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電鍍填孔工藝影響因素

    深圳表面處理網(wǎng)：

    前言

    電子產(chǎn)品的體積日趨輕薄短小，通盲孔上直接疊孔(viaonHole或Viaonvia)是獲得高密度互連的設(shè)計(jì)方法。要做好疊孔，首先應(yīng)將孔底平坦性做好。典型的平坦孔面的制作方法有好幾種，電鍍填孔(ViaFillingPlating)工藝就是其中具有代表性的一種。

    電鍍填孔工藝除了可以減少額外制程開(kāi)發(fā)的必要性，也與現(xiàn)行的工藝設(shè)備兼容，有利于獲得良好的可靠性。

    電鍍填孔有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

    (1)有利于設(shè)計(jì)疊孔(Stacked)和盤上孔(via.on.Pad)：

    (2)改善電氣性能，有助于高頻設(shè)計(jì);

    (3)有助于散熱;

    (4)塞孔和電氣互連一步完成;

    (5)盲孔內(nèi)用電鍍銅填滿，可靠性更高，導(dǎo)電性能比導(dǎo)電膠更好。

    電鍍填孔是目前各PCB制造商和藥水商研究的熱門課題。Atotech、Shipley、奧野、伊希特化及Ebara等國(guó)外知名藥水廠商都已推出自己的產(chǎn)品，搶占市場(chǎng)份額。

    2電鍍填孔的影響參數(shù)

    電鍍填孔工藝雖然已經(jīng)研究了很多，但真正大規(guī)模生產(chǎn)尚有待時(shí)日。其中一個(gè)因素就是，電鍍填孔的影響因素很多。如圖1所示，電鍍填孔的影響因素基本上可以分為三類：化學(xué)影響因素、物理影響因素與基板影響因素，其中化學(xué)影響因素又可以分為無(wú)機(jī)成分與有機(jī)添加劑。下面將就上述三種影響因素一一加以簡(jiǎn)單介紹。

    2.1化學(xué)影響因素

    2.1.1無(wú)機(jī)化學(xué)成分

    無(wú)機(jī)化學(xué)成分包括銅(Cu2+)離子、硫酸和氯化物。

    (1)硫酸銅。硫酸銅是鍍液中銅離子的主要來(lái)源。鍍液中銅離子通過(guò)陰極和陽(yáng)極之間的庫(kù)侖平衡，維持濃度不變。通常陽(yáng)極材料和鍍層材料是一樣的，在這里銅既是陽(yáng)極也是離子源。當(dāng)然，陽(yáng)極也可以采用不溶性陽(yáng)極，Cu2+采用槽外溶解補(bǔ)加的方式，如采用純銅角、CuO粉末、CuCO3等。但是，需要注意的是，采用槽外補(bǔ)加的方式，極易混入空氣氣泡，在低電流區(qū)使Cu2+處于超飽和臨界狀態(tài)，不易析出。值得注意的是，提高銅離子濃度對(duì)通孔分散能力有負(fù)面影響。

    (2)硫酸。硫酸用于增強(qiáng)鍍液的導(dǎo)電性，增加硫酸濃度可以降低槽液的電阻與提高電鍍的效率。

    但是如果填孔電鍍過(guò)程中硫酸濃度增加，影響填孔的銅離子補(bǔ)充，將造成填孔不良。在填孔電鍍時(shí)一般會(huì)使用低硫酸濃度系統(tǒng)，以期獲得較好的填孔效果。

    (3)酸銅比。傳統(tǒng)的高酸低銅(Cw+：Ccu2+=8～13)體系適用于通孔電鍍，電鍍填孔應(yīng)采用低酸高銅(Cw+：Ccu2+=3～10)鍍液體系。這是因?yàn)闉榱双@得良好的填孔效果，微導(dǎo)通孔內(nèi)的電鍍速率應(yīng)大于基板表面的電鍍速率，在這種情況下，與傳統(tǒng)的電鍍通孔的電鍍?nèi)芤合啾龋芤号浞接筛咚岬豌~改為低酸高銅，保證了凹陷處銅離子的供應(yīng)無(wú)后顧之憂。

    (4)氯離子。氯離子的作用主要是讓銅離子與金屬銅在雙電層間形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的電子傳遞橋梁。

    在電鍍過(guò)程中，氯離子在陽(yáng)極可幫助均勻溶解咬蝕磷銅球，在陽(yáng)極表面形成一層均勻的陽(yáng)極膜。在陰極與抑制劑協(xié)同作用讓銅離子穩(wěn)定沉積，降低極化，使鍍層精細(xì)。

    另外，常規(guī)的氯離子分析是在紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)進(jìn)行的，而由于電鍍填孔鍍液對(duì)氯離子濃度的要求較嚴(yán)格，同時(shí)硫酸銅鍍液呈藍(lán)色，對(duì)分光光度計(jì)的測(cè)量影響很大，所以應(yīng)考慮采用自動(dòng)電位滴定分析。

    2、1.2有機(jī)添加劑

    采用有機(jī)添加劑可以使鍍層銅晶粒精細(xì)化，改善分散能力，使鍍層光亮、整平。酸性鍍銅液中添加劑類型主要有三種：載運(yùn)劑(Carrier)、整平劑(Leveler)和光亮劑(Brightener)。

    (1)載運(yùn)劑。載運(yùn)劑是高分子的聚醇類化合物。載運(yùn)劑被陰極表面吸附，與氯離子一起作用抑制電鍍速率，使高低電流區(qū)的差異降低(亦即增加極化電阻)，讓電鍍銅能均勻的持續(xù)沉積。抑制劑同時(shí)可充當(dāng)潤(rùn)濕劑，降低界面的表面張力(降低接觸角)，讓鍍液更容易進(jìn)入孔內(nèi)增加傳質(zhì)效果。在填孔電鍍中，抑制劑也可以銅層均勻沉積。

    (2)整平劑。整平劑通常是含氮有機(jī)物，主要功能是吸附在高電流密度區(qū)(凸起區(qū)或轉(zhuǎn)角處)，使該處的電鍍速度趨緩但不影響低電流密度區(qū)(凹陷區(qū))的電鍍，借此來(lái)整平表面，是電鍍時(shí)的必要添加劑。一般地，電鍍填孔采用高銅低酸系統(tǒng)會(huì)使鍍層粗糙，研究表明，加入整平劑可有效改善鍍層不良的問(wèn)題。

    (3)光亮劑。光亮劑通常足含硫有機(jī)物，在電鍍中主要作用是幫助銅離子加速在陰極還原，同時(shí)形成新的鍍銅晶核(降低表面擴(kuò)散沉積能量)，使銅層結(jié)構(gòu)變得更細(xì)致。光亮劑在填孔電鍍中的另一個(gè)作用是，若孔內(nèi)有較多的光亮劑分配比率，可以幫助盲孔孔內(nèi)電鍍銅迅速沉積。

    對(duì)于激光盲孔的填孔電鍍而言，三種添加劑全用，且整平劑的用量還要適當(dāng)?shù)靥岣?，使在板面上較高電流區(qū)，形成整平劑與Cu2+競(jìng)爭(zhēng)的局面，阻止面銅長(zhǎng)快長(zhǎng)厚。相對(duì)地，微導(dǎo)通孔中光亮劑分布較多的凹陷處有機(jī)會(huì)鍍得快一點(diǎn)，這種理念與做法與IC鍍銅制程的DemasceneCopperPlating頗為相似。

    2.2物理影響參數(shù)

    需要研究的物理參數(shù)有：陽(yáng)極類型、陰陽(yáng)極間距、電流密度、攪動(dòng)、溫度、整流器和波形等。

    (1)陽(yáng)極類型。談到陽(yáng)極類型，不外乎是可溶性陽(yáng)極與不溶性陽(yáng)極?？扇苄躁?yáng)極通常是含磷銅球，容易產(chǎn)生陽(yáng)極泥，污染鍍液，影響鍍液性能。不溶性陽(yáng)極，亦稱惰性陽(yáng)極，一般是涂覆有鉭和鋯混合氧化物的鈦網(wǎng)來(lái)組成。不溶性陽(yáng)極，穩(wěn)定性好，無(wú)需進(jìn)行陽(yáng)極維護(hù)，無(wú)陽(yáng)極泥產(chǎn)生，脈沖或直流電鍍均適用;不過(guò)，添加劑消耗量較大。

    (2)陰陽(yáng)極間距。電鍍填孔工藝中陰極與陽(yáng)極之間的間距設(shè)計(jì)是非常重要的，而且不同類型的設(shè)備的設(shè)計(jì)也不盡相同。不過(guò)，需要指出的是，不論如何設(shè)計(jì)，都不應(yīng)違背法拉第定律。

    (3)攪拌。攪拌的種類很多，有機(jī)械搖擺、電震動(dòng)、氣震動(dòng)、空氣攪拌、射流(Eductor)等。 對(duì)于電鍍填孔，一般都傾向于在傳統(tǒng)銅缸的配置基礎(chǔ)上，增加射流設(shè)計(jì)。不過(guò)，究竟是底部噴流還是側(cè)面射流，在缸內(nèi)噴流管與空氣攪拌管如何布局;每小時(shí)的射流量為多少;射流管與陰極間距多少;如果是采用側(cè)面射流，則射流是在陽(yáng)極前面還是后面;如果是采用底部射流，是否會(huì)造成攪拌不均勻，鍍液攪拌上弱下強(qiáng);射流管上射流的數(shù)量、間距、角度都是在銅缸設(shè)計(jì)時(shí)不得不考慮的因素，而且還要進(jìn)行大量的試驗(yàn)。

    另外，最理想的方式就是每根射流管都接入流量計(jì)，從而達(dá)到監(jiān)控流量的目的。由于射流量大，溶液容易發(fā)熱，所以溫度控制也很重要。

    (4)電流密度與溫度。低電流密度和低溫可以降低表面銅的沉積速率，同時(shí)提供足夠的Cu2+和光亮劑到孔內(nèi)。在這種條件下，填孔能力得以加強(qiáng)，但同時(shí)也降低了電鍍效率。

    (5)整流器。整流器是電鍍工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，對(duì)于電鍍填孔的研究多局限于全板電鍍，若是考慮到圖形電鍍填孔，則陰極面積將變得很小。此時(shí)，對(duì)于整流器的輸出精度提出了很高的要求。

    整流器的輸出精度的選擇應(yīng)依產(chǎn)品的線條和過(guò)孔的尺寸來(lái)定。線條愈細(xì)、孔愈小，對(duì)整流器的精度要求應(yīng)更高。通常應(yīng)選擇輸出精度在5%以內(nèi)的整流器為宜。選擇的整流器精度過(guò)高會(huì)增加設(shè)備的投資。

    整流器的輸出電纜配線，首先應(yīng)將整流器盡量安放在鍍槽邊上，這樣可以減少輸出電纜的長(zhǎng)度，減少脈沖電流上升時(shí)間。整流器輸出電纜線規(guī)格的選擇應(yīng)滿足在80%最大輸出電流時(shí)輸出電纜的線路壓降在0.6V以內(nèi)。通常是按2.5A/mm2的載流量來(lái)計(jì)算所需的電纜截面積。電纜的截面積過(guò)小或電纜長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、線路壓降太大，會(huì)導(dǎo)致輸出電流達(dá)不到生產(chǎn)所需的電流值。

    對(duì)于槽寬大于1.6m的鍍槽，應(yīng)考慮采用雙邊進(jìn)電的方式，并且雙邊電纜的長(zhǎng)度應(yīng)相等。這樣，才能保證雙邊電流誤差控制在一定范圍內(nèi)。鍍槽上的每根飛巴的兩面應(yīng)各連接一臺(tái)整流器，這樣可以對(duì)鍍件的兩個(gè)面的電流分別予以調(diào)整。

    (6)波形。目前，從波形角度來(lái)看，電鍍填孔有脈沖電鍍和直流電鍍兩種。這兩種電鍍填孔方式都已有人研究過(guò)。直流電鍍填孔采用傳統(tǒng)的整流器，操作方便，但是若在制板較厚，就無(wú)能為力了。脈沖電鍍填孔采用。PPR整流器，操作步驟多，但對(duì)于較厚的在制板的加工能力強(qiáng)。

    2.3基板的影響

    基板對(duì)電鍍填孔的影響也是不可忽視的，一般有介質(zhì)層材料、孔形、厚徑比、化學(xué)銅鍍層等因素。

    (1)介質(zhì)層材料。介質(zhì)層材料對(duì)填孔有影響。與玻纖增強(qiáng)材料相比，非玻璃增強(qiáng)材料更容易填孔。值得注意的是，孔內(nèi)玻纖突出物對(duì)化學(xué)銅有不利的影響。在這種情況下，電鍍填孔的難點(diǎn)在于提高化學(xué)鍍層種子層(seedlayer)的附著力，而非填孔工藝本身。

    事實(shí)上，在玻纖增強(qiáng)基板上電鍍填孔已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

    (2)孔形。

    (3)厚徑比。目前針對(duì)不同形狀，不同尺寸孔的填孔技術(shù)，不論是制造商還是開(kāi)發(fā)商都對(duì)其非常重視。填孔能力受孔厚徑比的影響很大。相對(duì)來(lái)講，DC系統(tǒng)在商業(yè)上應(yīng)用更多。在生產(chǎn)中，孔的尺寸范圍將更窄，一般直徑80gm～120gm，孔深40gm～80gm，厚徑比不超過(guò)1：1。

    (4)化學(xué)鍍銅層?；瘜W(xué)銅鍍層的厚度、均勻性及化學(xué)鍍銅后的放置時(shí)間都影響填孔性能。化學(xué)銅過(guò)薄或厚度不均，其填孔效果較差。通常，建議化學(xué)銅厚度>0.3um時(shí)進(jìn)行填孔。另外，化學(xué)銅的氧化對(duì)填孔效果也有負(fù)面影響。

    3結(jié)束語(yǔ)

    以上主要是對(duì)電鍍填孔影響因素做了一些最基本的探討，另外一些因素并未提及。如鍍液是否為非染料系的，因?yàn)榉侨玖系乃幰悍€(wěn)定性好，不易形成有害的副產(chǎn)物。還有如陽(yáng)極擋板設(shè)計(jì)，現(xiàn)在對(duì)電鍍填孔的研究多集中在全板電鍍，對(duì)于圖形電鍍填孔的研究還不多。當(dāng)進(jìn)行圖形電鍍時(shí)，為了保證電鍍的均勻性，擋板設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，而擋板設(shè)計(jì)往往又是電鍍?cè)O(shè)備制造商的專利。此外，由于圖形電鍍涉及到干膜，干膜對(duì)鍍液性能有影響，所以，應(yīng)對(duì)干膜做溶出實(shí)驗(yàn)，從而確定活性炭處理周期。

    無(wú)論怎樣，目前對(duì)于電鍍填孔技術(shù)來(lái)講，下面幾項(xiàng)結(jié)論已為大家所接受：

    (1)鍍液配方。采用高銅低酸的電鍍液配方，同時(shí)控制添加劑的比例，能保證鍍層品質(zhì)和填孔效果良好，有效的添加劑監(jiān)控是非常重要的;

    (2)電流密度和操作溫度。低電流密度和低溫可以降低表面銅的沉積速率，同時(shí)提供足夠的Cuz’和光亮劑到孔內(nèi)。在這種條件下，填孔能力得以加強(qiáng)，但同時(shí)也降低了電鍍效率。

    (3)設(shè)備類型。電鍍填孔對(duì)設(shè)備的要求很高。

    ①采用可溶性陽(yáng)極一一陽(yáng)極的溶解可能導(dǎo)致添加劑的副反應(yīng)。②采用不溶性陽(yáng)極一一水電解會(huì)產(chǎn)生大量的氧氣，過(guò)量消耗有機(jī)添加劑。③攪拌一一攪拌應(yīng)穩(wěn)定均勻。不恰當(dāng)?shù)臄嚢璨粌H會(huì)引起填孔能力下降，而且還會(huì)導(dǎo)致鍍層品質(zhì)變差。④陰/陽(yáng)極間距一一陰/陽(yáng)極間距與擋板的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，否則將導(dǎo)致電力線分布不均。

    (4)添加劑副產(chǎn)物的監(jiān)控。有機(jī)添加劑副產(chǎn)物積累過(guò)多的表現(xiàn)之一，就是填孔能力下降。應(yīng)通過(guò)Hull槽或CVS有效控制鍍液中的添加劑含量。批量生產(chǎn)時(shí)，如何有效除去添加劑的降解副產(chǎn)物非常重要。

    (5)通、盲孔同時(shí)電鍍，通孔的電鍍深鍍能力會(huì)受到影響。

    總之，善用設(shè)備、藥液、添加劑及操作參數(shù)，將是電鍍填孔成功的關(guān)鍵。