝流程，縮短生產(chǎn)周期。本實(shí)驗(yàn)使用型號(hào)為1060半固化片和12 μm銅箔壓合成四層板（厚度為230 μm），在該板上制作孔徑為100 μm的通孔（厚徑比為2.3）和盲孔（厚徑比為0.5），在上述正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)配方條件下進(jìn)行通孔與盲孔共同填孔電鍍，工藝參數(shù)與正交試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)相同，電鍍時(shí)間為100 min。切片后用金相顯微鏡觀察通孔與盲孔的填充情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)

在填孔試驗(yàn)中，填孔率是填孔能力的量度。本實(shí)驗(yàn)以填孔率為試驗(yàn)考察指標(biāo)。對(duì)每組試驗(yàn)取10個(gè)孔進(jìn)行切片觀察，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可知，通孔電鍍填孔效果受抑制劑濃度、整平劑的影響較大，受光亮劑、H2SO4的影響較小。各因素對(duì)通孔電鍍填孔效果的影響順序是：抑制劑＞整平劑＞加速劑＞H2SO4。試驗(yàn)指標(biāo)因素圖如圖2所示。

由于試驗(yàn)指標(biāo)越大越好，根據(jù)指標(biāo)因素圖可知，最佳組合參數(shù)為A1B3C3D1，即加速劑濃度為0.5 ml/L，抑制劑濃度為17 ml/L，整平劑濃度為20 ml/L，H2SO4濃度為30 g/L。

圖2 試驗(yàn)因素指標(biāo)圖

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

最優(yōu)組合參數(shù)在上述9次試驗(yàn)中均未出現(xiàn)，所以在其他參數(shù)條件不變的情況下，采用最優(yōu)組合參數(shù)A1B3C3D1進(jìn)行電鍍填通孔驗(yàn)證試驗(yàn)，電鍍完成后，在切片上各取10個(gè)孔在金相顯微鏡下觀察。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。該10個(gè)孔的平均填孔率為90.88%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.44%。圖4為最優(yōu)組合參數(shù)電鍍后通孔的金相切片圖。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)

由圖4可知，驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果與正交試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果相同，表明填通孔電鍍液的最優(yōu)組合參數(shù)為A1B3C3D1，即加速劑濃度為0.5 mL/L，抑制劑濃度為17 mL/L，整平劑濃度為20 mL/L，H2SO4濃度為30 g/L。在該電鍍液配比下，通盲孔填孔效果良好，通孔填充率可達(dá)到90%，填孔合格率高，滿足生產(chǎn)要求。圖7為通孔填孔電鍍驗(yàn)證試驗(yàn)切片圖。與直接利用適于填充盲孔的電鍍配方填充通孔的對(duì)比樣（圖1）相比，通孔填充率顯著提高，說(shuō)明用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化通孔填孔電鍍參數(shù)是可行的。該試驗(yàn)也表明要得到較好的通孔填充效果，必須控制好各藥液組分的濃度。

3.3 物理影響因素

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)影響電鍍效果的因素很多，除了化學(xué)因素，物理因素的影響也不容忽視，如通孔孔厚徑比、電流密度、攪拌速率等。一般采用小的電流密度會(huì)得到較好的填孔效果，但所需時(shí)間長(zhǎng)、效率低，不利于生產(chǎn)制造。而且并不是電流密度越小越好，只有采用合適的電流密度才能得到良好的填孔效果且保證較高的生產(chǎn)效率。關(guān)于通孔厚徑比對(duì)填孔效果的影響在參考文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)的解釋?？缀駨奖鹊挠绊懺趨⒖嘉墨I(xiàn)[6]中有說(shuō)明，這里不再進(jìn)行分析。攪拌模式與攪拌程度不同也會(huì)對(duì)電鍍填孔效果產(chǎn)生影響。通常攪拌速率越大填孔效果越好，但并不表明攪拌程度越大越好。采用空氣攪拌，其攪拌速率越大產(chǎn)生的氣泡越多，極易使孔內(nèi)形成空洞。只有采用合適的攪拌速率才能得到最好的填孔效果。為了得到更好更穩(wěn)定的填通孔效果，還需進(jìn)一步對(duì)通孔填孔電鍍工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

3.4 可靠性測(cè)試

有爆板、孔破、孔銅斷裂、分層與分離等現(xiàn)象，符合IPC品質(zhì)要求，說(shuō)明熱應(yīng)力測(cè)試合格，樣品可靠性能好。熱沖擊試驗(yàn)后的金相顯微切片看，銅鍍層的耐熱沖擊性能良好，熱沖擊50次后并沒(méi)有在銅層發(fā)現(xiàn)氣泡、孔壁分離等不良現(xiàn)象，說(shuō)明銅鍍層可靠性良好

3.5 多層板通孔與盲孔共填孔電鍍

通孔與盲孔填充效果良好，凹陷度均小于15 μm，滿足IPC品質(zhì)要求。說(shuō)明該電鍍配方不僅可以實(shí)現(xiàn)多層板通孔電鍍填孔，而且可以實(shí)現(xiàn)通孔與盲孔共同填孔電鍍，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）該電鍍添加劑體系不僅可以用于電鍍填盲孔，在調(diào)整合適的配比下也可以進(jìn)行通孔電鍍填孔，獲得較好的填孔效果。通孔填孔電鍍技術(shù)不僅能提高布線密度和導(dǎo)電效果，解決可靠性降低問(wèn)題，而且縮短了工藝周期。

（2）通孔填孔電鍍的最優(yōu)組成參數(shù)為：加速劑濃度0.5 mL/L，抑制劑濃度17 mL/L，整平劑濃度20 mL/L，H2SO4濃度30 g/L。各因素對(duì)通孔填充效果的影響順序是：抑制劑＞整平劑＞加速劑＞H2SO4。最優(yōu)試驗(yàn)組合參數(shù)得到驗(yàn)證，通孔填充率顯著提高，符合鍍銅填孔可接受標(biāo)準(zhǔn)。

（3）該實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)電鍍配方可以實(shí)現(xiàn)多層板通孔與盲孔共同填孔電鍍，對(duì)PCB領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（4）在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)通孔填充率雖然較高，但板面上的鍍銅較厚，不利于精細(xì)線路的制作；且局限于薄芯板和微通孔填充。

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劉佳，重慶大學(xué)化學(xué)專業(yè)在讀研究生，師從陳際達(dá)教授，主要研究方向?yàn)楦呙芏然ミB印制電路技術(shù)與工藝。該項(xiàng)目得到廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012A090200007）的資助。

Research and Optimization of through hole filling by copper electroplating technology

LIU Jia CHEN Ji-da DENG Hong-xi CHEN Shi-jin GUO Mao-gui HE Wei JIANG Jun-feng

In order to improve the thermal conductivity and the reliability of HDI and achieve the target of filling blind microvias and through holes simultaneously, the through holes (THs) were filled by adjusting the copper electroplating formula for blind microvia filling appropriately, according to copper electroplating process in one company. The effects of accelerators, inhibitors, levelers and H2SO4concentration on the through hole filling performance were investigated with orthogonal experiments and the optimal parameters for THs filling by copper electroplating obtained. The reliability of interconnections was tested. The blind microvias and through holes multilayered PCB were filled simultaneously using the optimal formula. The results showed that the order of the effects of copper electroplating components on through-hole filling performance is∶ suppressor ＞ leveler ＞accelerator ＞ sulfate; The optimal formula is∶ the concentration of accelerators, suppressor, levelers and H2SO4are 0.5mL/L,17mL/L,20mL/L and 30g/L, respectively. The filling performance is improved significantly and the reliability of interconnections meets the IPC quality requirements. The copper electroplating formula can achieve though holes and blind microvias filling simultaneously, which has a practical value to PCB industry.

HDI; Copper Electroplating; Through-Hole Filling; Simultaneously Filling; Orthogonal Experiment

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0106-06