高電流密度通孔電鍍銅影響因素的研究

陳 楊， 程 驕， 王 翀，， 何 為，，朱 凱， 肖定軍

(1.電子科技大學 應用化學系，四川 成都 610054;2.廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭515061;3.廣東東碩科技有限公司，廣東 廣州 510663)

引 言

隨著印制線路板(PCB)向著“短、小、輕及薄”的快速演進，對微小通孔和高厚徑比板件電鍍制作要求也越來越高［1］，目前高厚徑比微通孔和精細線路的電鍍銅是一大難題［2］。盡管脈沖電鍍能較好地解決高厚徑比微通孔的電鍍問題，但也存在明顯的缺陷［3］:1)脈沖電源昂貴，投資大，維護成本高;2)脈沖電源與電鍍槽之間連接要求高，連接不當或接觸不好都會影響電鍍效果;3)脈沖電鍍需要使用特殊化學添加劑。因此，直流電鍍仍然是PCB電鍍銅最常用的方法。

目前，通過開發新電鍍添加劑，以及合理地設置電鍍參數改變銅電沉積的動力學過程，能夠很好地滿足高厚徑比微通孔和超精細線路板件的電鍍銅要求。

通孔電鍍能夠實現不同層的導電金屬之間的電氣連接［4］。均鍍能力(TP)是評估PCB微通孔電鍍銅質量的一個重要指標［5］。本文采用六點法測量TP，所得到的值比十點法小，但能夠更準確地反映微通孔板件的均鍍能力。

提升微通孔的均鍍能力，具有雙重意義:1)減薄表面銅層厚度，利于高密度互聯(HDI)、撓性板等精細線路的制作，并降低銅的用量，節約成本;2)在保證孔徑要求的前提下，增加微通孔孔中心銅厚度，保證PCB板的電氣連接性能［6］。微通孔模型如圖1所示。TP的計算見式(1)所示(其中δA～δF表示該點處的鍍銅層厚度)。

圖1 通孔模型示意圖

垂直連續電鍍線(VCP)是新型的PCB專用電鍍生產線，與龍門式電鍍線相比具有自動化程度高，操作流程簡單，電鍍效能穩定等優點，更可以在保證鍍層均勻性的前提下提高陰極電流密度。垂直連續電鍍線與龍門式電鍍線的性能對比如表1所示。

表1 VCP線和龍門電鍍生產線對比

在PCB電鍍中，不同區域鍍層厚度受板面與孔內的電位差影響而產生巨大差異。在通孔電鍍模型中，孔銅電位降(φIR)如式(2)的關系［3］:

式中:Jκ為陰極電流密度;L為板厚;κ為電鍍液電導率;d為孔徑。

可見，高電流密度和高厚徑比(L/d)將增大電位差，降低鍍層厚度均勻性。而提高鍍液電導率κ，則能夠提高電鍍均勻性。在PCB電鍍中κ不但跟鍍液的組分相關，也和溶液的交換速率有關。板面的溶液交換受攪動和攪拌氣流量影響，而孔內則由陰極擺動決定。

另外，酸性鍍銅中，添加劑也是影響TP的重要因素［7］。通過光亮劑、抑制劑和整平劑三組分的協同作用，能夠提高電鍍的正整平作用，使鍍層厚度更均勻。光亮劑常用有機硫化物，如SPS、MPS等，質量濃度在 0.01 ～0.02 g/L［8-9］，能夠促進 Cu2+在陰極表面得電子還原，本文光亮劑使用SPS(德國拉西格公司)。抑制劑主要是聚醚類或聚乙二醇類非離子型表面活性劑，具有較好的親水親油平衡以及較高的溶解能力［10］。整平劑一般為含氮雜環化合物的季銨類和鎓鹽類物質，如三乙胺與環氧氯丙烷的反應產物和聚乙烯基咪唑，在陰極表面高電流區與Cu2+競爭吸附從而降低銅的沉積速率。是在通孔電鍍中起正整平作用的主要成分［11-12］。本文中抑制劑和整平劑均自行合成，配制成水溶液使用。

在電鍍液中，銅離子濃度和攪拌強度能夠影響銅的輸運，添加劑組分能夠影響電荷傳遞和電沉積過程，從而改變二次電流分布。各參數必須達到適當的比例才能發揮最大作用，最佳的添加劑配比能夠很大程度提高微通孔的TP。本文對銅離子和三種添加劑的濃度進行優化實驗設計，尋找在VCP線施鍍參數下TP不低于80%的最佳電解液配比，以用于實際生產。

1 實驗設計

實驗使用δ為1.6mm的雙面覆銅板，通過機械鉆孔得到最小 d 為 0.25mm(L/d=6.4∶1.0)的微孔陣列，裁成10cm×5cm試板，依照常規的PCB板電鍍銅生產工藝流程，依次為化學整孔→催化活化→化學鍍銅→電鍍銅?；瘜W整孔，用一系列化學藥水除去機械鉆孔過程中產生的膠渣和油污，并調整微通孔樹脂表面的荷電狀態，創造催化劑顆粒能夠緊密吸附在樹脂表面的環境;催化活化，使鈀催化劑吸附在孔壁上并激活;化學鍍銅采用堿性化學鍍銅工藝，在微通孔表面緊密沉積一層銅，使原本絕緣的微通孔內表面導電。通過化學鍍銅工藝在微通孔內壁的樹脂表面緊密生長一層數微米厚的銅層，使微通孔內壁金屬化，以便電鍍銅。

測試板預浸稀硫酸，固定于哈林槽正中實施電鍍。電鍍過程采用兩塊磷銅板陽極，控制攪拌氣流量為3.4L/min，Jκ為3.2A/dm2。根據CuSO4·5H2O、整平劑(L劑)、光亮劑(B劑)和抑制劑(C劑)四種物質的質量濃度制作L9(3)4正交表進行實驗。使用Olympus-BX51金相顯微鏡(日本)觀察微通孔徑向的冷鑲嵌切片，測量微通孔電鍍銅層厚度。完成實驗后，得出最優鍍液組成并進行驗證實驗。采用最優鍍液組成分別改變電流密度和氣流量進行比照，并將該鍍銅液用于另一規格的PCB通孔電鍍，最后用于PCB微盲孔的預鍍，檢測其可用性。

2 實驗結果和討論

2.1 電鍍液組成對均鍍能力的影響

對每組實驗分別取2個切片共六個孔進行分析，實驗結果取平均值，以TP值為考察指標，實驗數據如表2。

表2 正交實驗表及數據

圖2為正交試驗分析結果。圖2的分析結果表明，光亮劑質量濃度為顯著影響因素。實驗結果預測 80g/L CuSO4·5H2O、0.6mL/L 整 平 劑、0.15mL/L光亮劑、3mL/L抑制劑時為最優鍍液組成，TP值可達到87%。使用上述最優鍍液進行驗證實驗，實測TP值為80.5%，高于每組正交試驗結果，證明正交試驗預測的最佳值可信。在最優條件下所得到的微通孔切片如圖3所示。從鍍層質量上看，孔壁銅層平整均勻，無斷裂，孔口不會因添加劑過分作用而產生減薄現象，表明鍍層質量符合PCB品質要求。

圖2 正交試驗分析結果

圖3 最佳參數下微通孔鍍銅層切片顯微照片

2.2 陰極電流密度的影響

取最優的電鍍銅溶液組成，將陰極電流密度升高到4.3A/dm2進行實驗，均鍍能力為50.6%。圖4為孔口和孔中心切片顯微照片。升高電流密度增大了孔內與板面電位差，拉大了不同位置的鍍層厚度差異。與Jκ為3.2A/dm2的切片圖對比可以發現，在高電流密度下，板面銅層δ從21.7μm增加大29.9μm，孔中心的銅層δ從17.5μm降低到了15.1μm。板面鍍層越厚，消耗的銅越多，PCB生產成本就越高。

圖4 Jκ=4.3A/dm2微通孔鍍銅層切片照片(500×)

2.3 攪拌強度的影響

取最優的電鍍銅溶液組成，將空氣攪拌流量降低到1.7L/min進行實驗，均鍍能力為73.6%。圖5分別為孔口和孔中心鍍銅層切片顯微照片。與空氣流量3.4L/min的切片圖相比，在較小的氣流量下，孔中銅層厚度減薄。這是因為，攪拌速度下降導致孔內溶液流動減緩，溶液電阻增大，銅層沉積量減少。當攪拌達到一定強度時，隨著攪拌強度的繼續增加，孔內溶液流動和溶液電阻的變化趨勢減弱，沉積量的增量減小。因此氣流量降低實驗，并沒有使TP下降很多。

圖5 1.7L/min氣流量下微通孔切片照片(500×)

2.4 其他規格的通孔電鍍

將最優電鍍液參數應用于另一種類型的測試板，檢查測試板上三種孔徑的微通孔電鍍結果，孔徑尺寸和最終得到TP值如表3所示。由表3可知，該配方用于類似規格的通孔電鍍亦有很好的效果，對于高厚徑比8∶1的通孔，在3.2A/dm2的較高電流密度下，TP能達到67.5%。相同電鍍參數下，d=0.20mm孔和d=0.25mm孔的孔中心銅層δ分別為20.84和23.59μm。孔徑越小，溶液交換效果越差，溶液電阻相應增大，孔內銅層厚度就越薄。

表3 1.6mm板電鍍銅均鍍能力

2.5 盲孔的預鍍

有些PCB企業在VCP線上進行微盲孔填充前的預鍍。將最優電鍍參數用于0.4mm板厚的盲孔電鍍，通過切片觀察介質層厚 100μm，孔徑為130μm的盲孔，孔底銅層δ僅3～4μm，無法滿足實際要求。通過調整實驗參數，在 100g/L CuSO4·5H2O，15g/L 抑制劑，0.15g/L 光亮劑，0.6g/L整平劑及1A/dm2電流密度條件下，得到滿足要求的電鍍結果(如圖6)。面銅層δ約為8μm，孔底銅層δ為9.08μm，TP＞100%。與微通孔電鍍相比，微盲孔電鍍需要更高的銅離子質量濃度和抑制劑質量濃度，低銅高酸鍍銅溶液并不適合微盲孔內銅層的加厚。

圖6 微盲孔切片顯微照片(500×)

3 結論

本文通過優化實驗設計，得出在3.2A/dm2電流密度下均鍍能力達到80.5%的微通孔電鍍銅工藝參數。另外，實驗表明，電流密度和攪拌強度都能夠影響鍍銅層TP值。陰極電流密度從3.2A/dm2升高到 4.3 A/dm2，TP值降低了 30%。氣流量從3.4L/min降低到 1.7L/min，TP 值下降了 6.4%，攪拌能影響電鍍界面物質傳遞，使電流密度重新分布。因此在PCB微通孔電鍍過程中，為了得到更加均勻的鍍層，可以減小陰極電流密度并加強鍍液攪拌。

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