剛撓結合HDI板盲孔電鍍的工藝研究

孟 佳 韓秀川

（臺山市精誠達電路有限公司，廣東 江門 529223）

0 前言

隨著電子產品不斷向小型化、多功能方向發展，對應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。常規的導通孔互連已經不能滿足高密度布線及電子產品的要求，盲孔互連技術能夠更好地滿足日益精細化的電子產品，已得到廣泛應用。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、成本更低等優勢，本文主要討論填孔電鍍的工藝技術。

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調整藥液中各種藥品濃度的配比、以及電流密度大小等因素，實現超等角沉積。超等角沉積相比于等角沉積和亞等角沉積電鍍速率更快，且不易產生空洞、凹陷過大、鍍層厚度過低等不良品質。

剛撓結合HDI（高密度互連）板的制作流程是一個由內向外的積層過程，常規的HDI板主要制作流程如圖1所示。

含有盲孔的HDI板制作流程復雜，影響其填孔效果的因素有很多，如板件設計、電鍍液配比、噴流速度、電鍍工藝參數、板材類型以及盲孔的孔型等。其中電鍍液的配比對盲孔電鍍的影響最為復雜，也是盲孔電鍍工藝的重點難點。電鍍液組成包括銅鹽、導電介質及添加劑，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盲孔電鍍效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試驗設備及材料

實驗線路板：試驗所用板為FP-4基材，盲孔孔徑為0.9～0.13 mm，孔深0.6～0.8 mm

實驗設備：VCP（垂直連續電鍍線）、磁力攪拌器、哈林槽、金相顯微鏡等

實驗藥品：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，再通過計算凹陷度和填孔率來表征填孔效果。一般要求控制凹陷度在 15 μm以內，填孔率在85%以上。圖2為凹陷度及填孔率計算示意圖。

2 試驗過程及結果

2.1 硫酸銅和硫酸濃度對填空效果的影響

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，測量凹陷度和填充率。實驗結果如表1所示。四組電鍍切片圖見圖3。

分析實驗結果可知，在低銅酸比的鍍液下，盲孔的填充凹陷度很大，達到72.1 μm，其填充量不到盲孔的一半，無法滿足盲孔填鍍的要求。隨著硫酸銅和硫酸的比例不斷提高，填孔效果變好，當硫酸銅和硫酸的比例達到2.22時填孔效果最好，凹陷度只有8 μm，且填充率達到97.1%，繼續增大硫酸銅和硫酸的比例，則填孔效果變差。固當硫酸銅和硫酸的比例為2.22時盲孔電鍍的效果最好。

圖1 常規HDI板主要制作流程圖

圖2 凹陷度及填孔率計算示意圖

表1 硫酸銅和硫酸濃度對填孔效果的影響

圖3 電鍍填孔切片圖

2.2 鍍銅添加劑對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，包括光亮劑、濕潤劑和整平劑。其中光亮劑是一種含硫的小分子化合物，常見的有TPS（二甲基硫代氨基甲酰基丙烷磺酸鈉）、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，提升晶核生長速度，使鍍銅層表面更加細致光滑。并且，通過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，促進銅在陰極的進一步沉積。濕潤劑多為聚醇類高分子化合物，常用的有聚乙二醇、芳香族聚氧乙烯醚及壬基酚與環氧乙烷反應物等。濕潤劑通過與氯離子協同吸附在晶粒生長的活性點上，增加電化學反應的電阻，增強電化學極化，從而降低沉積速率，達到細化晶粒與抑制板面鍍層增長的效果。整平劑是一種含氮的大分子雜環化合物，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，降低該處的電鍍速度，而在板面凹陷處及微盲孔孔內吸附較少，使得此處的銅沉積作用不受影響，從而達到整平板面的效果。但當整平劑濃度過高時，會阻礙光亮劑進入孔內，降低電流效率，增加生產成本。三種添加劑在盲孔電鍍中協同發揮作用，需添加到合適的配比才能達到最好的填充效果。為了確定添加劑的最佳配比，設計L9（34）正交試驗對光亮劑、抑制劑、整平劑的濃度對盲孔電鍍效果的影響進行正交優化。

試驗因素-水平表見表2，正交試驗及結果見表3、表4。

對正交試驗結果進行方差分析，試驗結果表明R1＞R3＞R2，光亮劑對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較小。為進一步分析光亮劑、抑制劑和整平劑對填孔效果的影響趨勢，分別繪制三種因子的指標-因素圖，如圖4～圖6所示。

由圖4可知，在20～100 mg/L的范圍內，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時填孔率最大，繼續增加光亮劑的濃度，填孔率略有減少。說明在一定濃度范圍內，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，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時填孔效果最好。由圖6可知，在0.5～1.2 mg/L的范圍內，增加整平劑的濃度，凹陷度下降，填孔率增高。

表2 正交試驗因素-水平表

表3 影響盲孔電鍍凹陷度正交試驗表

表4 影響盲孔電鍍填孔率正交試驗表

圖4 光亮劑因素

圖5 抑制劑因素

圖6 整平劑因素

2.3 優化試驗

根據正交試驗的結果，光亮劑、抑制劑、整平劑均對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同作用，綜合考慮電鍍效果、生產效率和制作成本等因素，為了得到最佳的工藝條件，本文進行了進一步的優化實驗，試驗設計如表5、圖7。

由試驗結果可知，三組試驗參數下的鍍銅效果良好，均滿足客戶要求，其中第三組，當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，盲孔電鍍的凹陷度為5.5 μm，填孔率達到97.6%，電鍍填孔效果最好。

3 結論

盲孔電鍍工藝復雜，對板件設計、設備精度、工藝流程、電鍍藥水的要求都很高，尤其是電鍍藥水，作用機制復雜，只有詳細分析各成分對盲孔電鍍的影響機制才能了解其工藝原理，在制作流程中不斷總結經驗，才能得到更好的填空效果。

本文重點探究了電鍍藥液中各種成分對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，當硫酸銅和硫酸的比例達到2.22時填孔效果最好，凹陷度只有8 μm，且填充率達到97.1%。通過正交試驗及進一步的優化試驗得到最佳工藝條件，當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，盲孔電鍍的凹陷度為5.5 μm，填孔率達到97.6%。本試驗結果應用于實際生產中，有效降低了生產成本，提升了產品的品質穩定性和制作良率。

表5 優化試驗設計及結果

圖7 盲孔電鍍切片圖