密集散熱區(qū)PTH孔問題研究

何艷球 李成軍 王 佐 張亞鋒

（勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211）

0 背景

當(dāng)前終端消費(fèi)類電子產(chǎn)品繼續(xù)向短、小、輕、薄、高多層等方向發(fā)展，但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)所，小孔徑、厚板也有很大的市場(chǎng)空間，常應(yīng)用于一些需要局部散熱場(chǎng)所，如通信基站主板、服務(wù)器、及一些軍工產(chǎn)品等。這類產(chǎn)品過孔直徑小，孔布局密度高且較為集中，加上板厚較厚，在電鍍時(shí)由于縱橫比較大，孔內(nèi)銅厚電鍍時(shí)較為困難，或孔銅滿足后，面銅厚度超標(biāo)，導(dǎo)致外層線路無(wú)法制作。

目前行業(yè)常規(guī)電鍍通孔（PTH）的電鍍能力板厚孔徑比只能做到10:1以下，即板厚除以最小孔徑需小于10:1。厚徑比超過10:1，藥水貫孔率通常低于50%，以貫孔率50%為例，當(dāng)孔銅滿足要求時(shí)，空曠區(qū)面銅會(huì)增加一倍，因此會(huì)導(dǎo)致面銅厚度超出規(guī)格及面銅不均勻等問題，無(wú)法制作外層高密度的線路圖形。如果按正常電流及時(shí)間電鍍，又會(huì)有密集散熱區(qū)過孔鍍銅偏薄的問題。

1 密集散熱區(qū)銅偏薄機(jī)理

如圖1所示為一款12層5 G通信基站板, 基本信息表1。有樹脂塞孔及GAP電鍍要求，中間設(shè)計(jì)有密集散熱過孔，縱橫比為11.5:1，正常電鍍后切片確認(rèn)孔中心位置孔銅偏薄。

圖1 密集孔分布

表1 基本信息

1.1 原因分析

（1）密集散熱區(qū)域孔徑0.3 mm，節(jié)距0.6 mm，一個(gè)密集散熱區(qū)孔數(shù)為426個(gè)，密集區(qū)域孔電鍍面積增加如下：

3.14×（0.15 mm×0.15 mm）×426=30.0969 mm2；

（2）在相同面積區(qū)域條件下，鍍銅面積相對(duì)增加，而整板電鍍過程中電流分布到區(qū)域面積的電流相同，導(dǎo)致相同電流條件下密集區(qū)域孔銅偏??；

（3）根據(jù)鍍液極化原理：

表面電流 IS =V/（RS+RP）

孔內(nèi)電流 IH =V/（RH+RP）

RS—表面電阻，RP—極化電阻，RH—孔內(nèi)電阻

由以上公式可以得出，RP越大，IS與IH越接近，深鍍能力越好。當(dāng)密集孔數(shù)增多，表面電阻RS和孔內(nèi)電阻RH增加，而孔內(nèi)電流與表面電流和輸出同面積電壓相同，故而引起極化電阻減小，導(dǎo)致鍍液極化，降低電鍍效率。

1.2 預(yù)設(shè)改善方法

（1）加大打氣或攪拌量或提高HCL的量都可增加極化電阻；

（2）采用高縱橫比藥水，降低硫酸銅的含量，增加硫酸濃度；

（3）采用鍍孔流程，在相同孔表面電阻和孔內(nèi)電阻情況下，增加孔內(nèi)電流方式來(lái)滿足密集孔鍍孔需求；

（4）根據(jù)直流電鍍電阻公式。

由公式可知電勢(shì)差與板厚、孔徑的關(guān)系，當(dāng)電導(dǎo)率K不能無(wú)限大時(shí)，只有通過改變陰極電流密度來(lái)解決深鍍能力，并需導(dǎo)入高厚徑比光劑或脈沖電鍍來(lái)解決高縱橫比能力。

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)密集散熱區(qū)銅偏薄機(jī)理，設(shè)計(jì)四種不同的制作方案，驗(yàn)證電鍍效果。

2.1 方案一：分鍍方式

將板內(nèi)大小孔分開電鍍，先圖電鍍小孔，樹脂塞孔后再鉆大孔并電鍍。

2.1.1 流程設(shè)計(jì)

前工序→壓合→減銅→鉆孔（0.5 mm以下過孔）→電鍍（VCP閃鍍）→干膜（蓋面銅）→圖電（鍍孔銅）→背鉆→樹脂塞孔→去膜→研磨（面銅控制15.2 μm) →鉆孔（大孔）→銑PTH槽→VCP電鍍（GAP電鍍及鍍大孔）→外層干膜→圖電→堿性蝕刻→后工序。

2.1.2 電鍍參數(shù)及結(jié)果

方案一測(cè)試結(jié)果不合格，縱橫比較大，圖電制程能力不足，因鍍孔采用的為小電流，導(dǎo)致孔銅晶格差，此方案不可行（如圖2）。

2.2 方案二：更換高縱橫比藥水

將VCP電鍍線更換成新的高縱橫比藥水，板內(nèi)大小孔同時(shí)鉆孔并走一次鍍銅流程，確認(rèn)灌孔率。

圖2 過孔電鍍參數(shù)及結(jié)果數(shù)據(jù)

2.2.1 流程設(shè)計(jì)

前工序→壓合→減銅→鉆孔→VCP電鍍→背鉆→樹脂塞孔→GAP電鍍→外層干膜→蝕刻→后工序。

2.1.2 電鍍參數(shù)及結(jié)果

方案二采用新的VCP藥水電鍍測(cè)試灌孔率也只有44%，達(dá)不到80%，孔中間孔銅厚度不夠，按此方案生產(chǎn)面銅完成厚度在75 μm以上，超出外層蝕刻能力。即使增加封孔減銅流程，減銅后面銅也會(huì)有嚴(yán)重不均現(xiàn)象，面銅R值達(dá)到25.4 μm以上，線路蝕刻困難且會(huì)影響阻抗，此方案也不可行（如圖3）。

2.3 方案三：采用脈沖電鍍

采用脈沖電鍍，板內(nèi)大小孔同時(shí)鉆孔并鍍銅流程，確認(rèn)灌孔率。

2.3.1 流程設(shè)計(jì)

前工序→壓合→減銅→鉆孔→脈沖電鍍→背鉆→樹脂塞孔→GAP電鍍→外層干膜→圖電→堿性蝕刻→后工序。

2.3.2 電鍍參數(shù)及結(jié)果

方案三脈沖電鍍灌孔率為72.9%，采用樹脂塞孔后研磨減銅0.3 mil，可滿足外層蝕刻面銅上限，但孔銅接近下限且外層線路存在蝕刻不凈風(fēng)險(xiǎn)，而且脈沖電鍍產(chǎn)能較低，大批量生產(chǎn)產(chǎn)能不足（如圖4）。

2.4 方案四：更改圖電整流機(jī)設(shè)計(jì)

目前公司圖電龍門線采用的整流機(jī)為某老式整流機(jī)，整流機(jī)規(guī)格范圍為600 A，量程最小為600A，當(dāng)輸出電流≤最大量程的10%或更小，因整流機(jī)存在5%的輸出誤差值，電鍍整體輸出過小，電鍍過程中的正、負(fù)反應(yīng)抵消，而造成鍍不上銅或電解與上銅效率一致而出現(xiàn)電鍍均勻性差及小電流不穩(wěn)定等問題。為解決此問題，導(dǎo)入子母整流機(jī)設(shè)備，更換全新節(jié)能的高頻開關(guān)源,提高精度控制,保證電鍍品質(zhì)以及降低能耗。

圖3 高縱橫比藥水電鍍參數(shù)及結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 脈沖電鍍參數(shù)及結(jié)果數(shù)據(jù)

圖5 子母整流機(jī)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

2.4.1 流程設(shè)計(jì)：與方案一相同

前工序→壓合→減銅→鉆孔（0.5 mm以下孔）→電鍍（VCP閃鍍）→干膜（蓋面銅）→圖電（鍍孔銅，采用子母整流機(jī)電鍍線制作）→背鉆→樹脂塞孔→去膜→研磨（面銅控制15.24 μm) →鉆孔（大孔）→銑PTH槽→VCP電鍍（GAP電鍍及鍍大孔）→外層干膜→圖電→堿性蝕刻→后工序

2.4.2 電鍍參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，采用子母整流機(jī)模式生產(chǎn)，孔銅最小24.03 μm，鍍銅晶體致密無(wú)異常，能滿足客戶需求（如圖5）。

3 總結(jié)

（1）方案一采用大小孔分開鉆孔及電鍍，在鍍小孔時(shí)由于孔鍍面積較小，容易燒板及出現(xiàn)孔銅晶格不良；

（2）方案二更換高縱橫比電鍍藥水，電鍍灌孔率仍達(dá)不到要求，面銅R值較大，外層線路無(wú)法正常蝕刻，無(wú)法滿足要求；

（3）方案三采用脈沖電鍍，電鍍灌孔率仍較低，孔銅及面銅通過調(diào)整參數(shù)也只能勉強(qiáng)達(dá)到要求，但面銅接近上限值，容易產(chǎn)生蝕刻不凈，且脈沖產(chǎn)能較低，不適合大批量生產(chǎn)；

（4）方案四通過將圖電整流機(jī)更改為子母型整流機(jī)，可根據(jù)不同大小的電流自動(dòng)選擇不同的整流機(jī)，可改善因鍍孔流程電鍍面積過小，電鍍后孔壁粗糙，孔銅不足等問題，實(shí)現(xiàn)高密集散熱區(qū)PTH孔的制作。除更改整流機(jī)外，工程設(shè)計(jì)時(shí)也可以適當(dāng)增加Dummy PAD，以分散電流。