PCB盲孔填孔电镀中光泽剂及工艺条件的影响研究

伊洪坤（东莞市富默克化工有限公司，广州 东莞 523079）王维仁（东莞市仁吉电子材料有限公司，广州 东莞 523839）

PCB盲孔填孔电镀中光泽剂及工艺条件的影响研究

伊洪坤
（东莞市富默克化工有限公司，广州 东莞 523079）
王维仁
（东莞市仁吉电子材料有限公司，广州 东莞 523839）

采用自制电镀设备研究光亮剂、整平剂及润湿剂在盲孔电镀中的作用机理，以及喷压、电流密度、阴阳极距离等工艺条件对填孔率的影响。实验结果表明，各添加剂在氯离子的协同作用下对填孔起着至关重要的作用。适宜的喷压有助于将药水带进盲孔内，电流密度及其组合对电镀填孔影响较大，阴阳极距离保持在5cm左右填孔效果最佳。

盲孔；添加剂；工艺条件

1 前言

随着电子消费品需求的不断提高，迫使PCB生产厂家技术、工艺不断创新，二阶、三阶及更高阶高密度互连板陆续出现。目前，多阶互连板主要采用盲孔叠孔设计，对盲孔进行电镀填充，这样既增加了导电性、散热性，又使工序简单化，减少制程成本降低生产成本[1]。目前填孔药水主要由国外几大厂商提供，且设备、流程、工艺均需按照厂家要求进行设计生产，成本难以继续降低，且填孔电镀影响因素较多[2]。填孔药水采用高铜低酸体系，外加光亮剂、润湿剂、整平剂等添加剂，了解各添加剂的作用机理以及相互协同效应，对于填孔药水的开发至关重要。国外一些学者对各添加剂的作用机理做了很多研究[3]，但国内对填孔药水的开发研究相对较落后，仅停留于使用进口药水做相关工艺的研究。因此，本文采用自制的几种添加剂研究其在填孔过程中的行为机理以及工艺条件对填孔效果的影响，为更优质的填孔药水的开发打下基础。

2 实验

2.1 实验设备

自制电镀槽，金相显微镜(EDS204），研磨机（YMP-1），整流器（E3633A，Agillent）等。

2.2 实验材料

带孔铜板（一次铜后），水晶胶、砂纸，抛光粉，H2SO4（98%），HCl（36%），CuSO4粉末，光亮剂，抑制剂，整平剂等。

2.3实验方法

在自制电镀设备上采用分段电流密度进行填孔电镀，通过改变阴极在电镀卡槽上的位置来调节阴阳极距离，通过流量阀门调节喷嘴的喷流大小。电镀液体系采用高铜低酸体系，150 g/L CuSO4·5H2O，98% H2SO470 g/L，36%HCl 0.16 ml/L 及光亮剂、整平剂、润湿剂。电镀设备示意图如图1。

图1 电镀槽示意图

该PCB电镀槽为长方形槽体，包括槽底和围设于槽底的两个宽侧壁和两个长侧壁，宽侧壁设有数个垂直于槽底方向的喷液通道，喷液通道设有数个均匀分布的喷嘴，相邻两个喷液通道之间设有阳极插槽，两个长侧壁之间架设有阴极固定架，阴极板夹于固定架上，固定架可横向来回移动，也可通过改变卡于槽体的位置来改变阴阳极间的距离，确保喷嘴喷出的液体均匀的喷射到阴极板上，且采用适宜的喷压将液体吹到孔内，有利于填孔电镀。

2.4 分析方法

PCB中电镀填孔效果的评价主要通过填孔率体现，电镀后切片，利用金相显微镜观察孔内镀层情况，计算填孔率。填孔率计算方法如图2所示，一般要求填孔率大于85%。

图2 填孔率计算示意图

2.5 实验流程

本实验采用表1所示前处理及电镀流程：

表1 实验流程表

3 结果与讨论

3.1 添加剂作用及失效机理

光亮剂在氯离子的存在下产生去极化作用，加速铜离子在低点位处的沉积，并且进入铜镀层影响镀层的结晶结构，使铜晶粒更细致化，因此也叫晶粒细化剂。本实验中保持润湿剂与整平剂含量不变的情况下,随着光亮剂含量的增加，板面逐渐变亮，但孔内镀铜逐渐减少。连续镀多片板后，光亮剂逐渐失效，与一些学者的研究相吻合，如Wei Wang[4]等采用电化学极化方法及光谱分析法研究了（3-sulfopropyl）disulfide（SPS）在填孔电镀过程中的失效机理，并采用量子化学方法计算SPS 失效比例。结果表明，15A·h/L以后SPS开始失效，随着过电荷的增加SPS的吸附逐渐降低，SPS的失效时一个与溶解氧有关的氧化过程，-S-S被氧化成-SOx-SOy-而失效。

填孔电镀中载运剂在氯离子的协同作用下会抑制铜离子在高电位的沉积，携带光亮剂到达阴极凹陷处，从而促进光亮剂在孔内的沉积，载运剂又称润湿剂。Ya-Bing Li[5]等利用电化学交流阻抗等方法研究了作为载运剂的PEG在填孔电镀过程中的失效机理，结果表明PEG 在阴极表面的吸附随着过电荷的增加逐渐下降，从而减弱其抑制沉积的作用，但阴极表面和阳极表面PEG的失效机理是不同的，PEG在阳极发生聚合反应，生成更大分子量的基团，不容易进入孔内，分散性下降，因此影响填孔电镀的填孔率，并影响板面光滑度和亮度。实验中保持光亮剂于整平剂的含量不变，改变PEG的含量，当PEG增大到一定浓度后，板面开始变乌，而不同分子量的PEG在电镀过程中的电化学行为也不同[6]，分子量过大或者过小都会影响填孔率，因此选择合适分子量的PEG也很重要。

整平剂很容易吸附在高电位处，与铜离子竞争，使铜离子不易在高电位处沉积，而不影响低电位处沉积，故称为整平剂。目前，整平剂主要有Janus Green B（JGB）、DB、PAS-A-5等，Wei-Ping Dow[7]等对比研究了DB、JGB及Alcian Blue在填孔电镀中与氯离子协同作用的强弱。无整平剂的情况下，各添加剂的调节范围很窄，有整平剂的情况下范围适当变宽，在此氯离子的浓度及与不同整平剂的协同作用尤为重要，因此选择及合成适合的整平剂对电镀填孔起着最关键的作用。

3.2 喷压对填孔电镀填孔率的影响

传统电镀线主要采用水平连续电镀及垂直电镀，若因空气搅拌或喷流方式无法达到要求，使得药水要换能力差，影响填孔效果。而用于填孔电镀的垂直连续电镀线设备昂贵，很多小厂商无法承受。传统电镀与垂直连续电镀的主要区别在于喷流方式不同[8]。在填孔电镀生产线上镀液由各添加剂补充装置进入到槽液储备槽中，进行槽液的循环。槽液采用置于阳极前面的一排排喷嘴进行喷流循环，镀液通过喷嘴喷射到阴极板上，将药液吹入孔内，降低毛细管现象，有助于实现填充。本文采用150 g/L CuSO4·5H2O、98% H2SO470 g/L、36%HCl 0.16 ml/L，润湿剂、光亮剂、整平剂的比例（体积比）为10:4:5配置的电镀液体系进行电镀以考察不同喷压对盲孔填孔率的影响。喷流大小对填孔效果有一定影响，孔内孔底和孔壁的铜沉积随着电镀时间的增加呈超等角填充，喷流过小时药液无法充分进入到盲孔内，不利于填充。随着喷流压力不断增加，孔内沉积效果逐渐变好，但当喷流过大时填孔率反而有所下降，这可能是由于喷压过大导致喷入孔内的药液还没来得及在加速剂的作用下进行铜沉积便被带出孔内，阻碍了填孔动作的完成。因此，根据不同的药水选择合适的喷压对填孔电镀的填孔率有很大帮助。

3.3 电流密度及其组合对填孔电镀填孔率的影响

电流密度大小及其组合也是影响填孔电镀填孔率的一大影响因素[9]，较小电流有利于实现超级填充，保证通孔的深镀能力，但是以小电流进行电镀所需时间很长，制造成本会大大增加，不适合产业应用。因此选择合适的电流组合也很重要，既节省制程成本又达到最佳的电镀效果。

本实验对几组不同参数组合的填孔效果进行研究，填孔效果如表2 。从图中可以看出，采用大电流时，填孔效果较差，孔内易出现空洞。而采用同样小的电流进行电镀却不一定都能达到较好的填充效果，因电流密度的大小还与盲孔深径比有关，只有选择合适的参数组合才能达到最好的填孔效果。

3.4 设备条件对填孔电镀填孔率的影响

本文采用自制电镀槽进行实验研究，可通过流量调节阀调节喷流速度，通过改变阳极卡于槽体上的凹槽位置来改变阴阳极间的距离，阴阳极距离可从3 cm调节至12 cm。阴阳极距离对于电镀的填孔率有一定的影响，选择合适的阳阳极距离有助于填孔动作的完成。但是不同喷压下需调节阴阳极距离才能达到更好的填充效果，这可能是由于喷嘴呈圆锥形喷出，相邻的两排喷嘴喷射出的水柱在不同位置会交叉喷射，从而降低喷流压力，因此要使得喷流压力在合适的位置喷到阴极板上才有助于各添加剂进入到孔内，完成超级填充。

4 结论

各添加剂在氯离子的协同作用下对填孔起着至关重要的作用，光亮剂在氯离子协同作用下加速在孔底的沉积，整平剂与润湿剂在氯离子协同作用下将加速剂代入孔内，并抑制表面沉积，加速填孔。适宜的喷压有助于将药水带进盲孔内，降低毛细管现象，但喷压过大也会导致光泽剂来不及反应即被带出，阻碍了铜离子在孔内的沉积，不利于填充；电流密度及其组合对电镀填孔影响较大，电镀初期适宜用低电流缓镀的方式使添加剂充分进入到孔内，中期及后期适宜稍大电流，加快铜离子在孔内的沉积，以实现超级填充；阴阳极距离保持在5cm左右填孔效果最佳。

表2 不同电流组合的填孔效果

[1]Mark Lefebvre, George Allardyce, Masaru Seita, Hideki Tsuchida, Masaru Kusaka, Shinjiro Hayashi. Copper electroplating technology for microvia filling. Circuit World, 2003, 29(2):9-14.

[2]陈世金, 徐缓, 罗旭, 覃新, 韩志伟. 影响印制线路板电镀填盲孔效果的因素[J]. 电镀与涂饰, 2012, 31(12):33-37.

[3]Wei-Ping Dow, Ming-Yao Yen, Sian-Zong Liao, Yong-Da Chiu, Hsiao-Chun Huang. Filling mechanism in microvia metallization by copper electroplating[M]. Electrochimica Acta 53 (2008) 8228-8237.

[4]Wei Wang, Ya-Bing Li, Yong-Lei Li. Invalidating mechanism of bis (3-sulfopropyl) disulfide (SPS) during copper via-filling process[M]. Applied Surface Science 255 (2009) 4389-4392.

[5]Ya-Bing Li, Wei Wang, Yong-Lei Li. Investigations on the invalidated process and related mechanism of PEG during copper via-filling process. Applied Surface Science 255 (2009)3977-3982.

[6]殷列, 王增林. 不同分子量PEG的铜电镀液对电化学沉积铜行为的研究[J]. 电化学, 2008, 14(4): 431-434. Wei-Ping Dow, Chih-Chan Li, Yong-Chih Su, Shao-

[7]Ping Shen, Chen-Chia Huang,Cliff Lee, Bob Hsu, Shar Hsu. Microvia filling by copper electroplating using diazine black as a leveler[M]. Electrochimica Acta 54(2009) 5894-5901.

[8]孙俊杰, 欧阳小平, 陆然, 倪超. 喷流方式对电镀填孔影响的分析[J]. 印制电路信息, 2012(10):22-33

[9]崔正丹, 谢添华, 李志东. 不同电镀参数组合对电镀填孔效果影响研究[J]. 印制电路信息, 2011(4):80-84.

伊洪坤，研发工程师，主要从事PCB特用化学品的研究开发工作。

Study of the effect of the additives and processing conditions in PCB blind hole filling

YI Hong-Kun WANG Wei-Ren

Studying the mechanism of b, Leveler, wetter in blind hole plating processing by using the self making equipment, and the effect of spray pressure, current density, distance between the anode and cathode on the filling rate. The experimental results showed that the additives play a vital role in the blind hole filling process with the synergistic effect of chloride ions. Suitable spray pressure helps the additives into the blind hole, current densities and it’s combinations have great impact on blind hole filling, 5cm between anode and cathode is best for filling.

Blind Hole; Additives; Processing Condition

TN41

A

1009-0096（2014）03-0050-04