剛撓結(jié)合HDI板盲孔電鍍的工藝研究

孟 佳 韓秀川

（臺(tái)山市精誠(chéng)達(dá)電路有限公司，廣東 江門(mén) 529223）

0 前言

隨著電子產(chǎn)品不斷向小型化、多功能方向發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于其中的印制電路板在可靠性和高密度化方面提出了更高的要求。常規(guī)的導(dǎo)通孔互連已經(jīng)不能滿(mǎn)足高密度布線(xiàn)及電子產(chǎn)品的要求，盲孔互連技術(shù)能夠更好地滿(mǎn)足日益精細(xì)化的電子產(chǎn)品，已得到廣泛應(yīng)用。盲孔電鍍一般分為普通電鍍和填孔電鍍兩種方式，填孔電鍍相較普通電鍍填充盲孔具有填充效果更好、制作流程精簡(jiǎn)、成本更低等優(yōu)勢(shì)，本文主要討論填孔電鍍的工藝技術(shù)。

盲孔電鍍主要有三種方式，分別是等角沉積、亞等角沉積和超等角沉積，電鍍填孔的目的是通過(guò)調(diào)整藥液中各種藥品濃度的配比、以及電流密度大小等因素，實(shí)現(xiàn)超等角沉積。超等角沉積相比于等角沉積和亞等角沉積電鍍速率更快，且不易產(chǎn)生空洞、凹陷過(guò)大、鍍層厚度過(guò)低等不良品質(zhì)。

剛撓結(jié)合HDI（高密度互連）板的制作流程是一個(gè)由內(nèi)向外的積層過(guò)程，常規(guī)的HDI板主要制作流程如圖1所示。

含有盲孔的HDI板制作流程復(fù)雜，影響其填孔效果的因素有很多，如板件設(shè)計(jì)、電鍍液配比、噴流速度、電鍍工藝參數(shù)、板材類(lèi)型以及盲孔的孔型等。其中電鍍液的配比對(duì)盲孔電鍍的影響最為復(fù)雜，也是盲孔電鍍工藝的重點(diǎn)難點(diǎn)。電鍍液組成包括銅鹽、導(dǎo)電介質(zhì)及添加劑，我司所有的電鍍液體系為CuSO4·5H2O、H2SO4、鹽酸及電鍍添加劑體系，本文主要探討CuSO4·5H2O、H2SO4濃度比及添加劑配比對(duì)盲孔電鍍效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路板：試驗(yàn)所用板為FP-4基材，盲孔孔徑為0.9～0.13 mm，孔深0.6～0.8 mm

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：VCP（垂直連續(xù)電鍍線(xiàn)）、磁力攪拌器、哈林槽、金相顯微鏡等

實(shí)驗(yàn)藥品：CuSO4·5H2O、H2SO4、鹽酸、某公司電鍍液添加劑（包括光亮劑、抑制劑、整平劑）

1.2 填孔效果的表征

電鍍填孔后，將盲孔制成切片，用金相顯微鏡觀察拋磨后微盲孔的橫截面。觀察孔電鍍后盲孔是否有空洞等缺陷，再通過(guò)計(jì)算凹陷度和填孔率來(lái)表征填孔效果。一般要求控制凹陷度在 15 μm以?xún)?nèi)，填孔率在85%以上。圖2為凹陷度及填孔率計(jì)算示意圖。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 硫酸銅和硫酸濃度對(duì)填空效果的影響

在光亮劑濃度為15 mL/L，抑制劑濃度為2 mL/L，整平劑濃度為18 mL/L，Cl濃度為50 mg/L，電流密度為2 A/dm2，電鍍時(shí)間60 min 的條件下，配置四組硫酸銅和硫酸濃度比例不同的鍍液，電鍍填孔后用金相顯微鏡觀察切片，觀察電鍍切片形貌，測(cè)量凹陷度和填充率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。四組電鍍切片圖見(jiàn)圖3。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在低銅酸比的鍍液下，盲孔的填充凹陷度很大，達(dá)到72.1 μm，其填充量不到盲孔的一半，無(wú)法滿(mǎn)足盲孔填鍍的要求。隨著硫酸銅和硫酸的比例不斷提高，填孔效果變好，當(dāng)硫酸銅和硫酸的比例達(dá)到2.22時(shí)填孔效果最好，凹陷度只有8 μm，且填充率達(dá)到97.1%，繼續(xù)增大硫酸銅和硫酸的比例，則填孔效果變差。固當(dāng)硫酸銅和硫酸的比例為2.22時(shí)盲孔電鍍的效果最好。

圖1 常規(guī)HDI板主要制作流程圖

圖2 凹陷度及填孔率計(jì)算示意圖

表1 硫酸銅和硫酸濃度對(duì)填孔效果的影響

圖3 電鍍填孔切片圖

2.2 鍍銅添加劑對(duì)填孔效果的交互影響

盲孔電鍍工藝藥液中除了要用到CuSO4·5H2O、H2SO4、鹽酸，還要用到電鍍添加劑，電鍍添加劑的成分有很多種，按作用主要分為三類(lèi)，包括光亮劑、濕潤(rùn)劑和整平劑。其中光亮劑是一種含硫的小分子化合物，常見(jiàn)的有TPS（二甲基硫代氨基甲?；榛撬徕c）、MPS（3-硫基丙烷磺酸鈉）和SPS（聚二硫二丙烷磺酸鈉）等。光亮劑的作用原理是加速銅離子還原，提升晶核生長(zhǎng)速度，使鍍銅層表面更加細(xì)致光滑。并且，通過(guò)和氯離子的螯合作用，可以和銅離子形成配合物，降低孔壁阻抗，促進(jìn)銅在陰極的進(jìn)一步沉積。濕潤(rùn)劑多為聚醇類(lèi)高分子化合物，常用的有聚乙二醇、芳香族聚氧乙烯醚及壬基酚與環(huán)氧乙烷反應(yīng)物等。濕潤(rùn)劑通過(guò)與氯離子協(xié)同吸附在晶粒生長(zhǎng)的活性點(diǎn)上，增加電化學(xué)反應(yīng)的電阻，增強(qiáng)電化學(xué)極化，從而降低沉積速率，達(dá)到細(xì)化晶粒與抑制板面鍍層增長(zhǎng)的效果。整平劑是一種含氮的大分子雜環(huán)化合物，主要有硫脲及其衍生物等。整平劑通常帶正電荷，易吸附在高電流密度區(qū)，降低該處的電鍍速度，而在板面凹陷處及微盲孔孔內(nèi)吸附較少，使得此處的銅沉積作用不受影響，從而達(dá)到整平板面的效果。但當(dāng)整平劑濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)阻礙光亮劑進(jìn)入孔內(nèi)，降低電流效率，增加生產(chǎn)成本。三種添加劑在盲孔電鍍中協(xié)同發(fā)揮作用，需添加到合適的配比才能達(dá)到最好的填充效果。為了確定添加劑的最佳配比，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)對(duì)光亮劑、抑制劑、整平劑的濃度對(duì)盲孔電鍍效果的影響進(jìn)行正交優(yōu)化。

試驗(yàn)因素-水平表見(jiàn)表2，正交試驗(yàn)及結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)結(jié)果表明R1＞R3＞R2，光亮劑對(duì)盲孔電鍍的凹陷度和填孔率影響最大，其次為整平劑，抑制劑影響效果相對(duì)較小。為進(jìn)一步分析光亮劑、抑制劑和整平劑對(duì)填孔效果的影響趨勢(shì)，分別繪制三種因子的指標(biāo)-因素圖，如圖4～圖6所示。

由圖4可知，在20～100 mg/L的范圍內(nèi)，隨著光亮劑的濃度增加，盲孔電鍍凹陷度減少，填孔率增大，到50 mg/L時(shí)填孔率最大，繼續(xù)增加光亮劑的濃度，填孔率略有減少。說(shuō)明在一定濃度范圍內(nèi)，增加光亮劑的濃度，有利于盲孔電鍍效果的提升。由圖5可知，在1～2.5 mg/L的濃度范圍內(nèi)，增加抑制劑的濃度，盲孔填孔凹陷度減小。填孔率增大，在2.5 mg/L時(shí)填孔效果最好。由圖6可知，在0.5～1.2 mg/L的范圍內(nèi)，增加整平劑的濃度，凹陷度下降，填孔率增高。

表2 正交試驗(yàn)因素-水平表

表3 影響盲孔電鍍凹陷度正交試驗(yàn)表

表4 影響盲孔電鍍填孔率正交試驗(yàn)表

圖4 光亮劑因素

圖5 抑制劑因素

圖6 整平劑因素

2.3 優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，光亮劑、抑制劑、整平劑均對(duì)盲孔電鍍效果有不同程度的影響，添加劑與氯離子之間又存在某種協(xié)同作用，綜合考慮電鍍效果、生產(chǎn)效率和制作成本等因素，為了得到最佳的工藝條件，本文進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5、圖7。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，三組試驗(yàn)參數(shù)下的鍍銅效果良好，均滿(mǎn)足客戶(hù)要求，其中第三組，當(dāng)CuSO4·5H2O的濃度為200 g/L, H2SO4的濃度為90 g/L，光亮劑濃度為100 mg/L，抑制劑濃度為0.8 mg/L，整平劑濃度為5.5 mg/L時(shí)，盲孔電鍍的凹陷度為5.5 μm，填孔率達(dá)到97.6%，電鍍填孔效果最好。

3 結(jié)論

盲孔電鍍工藝復(fù)雜，對(duì)板件設(shè)計(jì)、設(shè)備精度、工藝流程、電鍍藥水的要求都很高，尤其是電鍍藥水，作用機(jī)制復(fù)雜，只有詳細(xì)分析各成分對(duì)盲孔電鍍的影響機(jī)制才能了解其工藝原理，在制作流程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能得到更好的填空效果。

本文重點(diǎn)探究了電鍍藥液中各種成分對(duì)盲孔電鍍效果的影響，隨著硫酸銅和硫酸的比例不斷提高，填孔效果變好，當(dāng)硫酸銅和硫酸的比例達(dá)到2.22時(shí)填孔效果最好，凹陷度只有8 μm，且填充率達(dá)到97.1%。通過(guò)正交試驗(yàn)及進(jìn)一步的優(yōu)化試驗(yàn)得到最佳工藝條件，當(dāng)CuSO4·5H2O的濃度為200 g/L,H2SO4的濃度為90 g/L，光亮劑濃度為100 mg/L，抑制劑濃度為0.8 mg/L，整平劑濃度為5.5 mg/L時(shí)，盲孔電鍍的凹陷度為5.5 μm，填孔率達(dá)到97.6%。本試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，有效降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定性和制作良率。

表5 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖7 盲孔電鍍切片圖