影響印制線路板電鍍填盲孔效果的因素

陳世金*，徐緩，羅旭，覃新，韓志偉

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）

1 前言

平板電腦、智能手機等越來越多的時尚消費類電子產品的出現給PCB(印制線路板)行業帶來了更多的發展機遇。該類電子產品的布線密度越來越大，使二階、三階和高階的HDI(高密度互連)產品不斷出現，這對PCB 行業來說也是一種挑戰。當前，多階HDI板的層間互連大多采用盲孔與盲孔對接的方式，即疊孔設計，圖1為一種三階疊孔設計的HDI 板。

疊孔設計的多階HDI 板一般采用電鍍填盲孔的方式用銅將盲孔填滿[1]。如何運用好電鍍填盲孔技術？電鍍填盲孔的影響因素有哪些？這些都是業界工作者在做高階HDI 產品前所需要考慮的問題。畢竟電鍍填盲孔與傳統電鍍有一定差異，在工藝參數和流程設計上 有更嚴格的要求，對電鍍設備和物料的要求也有一些特殊，凹陷度(Dimple)、填孔藥液控制的穩定性等均是電鍍填盲孔技術的難點。只有掌握了電鍍填盲孔技術，才能將其運用到疊孔高階HDI 產品的制作之中，并且提升印制電路制作的工藝水平。

圖1 三階疊孔設計的HDI 板Figure 1 HDI board with three-step stacked via structure

2 工藝流程和設備要求

印制線路板制造中電鍍填盲孔所使用的藥液多為硫酸鹽體系，其主要成分為硫酸銅和硫酸，電鍍原理與傳統電鍍基本相同，主要是利用電鍍添加劑(光亮劑、抑制劑、整平劑等)各成分的作用來獲得盲孔內的填充效果。與傳統電鍍所不同的是，填孔電鍍添加劑中整平劑的用量會適當提高，以促使板面上較高電流密度區形成Cu2+與整平劑競爭的局面，阻止面銅長快、長厚，而盲孔中光亮劑分布較多的凹陷處會相對鍍得快一些。因此，添加劑是電鍍填孔制程中十分重要的成分，也是目前各PCB 制造商和藥水商研究的熱門課題。在電鍍填盲孔工藝中，工藝流程選擇和設備要求均有一定的講究，這是做好電鍍填盲孔的必要前提。

2.1 工藝流程

電鍍填盲孔技術在印制線路板中的應用已超過10年，但是能達到規模量產化的廠家并不多，PCB 業界電鍍填孔的工藝流程分為閃鍍(flash plating)和不閃鍍兩種情況。

2.1.1 閃鍍流程

閃鍍流程是業界應用最早、最廣泛的一種，由于閃鍍后進一步增加了盲孔內的導通性，會使填孔效果更好，且可使停放時間具有更大的靈活性。其流程為：除膠渣/化學沉銅─閃鍍銅─除油─微蝕─浸酸─填孔電鍍。

一般閃鍍銅厚度控制在3～5 μm，閃鍍過厚不利于精細線路的制作。如采用水平化學沉銅(PTH)和電鍍將會極大地方便該工藝流程的操作，垂直線也要具備盲孔電鍍制作條件。一般來說，采用噴流器和射流比較有效，常規打氣、龍門式電鍍線很難保證盲孔底部的鍍銅效果。

2.1.2 不閃鍍流程

不閃鍍流程是業界近年開始嘗試的一種新工藝流程，該流程可縮短制作時間，減少部分處理工序。其具體流程為：除膠渣/化學沉銅─除油─浸酸─填孔電鍍。

不閃鍍流程最主要的控制重點是PTH 后的停放時間管控。有相關實驗研究表明：PTH 后的停放時間對填孔效果有著密切的關系，不同的停放時間所得到的填孔效果存在一定差異。另外，化學沉銅的厚度和均勻性也會影響填孔效果，通常建議化學沉銅的銅層厚度大于0.3 μm[2]。

2.2 設備要求

無論是閃鍍流程還是不閃鍍流程，都對設備有一定的要求。傳統的陰極移動加空氣攪拌的垂直電鍍設備已經不可能圓滿完成盲孔填充的任務。填孔電鍍的設備現大多采用噴射式垂直連續電鍍線(VCP)或水平電鍍線，所使用的陽極有可溶性和不可溶性之分，整流器也有直流和脈沖兩種。常規電鍍填孔線的技術要求為：振動幅度≥20 mm/s；搖擺幅度±10 cm，周期6～8 次/min；A(陽極)∶A(陰極)=1.5∶1.0；噴射泵流速10 GPM，噴嘴為實心錐狀；整流器輸出偏差≤5%。

在設備的選擇上還需要根據各公司產品特點、客戶要求等來設計具體的配置。這樣既可保證良好的填孔效果，也有利于成本的控制。在填孔電鍍中經常會使用到可溶性陽極或不溶性陽極(用鈦涂陽極或其他材料的不溶性陽極來直接取代銅陽極)，可溶性陽極的缺點是有黑色陽極膜生成，鍍液維護頻率較高(需要定期添加銅陽極，進行電解、碳處理等)，添加銅陽極時易造成鍍液污染，從而影響鍍液穩定性。不溶性陽極的缺點是成本較高，但是其穩定性好、維護方便，如生產高端產品，筆者認為不溶性陽極是一個理想的選擇。

同時，為減少陰極上“寄生反應”的發生，對鍍液中的流動布設有更高的要求，陽極材料也需要不斷改進。據悉，De Nora 第五代DT5 型陽極材料已經研制出來，對改善陽極性能、減少添加劑的消耗等均有較大的幫助。

3 影響填孔效果的因素

印制線路板中對電鍍填孔效果的評判主要通過填充率(filling ratio)或凹陷度體現，如圖2所示。一般要求填充率≥85%、凹陷度≤10 μm，但不同產品的要求會有所不同，有些情況還需要對完成電鍍填孔后的面銅厚度進行控制。

圖2 填孔能力表征示意Figure 2 Schematic diagram for characterization of filling ratio

影響電鍍填孔效果的因素可通過如圖3所示的魚骨圖加以分析。

圖3 電鍍填孔效果的影響因素Figure 3 Factors affecting the via-filling effectiveness by plating

3.1 設備設計

能否達到理想的填充效果與設備設計有相當重要的聯系。對于電鍍填孔設備，一般都傾向于在傳統銅缸的配置基礎上增加射流設計。在銅缸內部的設計需要注意兩個問題：一是噴管上噴嘴與噴嘴的距離，噴嘴與陰極(PCB 板)的距離，以及噴射面的重合性(即噴嘴須交錯排布)；二是噴嘴的形狀設計，一定要求是實心錐形，保證噴射出的效果是一個“圓面”，而不是一條直線(扇形噴嘴的噴射效果)，這也是出于噴射效果的考慮。

圖4 填孔電鍍的槽體設計Figure 4 Design of plating cell for via filling

圖5 噴嘴設計Figure 5 Design of nozzle

圖4和圖5分別為標準銅缸噴管和噴嘴的設計。這些設計都是有一定的理論基礎和實際依據的，如同側噴管與噴管的距離設計為85 mm，是因為考慮到搖擺的擺幅為±10 cm，這樣就可以保證噴射有一定的重合性，設計大于100 mm 就會存在一定的“真空”區域，無法保證線路板上所有盲孔都能有藥水噴進孔內。噴嘴除設計為實心錐形外，還需要在噴嘴的兩側打兩個相對的孔，從而加速藥水的流動，使周邊的藥水可以迅速補給到噴嘴內。即使使用相同的藥水、添加劑和電鍍參數，不同設備的電鍍填孔效果也有很大差異，如表1所示。

表1 不同電鍍設備的填孔效果Table 1 Via filling effectiveness of different plating equipments

為保證良好的電鍍填孔效果，需要對設備進行定期檢查和維護，如噴管有無破損、噴嘴有無脫落、噴嘴噴出的效果等。每周都要對所有影響導電性的設備部件(如整流器、鞍座、飛巴、火牛線等)進行檢測或維護。

3.2 電鍍參數

電鍍參數也是影響填孔效果的因素之一，用什么樣的電鍍參數可以達到最好的填充效果，最省時間，效率最高？根據筆者經驗，采用小的電流密度會得到較好的填孔效果，并保證通孔的深鍍能力，但是小電流生產所需時間長，生產效率低、成本高，在激烈競爭的今天，采用這種“小電流、長時間”的方式進行填盲孔制作顯然是不現實的。這就需要通過更多的試驗來得出更優的電鍍參數，既獲得良好的填孔效果，又保證生產的高效率。為此，進行了幾組試驗來對比不同電鍍參數的填孔效果，如表2所示。從試驗結果來看，高電流密度時盲孔的填充效果較差，尤其是孔徑較小的盲孔在此情況下會出現孔內空洞的現象，而這是品質驗收中所不能接受的，而且也會影響到盲孔的可靠性。因此，生產小孔徑類的盲孔板一般建議采用小電流密度制作。從100 μm 孔徑的盲孔填充效果來看，并不是電流密度最小的填充率最高，這也說明孔徑在一定范圍內只有采用合適的電鍍參數，才能使其得到最好的填孔效果。

表2 不同電鍍參數的填孔效果Table 2 Via filling effectiveness at different plating parameters

葉成鏡和藍國興[4]將盲孔電鍍銅的沉積分為3 種類型，即均勻成長型、非均勻成長型和爆發型。他們認為在爆發型的電鍍行為中，依不同相對沉積速率(RDR)可將整個電鍍反應分為4 個階段：起始期、爆發期、回復期和平衡期。因此，在電流密度的選擇上要特別注意，選擇合適的電流密度不但可以達到好的填孔效果，而且可以提升生產效率。也有研究表明[5]：在不同的電流密度下爆發期出現的時間不同，抓住填孔處于爆發期之時調整電流密度，可以起到事半功倍的效果。通過實驗研究了不同電流密度下的填孔爆發期，結果如圖6所示(其中縱坐標為孔內與表面上銅速率比)。實驗用硫酸銅鍍液組成為：CuSO4·5H2O 200 g/L，H2SO480 g/L，Cl-50 mg/L，某公司三組分填孔添加劑適量。

圖6 組合電流密度與單一電流密度填孔爆發期的對比Figure 6 Comparison of explosion period by using single and combined current density

從圖6的曲線可以看出，電流密度由12 ASF(曲線A)增加至20 ASF(曲線B)時，填孔爆發期的開始時間由施鍍后40 min 提前至10 min，可見電流密度越大，填孔爆發時間越早。但爆發時間提前并不一定能達到提高生產效率和得到較好填充效果的目的，還需要將爆發期持續的時間盡量縮短。而采用20 ASF × 20 min + 12 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min 的電流密度組合(曲線C)時，填孔爆發期在施鍍后10 min 就開始，在40 min 時結束，即持續了僅30 min，比單一電流密度下爆發期所持續的時間都短得多(12 ASF 時的爆發期持續超過50 min，而20 ASF 時的爆發期持續時間為40 min)。由此可見，采用大的電流密度可縮短填孔爆發期來臨的時間，爆發后采用小電流來維持較高的填孔能力，最終可以獲得較好的填孔效果。

如圖7所示，采用不同電鍍參數組合(如20 ASF × 20 min + 13 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min)所得的填孔效果比單一電鍍參數(如16 ASF × 80 min)時要好，且總的施鍍時間可縮短15 min。因此，在采用不同電鍍參數組合進行電鍍填孔方面是很值得研究的，也具有一定的現實意義。

圖7 不同電流密度組合下的填孔效果Figure 7 Via filling effectiveness at different combination schemes of current density

3.3 板材及孔型

基板對電鍍填孔的影響也不可忽視，介質層材料對填孔有影響是顯而易見的。與玻纖增強材料相比，非玻璃增強材料更容易填孔。值得注意的是，孔內玻纖凸出物對電鍍銅有不利的影響[2]。在這種情況下，難點在于提高化學鍍種子層的附著力，而非填孔工藝本身，其存在會影響鍍液在盲孔內的交換，電鍍時易造成孔內“空洞”或“封鍍”等問題的出現。

除板材對填孔效果有影響外，鐳射加工的孔型也有一定的影響，因為它影響到藥水在盲孔內的交換和流動。一般鐳射鉆孔的標準孔型控制如圖8所示，孔壁為直線，孔呈倒梯形(下孔徑為上孔徑的75%～85%)，孔徑控制在90～125 μm，真圓度≥85%，孔口懸伸量(over hang)≤10 μm，FR4 板材孔底側蝕量(under cut)≤15 μm，RCC 板材則控制在10 μm 以下[6]。

圖8 鐳射鉆孔孔型Figure 8 Typical configuration of laser-drilled via

鐳射后的孔徑、孔深、孔口懸伸量、孔底側蝕量等對填孔效果都有一定的影響。孔徑過大就需要更多的銅來填滿盲孔，同時藥水交換不能過于激烈，否則很難將盲孔填滿；孔徑過小或過深則不利于藥水的交換，如果藥水交換不好或電流密度過大，盲孔內極易出現“空洞”問題。因此，要想保證電鍍填盲孔效果，除對板材進行選擇外，還必須對盲孔的孔型、孔壁質量等進行控制。一般來說，在孔徑、孔深一定的情況下，“倒梯形”的盲孔最有利于藥水的交換，與“梯形”、“腰鼓形”、“底部直角形”等其他孔型相比更容易被填滿。關于盲孔孔型對填孔效果的影響在文獻[7]中有詳細的講解。

3.4 鍍液組成

如前所述，鍍液的組分主要包括無機成分(Cu2+、H2SO4、氯離子)和有機成分(載體光亮劑、整平劑、主光亮劑)兩大類。每種成分都有其各自的作用，且都對填孔效果有一定的影響。限于篇幅，在此僅針對最常研究的Cu2+含量進行分析。在設備、電鍍參數和盲孔規格均相同的前提下，通過對比試驗得出能獲得最佳填孔效果的Cu2+濃度控制范圍。具體數據和圖片列于表3。

表3 硫酸銅含量對填孔效果的影響Table 3 Effect of copper sulfate content on via filling

由以上幾組試驗可以看出，隨著Cu2+質量濃度上升，填充能力變強，210 g/L 時能得到最好的填孔效果。隨后繼續提升Cu2+濃度則凹陷值出現負值，表明填孔處的銅層有凸起現象，而這種情況不利于品質控制。因此，要得到最好的填充效果還要選擇合適的Cu2+濃度。值得注意的是，提高銅離子濃度對通孔分散能力有負面影響[2]，如果存在通盲孔共鍍的情況，須慎重調整Cu2+濃度，而且酸銅比與傳統工藝也有所不同，這是因為為了獲得良好的填孔效果，微導通孔內的電鍍 速率應大于基板表面的電鍍速率。在這種情況下，與傳統通孔電鍍溶液的高酸低銅不同，盲孔電鍍溶液配方為低酸高銅，才能保證凹陷處銅離子的及時供應。除此之外，H2SO4、氯離子以及電鍍添加劑都會對填孔效果造成影響[8]。

4 結語

電鍍填盲孔工藝對設備、操作等要求較高，設備及工藝流程的設計，酸銅比、添加劑等鍍液參數的控制，以及電鍍參數的優化等都是控制的關鍵。只有詳細了解電鍍填盲孔的工藝原理，深入分析每一個影響因素的作用機理，在實際制作中不斷總結經驗，才能更好地運用該技術，得到理想的填孔效果。

隨著PCB 技術的飛速發展，多階HDI 板電鍍填盲孔的制作要求將會越來越嚴，除保證填充率或凹陷度符合要求外，還會有更多的新要求，如填孔后面銅厚度的控制、圖形電鍍填盲孔技術的開發等，這對于精細線路的制作至關重要。印制線路板技術向精細化、高密度化發展是必然趨勢，電鍍填盲孔技術的廣泛推行將勢不可擋。因此，對該技術的研究要在今后的工作中不斷深入，不斷總結經驗、積累成果，逐漸提高技術水平，從而提升企業的市場競爭力和搶占更多市場先機。

[1]白蓉生.填充微盲孔之電鍍銅[M]// 電路板濕制程全書.[出版地不詳]:臺灣電路板協會,2005:373-379.

[2]LEFEBVRE M,ALLARDYCE G,SEITA M,et al.Copper electroplating technology for microvia filling [J].Circuit World,2003,29 (2):9-14.

[3]BARTHELMES J.Acid copper plating with insoluble anode—A novel technology in PCB manufacturing [C]// Proceedings of the Electronics Circuits World Convention 8.Tokyo:[s.n.],1999.

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[5]崔正丹,謝添華,李志東.不同電鍍參數組合對電鍍填孔效果影響研究[J].印制電路信息,2011 (4):80-84.

[6]劉蘭,劉湘龍,李志東.CO2激光盲孔側蝕現象研究[J].印制電路信息,2009 (增刊1):147-151.

[7]曹立志,陶偉良,黃偉.激光盲孔孔型對盲孔鍍平結果的影響[C]// 2007年上海市電子電鍍學術年會論文集,2007:99-103.

[8]曾曙,張伯興.電鍍填孔工藝影響因素之探討[J].印制電路信息,2005 (9):33-36.