组合波形对脉冲电镀深镀能力改善的机理研究

宋伟伟 章红春

（无锡深南电路有限公司，江苏 无锡 214142）

0 前言

随着通信技术的不断升级，特别是5G通讯技术的发展，PCB板高厚径比（＞14:1），高密集BGA（球栅阵列）孔的产品的量越来越多。这类型的产品不仅有很高的厚径比，还有着极高线路的精度要求，以满足5G信号的传输要求。这些硬性指标在PCB产品上表现为密集孔孔铜的高要求，产品阻抗精度的高要求。传统的直流电镀显然不能满足这一类型的产品，而脉冲电镀工艺则可以很好地解决这类问题。相对普通直流电镀而言，脉冲电镀工艺能够加工高厚径比产品，然而随着产品要求的变化，特别是PCB孔密度高的BGA区域，常规脉冲波形的加工能力显得力有不逮。主要表现为密集BGA区域孔铜厚度不足，BGA区域面铜与大铜皮区域极差大等缺陷。

传统PCB的制作方案通常会加大电流密度和延长电镀时间，采用增加产品的镀铜厚度来满足产品孔铜厚度，但是由于线路和阻抗要求的精度非常高（±8%），增加镀铜厚度显然无法满足线路和阻抗。很多公司使用先镀铜，再减面铜的方法来加工，不仅导致产品制造流程长、成本高，还给产品的长期可靠性带来了风险。为了解决密集BGA的孔铜厚度不足的缺陷，提高产品可靠性和市场竞争力，本文采用了一种新的组合波形，在高厚径比密集BGA的孔铜深镀能力方面进行测试研究。

1 试验

设备/仪器：龙门脉冲电镀线、显微镜。

本次试验是在我司龙门脉冲电镀线完成的，挂板方式（如图1），板件之间没有间隙。板厚4.2 mm，最小孔0.25 mm，板内设计Pitch 1mm的50×50矩阵BGA；验证板为同一规格，在同一组铜槽中进行试验，验证方案（如图1、表1、表2）。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

不同波形深镀能力数据（见表2、如图3）。

从上述结果可知：

（1）组合波形与传统波形相比，使用组合波形时，脉冲电镀的深镀能力更好，达到66.89%。

（2）组合波形的结构对脉冲电镀的深镀能力有影响。

图1 验证板挂板方式

表1 脉冲电镀深度能力试验参数

图2 脉冲电镀深度能力波形试验方案

表2 不同波形时脉冲电镀深镀能力数据

图3 不同波形时脉冲电镀深镀能力数据

2.2 结果与讨论

2.2.1 传统波形和组合波形的深镀能力对比

对比四组波形的深度能力和孔铜数据，组合波形在密集BGA的电镀能力方面有着明显的优势。从理论上分析，电镀过程中阳极Cu2+经过液相迁移传质、水合阳离子转化、电荷传递和电结晶四个基本过程[1]，其中液相迁移传质和前置转化两个过程决定着进入双电层的Cu2+的量，要得到良好的深镀能力就必须提高阴极表面双电层（图4）内的Cu2+浓度。传统波形中，只有在反向脉冲时，阴极表面的添加剂发生脱附，Cu2+扩散到阴极附近，正向脉冲时在添加剂的作用下进入孔内，形成镀层。组合波形中除了反向脉冲的作用之外，还会出现一段停顿，在这段停顿时间中，Cu2+扩散到阴极附近，正向脉冲时，在添加剂的作用下进入孔内，形成镀层。正是由于组合波形中，停顿和反向时间的双重作用，Cu2+利用反向脉冲和停顿时间，迁移到镀件表面（如图4），使阴极表面的金属离子的量得到了补充，正向脉冲时在光剂的作用下，使金属离子能够更多的迁移到孔内，孔内的铜离子越多，孔铜厚度就越厚，深镀能力越好。

图4 电解池金属离子扩散示意图

图5 电解池金属离子扩散示意图

2.2.2 不同组合波形的深镀能力对比

三组组合波形，其中组合波形B和组合波形C的深镀能力最好，组合波形D的深度能力与波形B和C相比，组合波形D的深镀能力较差。脉冲电镀的深镀能力主要是由电镀铜量及反蚀量决定的，电镀铜量及反蚀量是由脉冲正反向的实际电量决定的，在生产过程中，电量是由正反向时间决定的，在正向时间一定的前提下，实际的反向时间越长，那么深镀能力也就越高[2]。从实际的电镀过程中，用示波器测得电流的实际波形（如图6、图7）。

图6 实测脉冲波形图

图7 脉冲波形等效图

从图6来看，电流从正向稳态至反向稳态的过程是一个逐渐变化的过程，同样从反向稳态至正向稳态也是如此。出现这种现象主要是由两个方面的因素引起的：（1）电源、电缆线及电镀设备等存在的电感；（2）电源及电镀体系中电极——溶液界面存在的电容。这两个因素在正反向电流相互转换的过程中，起到了缓冲作用，从而延缓了正反向稳态之间的更迭变换，为了能够快速的说明问题，对图6的波形取等效图形用于计算，假设波形简化为如图7所示。

对于波形B，实际的有效反向时间=2×（5ms－tab－tcd），由几何关系可知tab=tcd，那么上式可以写为：

实际的有效反向时间：

=2(5ms－tab－tcd)=10 ms－4tab，

对于波形C，实际的有效反向时间：

=2×[2×(2ms－tab－tcd)+1ms－tab－tcd]

=2×(4ms－4tab+1ms－2tab)

=10ms－12tab

同理，对于波形D，实际的有效反向时间：

=2×[5×(1ms－tab－tcd)]

=2×(5ms－10tab)

=10ms－20tab

由上述的有效反向时间对比可以看出，组合波形B＞组合波形C＞组合波形D。从前面脉冲电镀深镀能力的分析中可知，反向有效时间越长，深镀能力越好，因此，组合波形深镀能力：组合波形B＞组合波形C＞组合波形D。

3 结论

（1）在高厚径比的产品中，组合波形的深镀能力比传统脉冲波形高。

（2）组合波形中的停顿时间，给Cu2+提供了更多的扩散时间，使得阴极表面Cu2+能够得到更快的补充，提升脉冲电镀的深镀能力。

（3）组合波形中的有效反向时间对深镀能力有贡献，实际反向时间越长，深镀能力越高。