PCB電鍍銅知識(shí)（2）：電鍍銅填孔

陳苑明 肖龍輝 何 為 黎欽源

（1.電子科技大學(xué) 材料與能源學(xué)院，四川 成都 610054；2.珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519175；3.廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 引言

本文主要介紹印制電路板（printed circuit board，PCB）的電鍍銅相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)介紹微孔內(nèi)電鍍銅填孔。銅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及較好的力學(xué)性能，且與其他金屬可以形成金屬間的鍵合作用，從而獲得結(jié)合力強(qiáng)的界面，因此電鍍銅被廣泛應(yīng)用于PCB 制造中。為了強(qiáng)化PCB 層與層之間的連接，增加孔上可連接或安裝面積，通過采用孔內(nèi)電鍍銅填孔技術(shù)，包括盲孔和通孔等鍍銅進(jìn)行填孔。

1 盲孔鍍銅填充

盲孔是一種特殊結(jié)構(gòu)的溝槽，其填充體系和機(jī)理都與通孔電鍍有一定區(qū)別。盲孔填充主要采用高銅低酸的鍍液體系，而且在填充過程中只有一面孔口與鍍液接觸，填充過程中很容易出現(xiàn)空洞等缺陷。

盲孔的填充需要在保證面銅厚度變化不大的前提條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔內(nèi)的充分填充，因此相同條件下，與通孔電鍍相比，盲孔填充的難度更高，如圖1和圖2［1］所示。

圖1 盲孔填充示意

圖2 盲孔填銅在初始時(shí)刻的x-y 方向電流密度模擬結(jié)果［1］

盲孔填充主要分為3 種形式，分別是亞等角填充、等角填充和超等角填充。與通孔電鍍類似，盲孔填充中同樣存在孔底電流密度低于孔面電流密度的現(xiàn)象，如圖3（a）所示，導(dǎo)致當(dāng)孔面銅沉積速率較大、孔壁和孔底還來不及沉積銅時(shí)，即亞等角填充，此時(shí)盲孔的孔口就會(huì)被封住形成空洞，如圖3（b）所示；如孔口和孔內(nèi)的沉積速率接近，即等角填充，此時(shí)孔內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)縫隙，如圖3（c）所示。這2 種填充模式都會(huì)嚴(yán)重影響電子電路互連的可靠性和電氣性能。超等角填充能夠?qū)崿F(xiàn)盲孔自下而上的均勻填充，能夠得到無孔隙、空洞且填充均勻致密的高質(zhì)量填充。因此，在盲孔填充的過程中，要盡可能使其填充模式接近超等角填充，這樣才能實(shí)現(xiàn)良好的電氣互連功能。然而，盲孔填充也會(huì)出現(xiàn)凸起缺陷，如圖3（d）所示。這一般是由于不斷沉積的微孔內(nèi)表面導(dǎo)致加速劑吸附密度提升，因此要把控盲孔填充的時(shí)間和添加劑中加速劑的濃度，如圖4（a）［2］和4（b）［3］所示。

圖3 盲孔的理想填充以及3種常見的缺陷

圖4 2種盲孔填充缺陷的金相切片［2-3］

對(duì)于盲孔填充的性能表征，用盲孔的凹陷度（dimpled）和填孔性能（filling performance，F(xiàn)P）fFP來表示，如圖5所示。

圖5 凹陷度和填孔性能計(jì)算示意

式中：h2為從盲孔的孔底到面板鍍銅層的厚度；h1為盲孔的孔底到鍍銅層最凹處的厚度。

凹陷度值越低、FP 值越高，則盲孔的填充效果越好。一般來說，凹陷度值＜15 μm，F(xiàn)P 值＞80%，才能滿足PCB盲孔互連可靠性的要求。

2 通孔鍍銅填充

通孔填充的機(jī)理與盲孔類似，如圖6 所示［4］。在沒有電鍍添加劑作用時(shí)，在鍍液傳質(zhì)和電流密度不均勻分布的影響下，銅會(huì)優(yōu)先沉積在孔口處，這種沉積模式會(huì)導(dǎo)致孔口提前封口而在孔內(nèi)留下空洞缺陷。在電鍍添加劑的作用下，就會(huì)發(fā)生如圖6 所示的沉積過程，即銅會(huì)優(yōu)先沉積在通孔中間，然后形成上下2 個(gè)盲孔，相當(dāng)于同時(shí)進(jìn)行了2個(gè)盲孔的填充，即進(jìn)行自下而上的超等角填充，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通孔的填充。通孔填充的金相切片如圖7所示［5］。

圖6 通孔填充中銅層生長(zhǎng)過程示意

3 X型孔鍍銅填充

X 型孔是采用激光對(duì)鉆的方式，即在板材兩面分別進(jìn)行激光鉆孔進(jìn)而鉆通形成的通孔，如圖8所示。

圖8 X型孔填充示意

X 型孔填充模式與通孔填充類似，填充X 型孔經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)3 種缺陷，分別是空洞缺陷、凹陷缺陷和凸起缺陷，如圖9所示。

圖9 X型孔填充的三種缺陷示意

對(duì)于空洞缺陷，要求空洞面積不超過20%的孔徑面積；對(duì)于凹陷缺陷，一般要求凹陷深度不超過10 μm；對(duì)于凸起缺陷，一般要求凸起高度不超過5 μm。X 型孔填充的金相切片圖如圖10所示。

圖10 X型孔填充金相切片圖

4 抗蝕干膜電鍍填充

抗蝕干膜電鍍填充是PCB 電鍍高制程層間互連銅的核心技術(shù)，工藝過程包括種子層濺射、抗蝕干膜顯影、電鍍填充等步驟，如圖11 所示。目前能實(shí)現(xiàn)最小的銅柱直徑達(dá)40 μm。

圖11 抗蝕干膜電鍍填充互連構(gòu)建方法

5 結(jié)語(yǔ)

電鍍銅技術(shù)是PCB互連可靠實(shí)現(xiàn)的重要保障，導(dǎo)電薄膜的形成可為電鍍銅提供層間電流導(dǎo)電媒介。PCB 電鍍銅類型包括通孔電鍍以及盲孔、通孔、X 型孔、抗蝕干膜的填孔電鍍。本文可為PCB 制造從業(yè)者普及導(dǎo)電薄膜形成與電鍍銅基礎(chǔ)理論的相關(guān)知識(shí)，提升其對(duì)電鍍銅技術(shù)的認(rèn)識(shí)水平。