填孔电镀品质可靠性的研究和探讨

彭 涛 田维丰 刘 晨 姜雪飞 彭卫红 刘 东

深圳崇达多层线路板有限公司

1 为什么需要填孔

1.1 PCB高密度化、高精细化的发展趋势

随着电子产业的高密度、高精细化，HDI板焊盘直径和间距的逐渐减小，使盲孔孔径也逐渐减小，盲孔厚径比随之加大，普通的电镀药水和传统的电镀工艺不能达到盲孔镀铜的效果，为保证盲孔品质的可靠性，更多生产厂家选择专用盲孔电镀药水或增加填孔流程。

图1 盲孔高厚径比使品质可靠性降低

1.2 叠盲孔设计和导热能力要求

叠盲孔设计是实现高密度线路的重要方法之一，叠盲孔设计内层盲孔一定要进行填孔。

1.3 表面封装的要求

图2 叠孔板设计需要做填孔

由于未填孔的盲孔在客户端表面封装时，盲孔内的空气会阻止焊锡料进入盲孔内，并在盲孔孔口附近产生焊接气泡，此种气泡会减弱焊接强度，对品质可靠性造成负片影响。为防止此种“虚焊”的影响，越来越多的客户要求盲孔进行填孔电镀。

以上就是盲孔填孔需求量越来越大的主要原因，在电子高密度化趋势下，盲孔的制作难度将会越来越大，盲孔的品质可靠性和制程能力也是客户和线路板厂商倍受关注的焦点。本文就从如何提升盲孔填孔制程能力和填孔品质可靠性和大家一起探讨。

2 填孔原理

2.1 填孔基本原理

在传统电镀理论中，盲孔底部是低电流区域，药水交换少，其电镀效果往往难以达到理想状态。盲孔电镀填孔工艺随着填孔光剂的发展和优化而逐渐成熟，在HDI板制作过程中扮演着重要角色。市场上填孔光剂种类较多，但其主要原理相近。填孔光剂主要成分有三种：光亮剂、抑制剂、整平剂。

光亮剂主要吸附于盲孔底部，利用硫醇类有机物与Cu2+形成络合物，以加速铜在盲孔底部的沉积；

抑制剂主要是大分子基团，吸附于铜表面，利用有机物吸附Cu2+，起到抑制表面铜离子沉积的作用；

整平剂主要作用是平衡高电流区孔口和低电流区孔角的电流分布，修饰盲孔孔形。

2.2 填孔过程示意图

2.3 填孔品质判断标准

填充率（Filling Ratio）＝(H2/H3)×100%，要求≥80%

微凹深度（Dimple Depth）＝H3-H2，要求＜10 µm

填孔深镀能力（Throwing Power）=H2/ H1

3 影响填孔品质的因素

根据填孔电镀的基本原理，及实际填孔经验，将影响填孔品质的因素总结，主要有：盲孔的形状；盲孔孔径及厚径比；填孔光剂种类和管控；溶液搅拌方式（喷流、打气）；填孔溶液中硫酸铜和硫酸浓度；电流密度。

4 填孔品质影响因素分析

4.1 盲孔的形状

不同的盲孔形状填孔难度如图3所示。

图3

腰鼓型和垂直型的盲孔在填孔电镀时，孔口是高电流区，如控制不好，其沉积速度高于盲孔底部沉积速度，就会产生填孔气泡。斜坡型药水流通性较前两者好，不易产生填孔气泡，制作难度较前两者容易。良好的盲孔形状是填孔电镀的基础，对激光钻孔的品质要有严格监控，才能保证盲孔填孔电镀的品质。

4.2 盲孔孔径及厚径比

使用不同的填孔光剂，其盲孔孔径对填孔的影响有所不同。但主要影响是厚径比偏大，孔径小时，在填孔电镀时药水交换差，易出现填孔空洞的缺陷，填孔时间长，生产效率低；孔径偏大时，盲孔底部在喷流的作用下不易吸附加速剂，其填孔效果较差。所以合适的孔径和纵横比对填孔的品质可靠性影响较大。

根据我公司使用的填孔光剂A，通过试验找出不同介质层的最佳厚径比范围，结果如下，供大家参考：

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图4 75 µm介质层，150 µm孔径填孔效果较差

图5 同样电镀条件下，75 µm介质层，75 µm孔径，填孔效果很好

盲孔纵横比只有维持在一个合理范围内，才能有稳定的填孔效果。盲孔孔径和孔形都是影响填孔电镀的客观条件，各个厂家生产条件不一样，不能一概而论，但如果没有相应的试验验证和规范，则难以保证填孔品质。

4.3 填孔光剂种类和管控

填孔光剂在填孔电镀中起着主导作用，填孔光剂的选择和管控显得尤为重要。现在有多家药水公司都有成熟的填孔光剂，可根据产品特点选择合适的填孔光剂。不同的光剂有着不同的特性和管控方法，只有填孔光剂浓度稳定，搭配合理，污染少，才能发挥出填孔的作用，才能保障填孔品质可靠性。

4.4 溶液搅拌方式（喷流、打气）

在电镀中，药水流通直接影响到电镀效果，盲孔由于一端被封住，药水流通比通孔要困难，所以填孔电镀时的药水搅拌循环效果非常重要。药水流通性差，在盲孔内易产生气泡；药水流通性过强，则盲孔底部不能有效吸附加速剂，填孔效果反而不佳。通常来讲，打气是无规则的，不易控制，搅拌效果较弱，一般建议用喷流。不同光剂对药水流通和喷流的强度要求不同，不同孔径的盲孔对喷流强度也有所区别，所以选择适当的药水搅拌方式和强度对填孔效果非常重要。以下是我司试验喷流强度对填孔效果的影响：

从以下图片可以看出，过强和过弱的喷流都会对填孔品质可靠性带来影响，喷流量小，盲孔底部流通性差，合盲孔底部沉积速率小于孔口和孔中间沉积速度，则会导致填孔气泡。喷流量过大，则使孔径较大的盲孔药水流通性强，带走部分加速剂，使填孔效果下降。应通过试验找出最佳的喷流参数，使不同孔径的盲孔填孔效果达到一个平衡点。

喷流泵在使用过程中会有磨损和老化，喷流流量也会缓慢降低，因此喷流泵的维护和喷流流量监控也很重要，可以通过定期维护喷流泵和安装喷流流量计来监控喷流流量。

4.5 填孔溶液中硫酸铜浓度

在填孔电镀时，不仅要考虑盲孔填孔，还要同时考虑通孔电镀。盲孔电镀在高铜低酸下效果好，而通孔深镀能力在高酸低铜条件下较好，两者呈对立现象，所以在实际生产中，对硫酸铜和硫酸浓度要找到一个平衡点，使盲孔填充品质和通孔铜厚同时达到要求。

从以上试验可以看出，在硫酸铜210 g/l，硫酸5.4%条件下，通孔深镀能力可以达到72%，可满足通孔铜厚要求，具体需根据盲孔填孔难度和通孔铜厚要求来确定硫酸铜浓度。

4.6 电流密度

在填孔电镀时，往往采用小电流密度会得到较好的盲孔填孔效果和通孔深镀能力，但是小电流密度生产时间长，生产效率低，成本高。在现有竞争激烈的市场，成本意识和生产效率早已深入人心。所以要降低电流密度来保证品质不是长久之计，要尽量提高电流密度，提高生产效率，实现成本和品质的双丰收。

我司用填孔光剂A试验高低电流对填孔效果和通孔深镀能力的影响，供大家参考，具体如下：

从试验结果来看，高电流密度盲孔填充效果较差，为提升电镀效率，可采取分段电镀的方法，电流密度逐步提升，可根据情况分为二段或三段，是解决填孔生产效率和品质的较好方法。

4.7 小结

影响填孔电镀的因素还有很多，如震动、摇摆、有机污染、激光钻孔品质等各个方面都有关系，在这里就不一一赘述。

5 结语

填孔电镀自从登上PCB工艺的大舞台，就一直扮演着举足轻重的角色。填孔电镀属于一种新型工艺，其反应机理、过程控制、制作难度是普通电镀不能相比的。本文从影响填孔电镀因素的各个方面加以分析和验证，并根据经验提出相应的管控措施，希望能给各位带来帮助。但这只是填孔电镀品质可靠性和工艺能力提升的冰山一角，还有很多其他方面如阳极、有机污染等都是值得我们去学习、探讨和总结。电子高密度化、精细化的趋势将使盲孔密度增加，孔径减小，厚径比增加，制程难度增加，填孔电镀将面临更多挑战，希望能有更多机会与大家一起分享填孔电镀的研究成果。