新型HDI 盲孔填孔電鍍銅技術(shù)

郝鵬飛，呂麒鵬，王 殿

( 中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

印制電路板是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體，其應(yīng)用非常廣泛，在各類電子產(chǎn)品中均有大量應(yīng)用。隨著電子產(chǎn)品逐步向智能化、微型化、便攜化、多功能化的方向發(fā)展，要求PCB 板同步向微型化、高密度化方向發(fā)展，這樣代表著高密度互連技術(shù)的印制電路板就應(yīng)運(yùn)而生。HDI 板的制作是通過引入微小導(dǎo)通孔和微細(xì)電路技術(shù)，并多層疊加線路層和絕緣層，形成多層、穩(wěn)定和高密度化的印制電路板。HDI 板的前提是微小導(dǎo)通孔和精細(xì)線路技術(shù)的結(jié)合，層與層之間的電氣互連是依靠微小導(dǎo)通孔(通孔、盲孔、埋孔) 的金屬化技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。通孔金屬化是指在PCB 板的絕緣層孔壁上利用化學(xué)鍍或電鍍的方法鍍一層導(dǎo)電金屬。因此，PCB 板的導(dǎo)電性、散熱性與孔金屬化技術(shù)直接相關(guān)。其中盲孔的孔金屬化流程是首先對板面通孔的孔壁進(jìn)行金屬化，再用樹脂或?qū)щ娔z填孔形成盲孔，然后再對盲孔進(jìn)行電鍍填銅。目前有傳統(tǒng)盲孔電鍍銅技術(shù)和盲孔脈沖電鍍銅技術(shù)兩種應(yīng)用形式，其中傳統(tǒng)盲孔電鍍銅技術(shù)，是采用恒定電流進(jìn)行電鍍，孔的邊緣效應(yīng)非常明顯，難以控制，成品率較低；盲孔脈沖電鍍銅技術(shù)應(yīng)用于某些特定深寬比的盲孔電鍍銅，由于脈沖電源的電流圖形出廠前預(yù)先設(shè)定，難以設(shè)置或更改，對于其他深寬比的盲孔電鍍銅難以控制，另外脈沖電源價格非常昂貴，是普通直流電源價格的10 倍以上，不同深寬比的盲孔鍍銅需要配置專門的脈沖電源，投資大。因此，本文介紹了一種新型HDI 板盲孔電鍍銅技術(shù)，在傳統(tǒng)盲孔電鍍銅的技術(shù)上，通過工藝手段、設(shè)備支撐來達(dá)到HDI板盲孔電鍍銅技術(shù)要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，實(shí)現(xiàn)不同深寬比盲孔電鍍銅要求，同時降低了投資成本。

1 脈沖電鍍銅填孔技術(shù)

脈沖電鍍又稱為周期性反向脈沖電鍍（PPR），應(yīng)用于20 世紀(jì)60 年代，真正應(yīng)用于印制板填孔電鍍銅上是基于大電流脈沖電源技術(shù)的突破[1]。

1.1 脈沖電鍍概述與特點(diǎn)

脈沖電鍍是通過周期性變換電鍍電流方向的方式實(shí)現(xiàn)“直流電”鍍銅。采用脈沖電源電鍍的電流圖如圖1 所示。

圖1 脈沖電鍍的電流圖形

在對HDI 印制電路板進(jìn)行脈沖電鍍，其實(shí)質(zhì)是脈沖電源在電鍍過程中周期性的正向、反向輸入直流電，通過控制正反向脈沖電流參數(shù)來控制孔內(nèi)鍍銅層的厚度，在這個過程中， HDI 板既作為“陰極”實(shí)現(xiàn)電沉積銅過程又作為“陽極”進(jìn)行溶解銅過程，只需“沉積”銅的厚度比“溶解”銅厚度大就可以滿足要求[2]。為實(shí)現(xiàn)這一要求，脈沖電源的電流圖形必須滿足以下要求：

（1）ts（電沉積銅的電流時間寬度）＞tw（電溶解銅的電流時間寬度），一般呈現(xiàn)（10～40）∶1 的倍數(shù)關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗和實(shí)際試驗大多數(shù)取20∶1；

（2）In（電溶解銅的電流幅度）＞Is（電沉積銅的電流幅度），一般呈現(xiàn)（2～5）1 的倍數(shù)關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗和實(shí)際試驗大多數(shù)取3∶1；

（3）tr（電溶解銅的電流爬升時間）≤(1/3)tw（電溶解銅的電流時間底部寬度）；

（4）另外，為了保障生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率，脈沖電鍍的電流密度設(shè)置要大。

1.2 脈沖電鍍的優(yōu)點(diǎn)與主要問題

1.2.1 脈沖電鍍的優(yōu)點(diǎn)

（1）鍍層均勻性好，周期性的正反向電流以及瞬時高電流密度使得沉積層晶粒細(xì)化，孔內(nèi)鍍層更均勻；

（2）分散能力高，甚至超過100%的分散能力，以及反向脈沖（高電流密度）的陽極化溶解使得孔周圍金屬離子濃度局部迅速回升，這樣有利于正向脈沖（長周期）的陰極沉積，使得孔內(nèi)沉積層大于板面沉積層，適合填孔鍍；

（3）電流密度大，脈沖電鍍可采用更高的電流密度進(jìn)行電鍍，利于提高生產(chǎn)率。

1.2.2 主要問題

（1）特定深寬比的孔填充要求相對應(yīng)的脈沖電流圖形，深寬比不同的板或板內(nèi)深寬比不同的孔，孔內(nèi)鍍銅沉積厚度是不同的；

（2）脈沖電流圖形的輸出波形難以調(diào)整，目前脈沖電源是需要通過輸出波形來選型，出廠后用戶難以再行更改設(shè)置；

（3）脈沖電鍍的配置要求較高，一個“鍍銅槽”需配置一個脈沖電源并盡量地靠近“鍍銅槽”，還需配專門的電板和電纜；其中“飛巴”、掛具和夾具等的接觸電阻直接影響脈沖電流的前延時間（脈沖電鍍重要參數(shù)），要求嚴(yán)而又穩(wěn)定性較差；

（4）脈沖電源成本非常高，是普通直流電電源價格的10 倍以上，投資較大。

1.3 脈沖電鍍的改善措施

脈沖電鍍的改善措施，通常采用機(jī)械的、物理和化學(xué)的改善方法，如：增加陰極移動、增加、屏蔽板開孔等方式改善電力線分布，或者增加攪拌、鍍液噴流式設(shè)計、鍍液循環(huán)等方式促進(jìn)孔內(nèi)鍍液流動，以及采用專門的添加劑、抑制劑改善鍍液中Cu2+離子的分布狀態(tài)，用來克服脈沖電鍍的不足。

2 新型電鍍填孔技術(shù)

新型電鍍銅填孔技術(shù)是通過盲孔內(nèi)吸附加速劑，加速銅離子的沉積速度，板面吸附抑制劑，降低銅離子的沉積速度，使得盲孔電鍍銅厚度大于板面電鍍銅厚度；另外通過適當(dāng)改變電鍍參數(shù)（電鍍方式、攪拌方式、電流密度、電鍍時間），增加攪拌等來實(shí)現(xiàn)[3]。

2.1 新型直流電鍍的基本原理

首先在預(yù)浸步驟，板上會平均吸附上加速劑；經(jīng)過溫水清洗過程，板面上的加速劑會被洗掉，孔內(nèi)的加速劑仍會保留；當(dāng)印制板進(jìn)入填孔電鍍缸內(nèi)，抑制劑會吸附在板面上而不會吸附在盲孔內(nèi)[4]；當(dāng)盲孔從底部開始填充時，加速劑加速消耗孔內(nèi)銅離子，抑制劑減弱板面銅離子的消耗，產(chǎn)生的濃度差會使盲孔內(nèi)銅離子得到有效地補(bǔ)充，加速了填孔速度；從而減弱電鍍邊緣效應(yīng)[5]。其基本原理如圖2 所示。

圖2 基本原理圖

2.2 新型直流電鍍試驗設(shè)備

試驗板在電鍍填孔之前進(jìn)行前處理，包括脫脂、DI 水洗、微蝕、5%H2SO4酸洗等，在體積為1 L的哈林槽中，采用直流電鍍方式進(jìn)行填孔電鍍，陽極為兩個對稱的不溶性鈦網(wǎng)，測試板置于兩個陽極中間并與陽極處于平行，攪拌方式為空氣攪拌。電鍍液溫度維持在23 ℃左右。實(shí)驗裝置如圖3 所示。

圖3 新型盲孔電鍍銅試驗裝置

3 三種形式電鍍效果比較

在相同深寬比和不同深寬比兩種試驗條件下分別進(jìn)行傳統(tǒng)、脈沖和新型盲孔填孔電鍍銅試驗，其結(jié)果對比如表1、表2 所示；在不同工藝參數(shù)的試驗條件下進(jìn)行新型盲孔填孔電鍍銅試驗，其結(jié)果對比如表3 所示。

表1 同一深寬比試驗

表2 不同深寬比試驗

表3 改變工藝參數(shù)試驗 μm

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)盲孔電鍍銅技術(shù)邊緣效應(yīng)明顯、成品率低問題以及脈沖電鍍銅技術(shù)填充孔深寬比單一、成本高等問題，提出了一種新型HDI盲孔填孔電鍍銅技術(shù)，通過工藝控制和特定的鍍銅添加劑，在預(yù)浸后盲孔內(nèi)吸附加速劑，加速銅離子的沉積速度，電鍍時板面吸附抑制劑，降低銅離子的沉積速度，使得盲孔電鍍銅厚度大于板面電鍍銅厚度，滿足填孔要求；另外通過調(diào)整電鍍參數(shù)（電流密度、電鍍時間）[6，7]，以及增加攪拌方式可以進(jìn)一步達(dá)到最佳效果。

該工藝較目前傳統(tǒng)單一填孔電鍍銅工藝質(zhì)量和效果顯著提高；較脈沖電鍍銅工藝使用范圍大，更靈活，且投資成本低，工藝控制相對簡單，對HDI 板向低成本規(guī)?；l(fā)展具有一定促進(jìn)作用。