采用试验设计法研究HDI板盲孔填充影响因素

彭 佳 何 为 王 翀

（电子科技大学应用化学系，四川 成都 610054）肖定军 谭 泽

（广东光华科技股份有限公司，广东 汕头 515061）

1 引言

随着电路板朝着轻、薄、小及高密度互连方向的发展，盲孔互连技术已得到广泛应用[1]。影响盲孔填充效果的因素有很多。硫酸铜、硫酸分别作为填孔镀液中主盐和导电盐，其存在是必不可少的。提高硫酸铜浓度可以提高允许电流密度，避免高电流区烧焦，但硫酸铜浓度的提高，会降低镀液分散能力。硫酸浓度对镀液的分散能力和镀层的力学性能均有影响，硫酸浓度太低，镀液分散能力下降，镀层光亮范围缩小；硫酸浓度太高，虽然镀液分散能力较好，但镀层的延展性降低[2]。电镀参数同样会影响到盲孔的填充，电流密度不同导致沉积速率不同，太大可能会增加镀液烧焦的风险，太小会造成电镀时间的增长，生产效率低。电镀时间不同导致镀铜层厚度不同。因此，本试验研究硫酸铜与硫酸浓度及电镀参数对盲孔填充的影响。

2 试验方法简述

均匀设计只考虑试验点在试验范围内均匀散布，挑选的试验代表点具有“均匀分散”性，但不具有“整齐可比”性，它可保证试验点具有均匀分布的统计特性，可使每个因素的每个水平做一次且仅做一次试验。模型比较复杂时，与其他试验法比较，均匀设计试验次数少、均匀性好，并对非线性模型有较好的估计。对线性模型，均匀设计有较好的均匀性和较少的试验次数，正交设计有较好的估计。虽然均匀设计失去了正交设计的整齐可比性，但在选点方面比正交设计有更大的灵活性，也就是说，它更加注重了均匀性。利用均匀设计可以选到偏差更小的点，更重要的是，试验次数大大减少，从而在实践中大大降低了成本。从经济和优化两个角度衡量，均匀设计确实有其优越性。实践中若水平数多，因素多而要求试验次数少的设计，一般用均匀设计来安排试验；对于因素数，水平数不多，一般采用正交设计。有时，可以将正交设计和均匀设计结合起来使用，而本文就是采用这种相结合的方式来研究硫酸铜与硫酸浓度及电镀参数对盲孔填充的影响。

3 试验前准备

基材为FR-4材料，板厚为0.1 mm，面积为620 mm×518 mm，面铜厚度为0.5 oz的基板，用1080的PP进行一次压合，按110 mm×90 mm区域面积进行CO2激光钻孔，钻取孔径为100 μm的盲孔。经化学沉铜、闪镀加厚后，将板裁成110 mm×90 mm的小板作为试验板待用。

本试验采用哈林槽来进行模拟试验，用直流电源，哈林槽规格为1 L，采用钛网为不溶性阳极，阴阳极距离为10.5 cm，采用底部打气的搅拌方式。电镀试验均在室温下进行。

镀液基础成分浓度及电镀参数的设定：光亮剂为0.9 ml/L，整平剂为12.7 ml/L，载运剂为12.7 ml/L，氯离子浓度为50 mg/L。

4 试验过程及结果分析

4.1 采用均匀设计法确定最佳浓度范围

用DPS数据处理软件生成U7*（74）均匀设计表，采用均匀设计法研究镀液硫酸铜与硫酸浓度和电镀参数对盲孔填充的影响。表1为该试验的因数水平表。

将待用试验板进行填孔前处理：酸洗→热水洗→溢流水洗→微蚀→溢流水洗→预浸。按照均匀设计表进行试验，在试验过程中我们以盲孔填孔质量、凹陷度、面铜均匀性作为试验指标，其中填孔质量主要是看板面是否有铜瘤、孔内是否有空洞产生，面铜均匀性用面铜厚度最大极差来表示。均匀设计表及试验结果数据结果如表2所示。

从表2中，可以看出：

（1）试验2，镀层上会出现铜瘤，镀层均匀性差。原因在于此时电流密度过大，导致镀液分散性下降；

表1 铜酸浓度及电镀参数的因素水平表

表2 铜酸浓度、电镀参数均匀设计表及其试验结果

（2）试验6，出现了空洞。经分析，考察其原因可能有三点：（1）可能是由于铜离子含量太低，造成孔内药水交换不足；（2）H+含量过高，加上大的电流密度，导致了氢气的析出，且滞留在孔内造成空洞的形成；（3）因该试验是用哈林槽来模拟试验，采用打气的搅拌方式可能会因为搅拌不足而造成孔底药水交换缓慢，从而导致孔口铜沉积速度大于孔底的铜沉积速度。

（3）从表2还可以看出铜酸浓度及电镀参数的最佳浓度范围。试验3、试验4和试验7的试验结果显示在这些条件下盲孔填充效果都挺好的。即当CuSO4浓度为210 g/L ～ 240 g/L、H2SO4浓度为20 g/L ～ 60 g/L、电流密度为1.1 A/dm2～ 1.7A/dm2、电镀时间为50 min ～90 min时，盲孔填充效果良好，此时没有铜瘤和孔洞产生，且填充率高，面铜均匀性好。由均匀设计法的特点，即其均匀分散性，可推断实际铜酸浓度及电镀参数的最佳工艺参数在此试验范围附近。

4.2 采用正交试验法进一步优化试验

为了进一步获得精确的最佳工艺参数。本着高酸低铜、提高生产效率的原则，本试验在均匀设计法中得出的试验范围内选取3个试验水平，进行正交试验设计。试验因素水平表如表3所示。根据正交试验表进行哈林槽模拟试验，试验过程同上。试验后对试验结果进行极差分析，其正交试验表及其极差分析数据如表4所示。

表3 铜酸浓度及电镀参数因素水平表

表4 研究铜酸浓度及电镀参数最佳工艺参数正交试验表

图1 100μm盲孔试验指标因素图

由极差分析可知，R电镀时间＞R电流密度＞R硫酸＞R硫酸铜，即在试验范围内，影响盲孔填充效果的最大因素是电镀时间，其次是电流密度，铜酸浓度影响最小。因本试验以凹陷度为试验指标，其值越小越好，由图1指标因素图可以看出各因素的最佳组合为：CuSO4浓度为240 g/L，H2SO4浓度为30 g/L，电流密度为1.6 A/dm2，电镀时间为70 min。但在实际生产中，考虑的不仅仅是盲孔填充率的提高，还需考虑生产效率的提高，以及成本的节约。因此，综合多因素考虑，最终确定因素最优方案为：CuSO4浓度为230 g/L，H2SO4浓度为30 g/L，电流密度为1.6 A/dm2，电镀时间为60 min。获得该条件下的盲孔切片如图2。

图2 最优方案电镀盲孔切片图

5 结论

采用均匀设计法和正交试验法相结合的方式研究了硫酸浓度、硫酸铜浓度、电流密度、电镀时间4个因素对盲孔填充效果的影响，获得当光亮剂为0.92 ml/L，整平剂为12.7 ml/L，载运剂为12.7 ml/L，氯离子浓度为50 mg/L时，硫酸铜和硫酸浓度及电镀参数的最佳工艺参数：CuSO4浓度为230 g/L，H2SO4浓度为30 g/L，电流密度为1.6 A/dm2，电镀时间为60 min，并对其进行了实验验证，结果表明在该工艺参数下盲孔基本被填平。进一步证明用均匀设计法和正交试验法相结合的方式所得出的试验结果是可靠而有效的。

文章得到广东省引进创新科研团队计划资助（项目编号：201301C0105324342）。

[1]秦佩,陈长生. PCB微盲孔电镀铜填平影响因素研究[J]. 电子工艺技术, 2012, 05：277-280.

[2]张怀武,何为,胡文成 等. 现代印制电路原理与工艺(第二版)[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.