伊洪坤（東莞市富默克化工有限公司，廣州 東莞 523079）王維仁（東莞市仁吉電子材料有限公司，廣州 東莞 523839）

PCB盲孔填孔電鍍中光澤劑及工藝條件的影響研究

伊洪坤
（東莞市富默克化工有限公司，廣州 東莞 523079）
王維仁
（東莞市仁吉電子材料有限公司，廣州 東莞 523839）

采用自制電鍍設備研究光亮劑、整平劑及潤濕劑在盲孔電鍍中的作用機理，以及噴壓、電流密度、陰陽極距離等工藝條件對填孔率的影響。實驗結果表明，各添加劑在氯離子的協(xié)同作用下對填孔起著至關重要的作用。適宜的噴壓有助于將藥水帶進盲孔內，電流密度及其組合對電鍍填孔影響較大，陰陽極距離保持在5cm左右填孔效果最佳。

盲孔；添加劑；工藝條件

1 前言

隨著電子消費品需求的不斷提高，迫使PCB生產(chǎn)廠家技術、工藝不斷創(chuàng)新，二階、三階及更高階高密度互連板陸續(xù)出現(xiàn)。目前，多階互連板主要采用盲孔疊孔設計，對盲孔進行電鍍填充，這樣既增加了導電性、散熱性，又使工序簡單化，減少制程成本降低生產(chǎn)成本[1]。目前填孔藥水主要由國外幾大廠商提供，且設備、流程、工藝均需按照廠家要求進行設計生產(chǎn)，成本難以繼續(xù)降低，且填孔電鍍影響因素較多[2]。填孔藥水采用高銅低酸體系，外加光亮劑、潤濕劑、整平劑等添加劑，了解各添加劑的作用機理以及相互協(xié)同效應，對于填孔藥水的開發(fā)至關重要。國外一些學者對各添加劑的作用機理做了很多研究[3]，但國內對填孔藥水的開發(fā)研究相對較落后，僅停留于使用進口藥水做相關工藝的研究。因此，本文采用自制的幾種添加劑研究其在填孔過程中的行為機理以及工藝條件對填孔效果的影響，為更優(yōu)質的填孔藥水的開發(fā)打下基礎。

2 實驗

2.1 實驗設備

自制電鍍槽，金相顯微鏡(EDS204），研磨機（YMP-1），整流器（E3633A，Agillent）等。

2.2 實驗材料

帶孔銅板（一次銅后），水晶膠、砂紙，拋光粉，H2SO4（98%），HCl（36%），CuSO4粉末，光亮劑，抑制劑，整平劑等。

2.3實驗方法

在自制電鍍設備上采用分段電流密度進行填孔電鍍，通過改變陰極在電鍍卡槽上的位置來調節(jié)陰陽極距離，通過流量閥門調節(jié)噴嘴的噴流大小。電鍍液體系采用高銅低酸體系，150 g/L CuSO4·5H2O，98% H2SO470 g/L，36%HCl 0.16 ml/L 及光亮劑、整平劑、潤濕劑。電鍍設備示意圖如圖1。

圖1 電鍍槽示意圖

該PCB電鍍槽為長方形槽體，包括槽底和圍設于槽底的兩個寬側壁和兩個長側壁，寬側壁設有數(shù)個垂直于槽底方向的噴液通道，噴液通道設有數(shù)個均勻分布的噴嘴，相鄰兩個噴液通道之間設有陽極插槽，兩個長側壁之間架設有陰極固定架，陰極板夾于固定架上，固定架可橫向來回移動，也可通過改變卡于槽體的位置來改變陰陽極間的距離，確保噴嘴噴出的液體均勻的噴射到陰極板上，且采用適宜的噴壓將液體吹到孔內，有利于填孔電鍍。

2.4 分析方法

PCB中電鍍填孔效果的評價主要通過填孔率體現(xiàn)，電鍍后切片，利用金相顯微鏡觀察孔內鍍層情況，計算填孔率。填孔率計算方法如圖2所示，一般要求填孔率大于85%。

圖2 填孔率計算示意圖

2.5 實驗流程

本實驗采用表1所示前處理及電鍍流程：

表1 實驗流程表

3 結果與討論

3.1 添加劑作用及失效機理

光亮劑在氯離子的存在下產(chǎn)生去極化作用，加速銅離子在低點位處的沉積，并且進入銅鍍層影響鍍層的結晶結構，使銅晶粒更細致化，因此也叫晶粒細化劑。本實驗中保持潤濕劑與整平劑含量不變的情況下,隨著光亮劑含量的增加，板面逐漸變亮，但孔內鍍銅逐漸減少。連續(xù)鍍多片板后，光亮劑逐漸失效，與一些學者的研究相吻合，如Wei Wang[4]等采用電化學極化方法及光譜分析法研究了（3-sulfopropyl）disulfide（SPS）在填孔電鍍過程中的失效機理，并采用量子化學方法計算SPS 失效比例。結果表明，15A·h/L以后SPS開始失效，隨著過電荷的增加SPS的吸附逐漸降低，SPS的失效時一個與溶解氧有關的氧化過程，-S-S被氧化成-SOx-SOy-而失效。

填孔電鍍中載運劑在氯離子的協(xié)同作用下會抑制銅離子在高電位的沉積，攜帶光亮劑到達陰極凹陷處，從而促進光亮劑在孔內的沉積，載運劑又稱潤濕劑。Ya-Bing Li[5]等利用電化學交流阻抗等方法研究了作為載運劑的PEG在填孔電鍍過程中的失效機理，結果表明PEG 在陰極表面的吸附隨著過電荷的增加逐漸下降，從而減弱其抑制沉積的作用，但陰極表面和陽極表面PEG的失效機理是不同的，PEG在陽極發(fā)生聚合反應，生成更大分子量的基團，不容易進入孔內，分散性下降，因此影響填孔電鍍的填孔率，并影響板面光滑度和亮度。實驗中保持光亮劑于整平劑的含量不變，改變PEG的含量，當PEG增大到一定濃度后，板面開始變?yōu)?，而不同分子量的PEG在電鍍過程中的電化學行為也不同[6]，分子量過大或者過小都會影響填孔率，因此選擇合適分子量的PEG也很重要。

整平劑很容易吸附在高電位處，與銅離子競爭，使銅離子不易在高電位處沉積，而不影響低電位處沉積，故稱為整平劑。目前，整平劑主要有Janus Green B（JGB）、DB、PAS-A-5等，Wei-Ping Dow[7]等對比研究了DB、JGB及Alcian Blue在填孔電鍍中與氯離子協(xié)同作用的強弱。無整平劑的情況下，各添加劑的調節(jié)范圍很窄，有整平劑的情況下范圍適當變寬，在此氯離子的濃度及與不同整平劑的協(xié)同作用尤為重要，因此選擇及合成適合的整平劑對電鍍填孔起著最關鍵的作用。

3.2 噴壓對填孔電鍍填孔率的影響

傳統(tǒng)電鍍線主要采用水平連續(xù)電鍍及垂直電鍍，若因空氣攪拌或噴流方式無法達到要求，使得藥水要換能力差，影響填孔效果。而用于填孔電鍍的垂直連續(xù)電鍍線設備昂貴，很多小廠商無法承受。傳統(tǒng)電鍍與垂直連續(xù)電鍍的主要區(qū)別在于噴流方式不同[8]。在填孔電鍍生產(chǎn)線上鍍液由各添加劑補充裝置進入到槽液儲備槽中，進行槽液的循環(huán)。槽液采用置于陽極前面的一排排噴嘴進行噴流循環(huán)，鍍液通過噴嘴噴射到陰極板上，將藥液吹入孔內，降低毛細管現(xiàn)象，有助于實現(xiàn)填充。本文采用150 g/L CuSO4·5H2O、98% H2SO470 g/L、36%HCl 0.16 ml/L，潤濕劑、光亮劑、整平劑的比例（體積比）為10:4:5配置的電鍍液體系進行電鍍以考察不同噴壓對盲孔填孔率的影響。噴流大小對填孔效果有一定影響，孔內孔底和孔壁的銅沉積隨著電鍍時間的增加呈超等角填充，噴流過小時藥液無法充分進入到盲孔內，不利于填充。隨著噴流壓力不斷增加，孔內沉積效果逐漸變好，但當噴流過大時填孔率反而有所下降，這可能是由于噴壓過大導致噴入孔內的藥液還沒來得及在加速劑的作用下進行銅沉積便被帶出孔內，阻礙了填孔動作的完成。因此，根據(jù)不同的藥水選擇合適的噴壓對填孔電鍍的填孔率有很大幫助。

3.3 電流密度及其組合對填孔電鍍填孔率的影響

電流密度大小及其組合也是影響填孔電鍍填孔率的一大影響因素[9]，較小電流有利于實現(xiàn)超級填充，保證通孔的深鍍能力，但是以小電流進行電鍍所需時間很長，制造成本會大大增加，不適合產(chǎn)業(yè)應用。因此選擇合適的電流組合也很重要，既節(jié)省制程成本又達到最佳的電鍍效果。

本實驗對幾組不同參數(shù)組合的填孔效果進行研究，填孔效果如表2 。從圖中可以看出，采用大電流時，填孔效果較差，孔內易出現(xiàn)空洞。而采用同樣小的電流進行電鍍卻不一定都能達到較好的填充效果，因電流密度的大小還與盲孔深徑比有關，只有選擇合適的參數(shù)組合才能達到最好的填孔效果。

3.4 設備條件對填孔電鍍填孔率的影響

本文采用自制電鍍槽進行實驗研究，可通過流量調節(jié)閥調節(jié)噴流速度，通過改變陽極卡于槽體上的凹槽位置來改變陰陽極間的距離，陰陽極距離可從3 cm調節(jié)至12 cm。陰陽極距離對于電鍍的填孔率有一定的影響，選擇合適的陽陽極距離有助于填孔動作的完成。但是不同噴壓下需調節(jié)陰陽極距離才能達到更好的填充效果，這可能是由于噴嘴呈圓錐形噴出，相鄰的兩排噴嘴噴射出的水柱在不同位置會交叉噴射，從而降低噴流壓力，因此要使得噴流壓力在合適的位置噴到陰極板上才有助于各添加劑進入到孔內，完成超級填充。

4 結論

各添加劑在氯離子的協(xié)同作用下對填孔起著至關重要的作用，光亮劑在氯離子協(xié)同作用下加速在孔底的沉積，整平劑與潤濕劑在氯離子協(xié)同作用下將加速劑代入孔內，并抑制表面沉積，加速填孔。適宜的噴壓有助于將藥水帶進盲孔內，降低毛細管現(xiàn)象，但噴壓過大也會導致光澤劑來不及反應即被帶出，阻礙了銅離子在孔內的沉積，不利于填充；電流密度及其組合對電鍍填孔影響較大，電鍍初期適宜用低電流緩鍍的方式使添加劑充分進入到孔內，中期及后期適宜稍大電流，加快銅離子在孔內的沉積，以實現(xiàn)超級填充；陰陽極距離保持在5cm左右填孔效果最佳。

表2 不同電流組合的填孔效果

[1]Mark Lefebvre, George Allardyce, Masaru Seita, Hideki Tsuchida, Masaru Kusaka, Shinjiro Hayashi. Copper electroplating technology for microvia filling. Circuit World, 2003, 29(2):9-14.

[2]陳世金, 徐緩, 羅旭, 覃新, 韓志偉. 影響印制線路板電鍍填盲孔效果的因素[J]. 電鍍與涂飾, 2012, 31(12):33-37.

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[5]Ya-Bing Li, Wei Wang, Yong-Lei Li. Investigations on the invalidated process and related mechanism of PEG during copper via-filling process. Applied Surface Science 255 (2009)3977-3982.

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[7]Ping Shen, Chen-Chia Huang,Cliff Lee, Bob Hsu, Shar Hsu. Microvia filling by copper electroplating using diazine black as a leveler[M]. Electrochimica Acta 54(2009) 5894-5901.

[8]孫俊杰, 歐陽小平, 陸然, 倪超. 噴流方式對電鍍填孔影響的分析[J]. 印制電路信息, 2012(10):22-33

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

伊洪坤，研發(fā)工程師，主要從事PCB特用化學品的研究開發(fā)工作。

Study of the effect of the additives and processing conditions in PCB blind hole filling

YI Hong-Kun WANG Wei-Ren

Studying the mechanism of b, Leveler, wetter in blind hole plating processing by using the self making equipment, and the effect of spray pressure, current density, distance between the anode and cathode on the filling rate. The experimental results showed that the additives play a vital role in the blind hole filling process with the synergistic effect of chloride ions. Suitable spray pressure helps the additives into the blind hole, current densities and it’s combinations have great impact on blind hole filling, 5cm between anode and cathode is best for filling.

Blind Hole; Additives; Processing Condition

TN41

A

1009-0096（2014）03-0050-04