通孔電鍍銅填孔淺析

楊智勤 歐陽小平 張 曦 陸 然 林 健

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

近年來電路板朝向輕、薄、小及高密互連等趨勢(shì)發(fā)展，要在有限的表面上，裝載更多的微型器件，這就促使印制電路板的設(shè)計(jì)趨向高密度、高精度、多層化和小孔徑方面的發(fā)展。

而其中增層法、半加成法、改良的半加成法、雷射成孔技術(shù)隨之產(chǎn)生。疊孔技術(shù)作為一種有效的手段，也很受重視。比較常見的是芯板經(jīng)過機(jī)械鉆孔、去鉆污、化銅、全板電鍍、樹脂塞孔、加覆蓋鍍（POFV）二次電鍍、配板、蝕刻開窗、激光鉆孔、后填盲孔等步驟完成疊孔。為了適應(yīng)印制電路板的發(fā)展，盲孔的填孔工藝得到了廣泛研究[1]。但是，經(jīng)過全板電鍍后的通孔進(jìn)行樹脂塞孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，從而導(dǎo)致疊孔失敗，進(jìn)而影響電信號(hào)的傳遞。通孔填孔鍍銅技術(shù)于2005年開始，一經(jīng)出現(xiàn)，就受到廣大PCB科研者的青睞。因此本文從導(dǎo)電膏塞孔、樹脂塞孔方式出發(fā)，淺析通孔填孔鍍銅的反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)勢(shì)和局限性。

1 塞孔方法

1.1 導(dǎo)電膏塞孔

在印制電路板的制造過程中，一種相對(duì)新型工藝稱為導(dǎo)電膏塞孔[2]。主要用于在積層技術(shù)中填充埋孔。使用這些導(dǎo)電膏可以制造平表面，隨后對(duì)其金屬化，然后進(jìn)行增層。相對(duì)于一些絕緣性填充材料來說，其導(dǎo)電膏具有一定的散熱效果，圖1是導(dǎo)電膏塞通孔的示意圖。

圖1 導(dǎo)電膏塞孔示意圖

從該流程來看，導(dǎo)電膏塞孔的工藝流程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)為了滿足基板的表面平整度，需要研磨多余的導(dǎo)電膏，這時(shí)將引起基板的翹曲或變形。不但勞動(dòng)力成本增大，而且不良率也高，由于需要等角沉積加覆蓋鍍（POFV）的二次電鍍，所以基板面銅的總厚度變厚，線路蝕刻時(shí)，線路的微細(xì)化將受到明顯的限制。

1.2 樹脂塞孔

常見的樹脂塞孔的方式有壓合填孔與樹脂油墨塞孔兩種方式。壓合填孔比較適合厚徑比低及孔數(shù)少的埋孔。芯板通孔的樹脂塞孔工藝可以為HDI增層制作提供一個(gè)平坦的表面[3]，平坦的表面顯得尤為重要，以確保受控阻抗在高頻應(yīng)用中的關(guān)鍵電路層之間的傳導(dǎo)。業(yè)界普遍采用的塞孔方法有絲網(wǎng)印刷和滾涂方式，通孔塞孔的頂部可能是玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂層或加覆蓋鍍（POFV）的二次電鍍層。如果通孔頂部是加覆蓋鍍的二次電鍍層，則可以在銅面上制作盲孔進(jìn)行疊孔。塞孔所用到的樹脂是高Tg和低熱膨脹系數(shù)（CTE），其制作流程和圖1是類似的。

樹脂塞孔作為HDI中比較新、決定未來HDI趨勢(shì)走向的一種新工藝，其發(fā)展程度反映了一個(gè)公司HDI的整體制作水平，同時(shí)也是各廠家極為保密的東西。樹脂塞孔中存在的難題：厚板小孔難以一次塞實(shí)；樹脂固化收縮而難以實(shí)現(xiàn)孔塞得飽滿；樹脂內(nèi)氣泡難以消除；板面樹脂殘留難以消除等，幾種常見的缺陷見圖2。

圖2 樹脂塞孔時(shí)易出現(xiàn)的缺陷

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，樹脂塞孔易出現(xiàn)塞孔凹陷過大、加覆蓋鍍的二次電鍍層易斷裂、增層時(shí)經(jīng)激光鉆孔孔型易鉆歪。

1.3 通孔電鍍銅塞孔

通孔是通過機(jī)械鉆孔于芯板上產(chǎn)生，然后經(jīng)化學(xué)沉銅，全板電鍍，樹脂塞孔來達(dá)到上下層的導(dǎo)通。目前的趨勢(shì)是芯板的厚度越來越薄，對(duì)技術(shù)的要求越來越高，這已影響產(chǎn)量，質(zhì)量，生產(chǎn)成本。例如樹脂塞孔屬于勞動(dòng)密集型的工作，機(jī)械研磨或涂刷后樹脂固化會(huì)導(dǎo)致尺寸的不穩(wěn)定，厚度小于100μm的芯板問題尤為嚴(yán)重。樹脂本身是一種高固體含量的材料和純銅具有不同的熱膨脹系數(shù)。

電鍍填孔工藝制作的平坦的銅面來取代樹脂塞孔或?qū)щ姼嗳讓⑹欠浅Ｓ星熬暗?，銅沉積在孔內(nèi)作為金屬化過程中的一個(gè)必要組成部分。鉆孔過后的芯板為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，可以先化學(xué)沉銅一層很薄的銅為填孔作為種子層，然后通過單一，全自動(dòng)連續(xù)加工生產(chǎn)線完成填充。

利用該特征可以給設(shè)計(jì)者帶來更多的設(shè)計(jì)選擇，孔內(nèi)的熱膨脹系數(shù)只取決于金屬銅和支持玻璃樹脂鉆孔介質(zhì)?？梢栽谕咨线M(jìn)行疊孔而不影響其可靠性，圖3為通孔內(nèi)非導(dǎo)電性物質(zhì)填充和純銅填充。

圖3 非導(dǎo)電性物質(zhì)的填充和通孔填孔鍍銅

2 通孔填孔鍍銅技術(shù)

2.1 電流的影響

就電鍍用到的電流而言，有直流和交流之分[4]。在直流電鍍過程中，孔能填滿主要?dú)w結(jié)于設(shè)備加功能力和有機(jī)添加劑。在有機(jī)添加劑的作用下采用反向脈沖電鍍（PPR）電鍍方式同樣也可以給出填孔所需要的不同于表面電鍍的速度。PPR與有機(jī)添加劑一起作用，是一種能提供填充孔所需電鍍速率的有效途徑。在直流電鍍時(shí)，僅電流可以控制，而在PPR電流波形中，有三個(gè)參數(shù)可以獨(dú)立改變：持續(xù)時(shí)間，停止時(shí)間，電流密度。這些參數(shù)可對(duì)銅離子沉積的控制更完全。另外，不同的PPR波形可連接在一起形成復(fù)合波形，通過對(duì)這些參數(shù)的控制銅離子的吸附和解吸過程，但在直流電流中卻不能做到，尤其是電鍍藥水不是專用的塞孔藥水時(shí)，反向脈沖電鍍效果顯得尤為突出，圖4采用的是反向脈沖電鍍方式。

使用反向脈沖電鍍能夠干預(yù)這些光劑在通孔和板面的濃度分布平衡。例如加速劑（催化劑）更加集中于通孔的中央，而板面上的加速劑濃度耗盡。這是由于在反向（陽極）脈沖的條件下板面上的加速劑脫附并咬蝕一部分銅出來。隨著電鍍反應(yīng)的進(jìn)行，通孔中心加速劑的濃度相對(duì)較低，它需要一段時(shí)間才能重新吸附，圖4為加速劑在反向脈沖電鍍時(shí)的濃度分布。

圖4 反向脈沖電鍍過程中加速劑的分布示意圖

正向電流主要控制銅離子在板面的附著和沉積，反向電流主要作用是對(duì)電流密度比較大的尖端部位所沉積的銅的反咬蝕作用，表現(xiàn)在電鍍?nèi)咨?，是將孔口處沉積的銅咬蝕掉，起到拉平的效果。在正向電流的作用下，由于電鍍藥水添加劑的作用，使得銅離子在孔內(nèi)的沉積速率大于在板面的沉積速率。于此同時(shí)，在反向電流的作用下，孔口處沉積的銅被咬蝕掉，保證了銅離子在孔內(nèi)的順利沉積，避免了空洞形成。

2.2 通孔鍍銅填孔機(jī)理

鍍銅電解液通常包括整平劑、載運(yùn)劑、光亮劑、氯離子、硫酸、硫酸銅等。光亮劑在氯離子協(xié)助下能產(chǎn)生去極化作用，降低過電位，加速鍍銅速度又稱加速劑。本身還可以進(jìn)入鍍層中參與結(jié)晶結(jié)構(gòu)，影響干預(yù)銅原子沉積的自然結(jié)晶方式。整平劑帶有很強(qiáng)的正電性，很容易吸附在鍍件的表面電流密度較大處，與銅離子競(jìng)爭(zhēng)，使銅離子在高電位處不易沉積，但又不影響低電流區(qū)的銅沉積，使原本起伏不平的表面變?yōu)槠教?。載運(yùn)劑具有增加極化作用，與氯離子共同作用下會(huì)增加對(duì)銅沉積的抑制，可協(xié)助光亮劑前往陰極凹陷各處分布，必須在氯離子的協(xié)助下才能發(fā)揮作用。

微盲孔的超等角填充方式已經(jīng)在早期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過，但是通孔填孔的生長(zhǎng)方式的確讓人比較費(fèi)解。對(duì)通孔和盲孔填孔來說，控制步驟是抑制基板表面鍍層的成長(zhǎng)，于此同時(shí)促進(jìn)通孔或盲孔內(nèi)部的鍍層的成長(zhǎng)。然而與盲孔填孔鍍銅不同，通孔內(nèi)部沒有底面，因此就沒有幾何學(xué)上的自下而上（Bottom Up）成長(zhǎng)，所以必須控制基板表面與通孔內(nèi)部的鍍層析出之差，從通孔的中部?jī)?yōu)先的成長(zhǎng)鍍層，可以獲得孔隙率少的通孔填孔鍍層。

Wei-ping Dow等[5]研究了圓柱形通孔在沒有加速劑的條件下，其通孔能被填滿，而V、X型通孔需在有加速劑的條件下才能被填滿。圖5為圓柱形通孔在沒有加速劑的條件下被填充示意圖。

圖5 通孔填孔生長(zhǎng)示意圖

其填孔機(jī)理主要?dú)w結(jié)于抑制劑的吸收、消耗、擴(kuò)散，導(dǎo)致抑制劑濃度差存在于通孔中心和板面。圖5（a）為抑制劑濃度分布，其θ1＞θ2＞θ3，抑制劑濃度分布在通孔內(nèi)部是呈現(xiàn)對(duì)稱分布。圖5（b）為銅層在有抑制劑的條件下優(yōu)先在通孔中心沉積，從而呈現(xiàn)蝴蝶尾狀銅沉積，其生長(zhǎng)方式為水平橫向生長(zhǎng)。圖5（c）為銅層生長(zhǎng)方式由水平橫向生長(zhǎng)變?yōu)榇怪笨v向生長(zhǎng)。圖5（d）為填孔步驟末期，銅沉積速率減慢，主要由于孔口抑制劑濃度高導(dǎo)致。由于電鍍液中不存在加速劑，其填孔步驟結(jié)束時(shí)會(huì)導(dǎo)致一定的凹陷。該方法是改變了通孔內(nèi)的電流密度分布，必須在低電流密度下進(jìn)行才能防止空洞和裂縫的產(chǎn)生。如果采用高電流密度，抑制劑在基板表面不能有效地吸附并抑制銅沉積，銅的生長(zhǎng)速率超過了抑制劑的吸附速率，最終，銅晶核會(huì)聚集在基板表面導(dǎo)致表面粗糙。

2.3 通孔填孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

通孔填孔電鍍具有很多方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是其具有很高的可靠性能。當(dāng)填充材料具有不同的熱膨脹系數(shù)時(shí)，其在使用過程中的老化問題是值得關(guān)注的，這點(diǎn)在PCB行業(yè)中尤為顯著。銅的膨脹系數(shù)大約是17×10-6/K，而典型的FR4材料大約是110×10-6/K，另外一些塞孔性材料在通孔填孔中的熱膨脹系數(shù)在（30×10-6/K）～（40×10-6/K）。這意味著，經(jīng)過全板電鍍通孔中的銅鍍層容易受到來自孔內(nèi)不同材料的熱沖擊而導(dǎo)致開路，而使用通孔填孔技術(shù)則可以避免不同材質(zhì)膨脹系數(shù)引起的電性能失效。

另外，通孔填孔技術(shù)具有優(yōu)越的熱傳導(dǎo)，銅具有明顯的熱傳導(dǎo)是因其具有很高的熱傳導(dǎo)率，達(dá)到360 W/（m·K），優(yōu)于任何其他填充材料。我們使用的導(dǎo)電膏熱傳導(dǎo)率一般為1W/（m·K），個(gè)別能達(dá)到8W/（m·K）。如果使用填充物質(zhì)塞孔時(shí)，經(jīng)過估算，超過90%～99%的熱量傳遞是由銅層傳遞，這明顯降低了填充物質(zhì)的熱傳導(dǎo)的應(yīng)用[6]。

我們可以很容易通過引入熱阻的概念來完成能力的比較，熱阻是反映熱量傳遞的能力的綜合參量，在熱傳熱學(xué)的工程應(yīng)用中，為了滿足生產(chǎn)工藝要求，有時(shí)通過減小熱阻以加強(qiáng)傳熱，而有時(shí)則通過增大熱阻以抑制熱量的傳遞。通孔中鍍層可以被看做為熱傳導(dǎo)線，而熱阻Rth可以用公式[7]：Rth＝d[μm]/(λ[ W（m·K）])·A[m2]，公式中的d為熱傳導(dǎo)線的長(zhǎng)度，即基板的厚度；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)（即銅或其他填充材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)）；A為熱傳導(dǎo)線的橫截面積。假定孔的直徑為120μm和基板的厚度為150μm，通孔中的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要取決于通孔中孔銅厚度。為了提高熱傳導(dǎo)能力應(yīng)該使孔銅的厚度增加，而不是使用填充其他不導(dǎo)電的介質(zhì)，理論算出的結(jié)果在表1。

從表1可以看出，通孔填孔鍍純銅的熱阻值是最低的，其傳熱效果是最好的。如果使用熱阻值高的物質(zhì)塞孔，必須增加散熱孔的數(shù)量來達(dá)到等同的效果，通常這種做法不太適合基板朝微型化發(fā)展。進(jìn)行疊孔時(shí)不必?fù)?dān)心由于對(duì)位不好，也可以很好地實(shí)現(xiàn)電氣互連，從而達(dá)到節(jié)省布線空間的目的[8]。

表1 熱傳導(dǎo)能力的比較

3 結(jié)論

盲孔填孔已經(jīng)廣泛應(yīng)用于HDI制造，而通孔填孔電鍍更值得人們的期待。本文已經(jīng)表明通孔填孔電鍍可以取代芯板填充其他填充劑，優(yōu)化了工藝流程，從而獲利。其優(yōu)點(diǎn)就是其具有良好的熱傳導(dǎo)和避免熱沖擊，可以提高封裝基板的可靠性。到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)局限是薄芯板和微通孔，其電鍍過程是一個(gè)全板電鍍的過程。如果工藝條件成熟，可以控制面銅厚度低于20μm，這使得制作50μm以下的精細(xì)線路是可行的。同時(shí)，這種工藝明顯縮短了工藝流程，降低了勞動(dòng)密集程度，更好的為生產(chǎn)服務(wù)，拉動(dòng)產(chǎn)品品質(zhì)的提升。

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