影响印制线路板电镀填盲孔效果的因素

陈世金*，徐缓，罗旭，覃新，韩志伟

（博敏电子股份有限公司，广东 梅州 514768）

1 前言

平板电脑、智能手机等越来越多的时尚消费类电子产品的出现给PCB(印制线路板)行业带来了更多的发展机遇。该类电子产品的布线密度越来越大，使二阶、三阶和高阶的HDI(高密度互连)产品不断出现，这对PCB 行业来说也是一种挑战。当前，多阶HDI板的层间互连大多采用盲孔与盲孔对接的方式，即叠孔设计，图1为一种三阶叠孔设计的HDI 板。

叠孔设计的多阶HDI 板一般采用电镀填盲孔的方式用铜将盲孔填满[1]。如何运用好电镀填盲孔技术？电镀填盲孔的影响因素有哪些？这些都是业界工作者在做高阶HDI 产品前所需要考虑的问题。毕竟电镀填盲孔与传统电镀有一定差异，在工艺参数和流程设计上 有更严格的要求，对电镀设备和物料的要求也有一些特殊，凹陷度(Dimple)、填孔药液控制的稳定性等均是电镀填盲孔技术的难点。只有掌握了电镀填盲孔技术，才能将其运用到叠孔高阶HDI 产品的制作之中，并且提升印制电路制作的工艺水平。

图1 三阶叠孔设计的HDI 板Figure 1 HDI board with three-step stacked via structure

2 工艺流程和设备要求

印制线路板制造中电镀填盲孔所使用的药液多为硫酸盐体系，其主要成分为硫酸铜和硫酸，电镀原理与传统电镀基本相同，主要是利用电镀添加剂(光亮剂、抑制剂、整平剂等)各成分的作用来获得盲孔内的填充效果。与传统电镀所不同的是，填孔电镀添加剂中整平剂的用量会适当提高，以促使板面上较高电流密度区形成Cu2+与整平剂竞争的局面，阻止面铜长快、长厚，而盲孔中光亮剂分布较多的凹陷处会相对镀得快一些。因此，添加剂是电镀填孔制程中十分重要的成分，也是目前各PCB 制造商和药水商研究的热门课题。在电镀填盲孔工艺中，工艺流程选择和设备要求均有一定的讲究，这是做好电镀填盲孔的必要前提。

2.1 工艺流程

电镀填盲孔技术在印制线路板中的应用已超过10年，但是能达到规模量产化的厂家并不多，PCB 业界电镀填孔的工艺流程分为闪镀(flash plating)和不闪镀两种情况。

2.1.1 闪镀流程

闪镀流程是业界应用最早、最广泛的一种，由于闪镀后进一步增加了盲孔内的导通性，会使填孔效果更好，且可使停放时间具有更大的灵活性。其流程为：除胶渣/化学沉铜─闪镀铜─除油─微蚀─浸酸─填孔电镀。

一般闪镀铜厚度控制在3～5 µm，闪镀过厚不利于精细线路的制作。如采用水平化学沉铜(PTH)和电镀将会极大地方便该工艺流程的操作，垂直线也要具备盲孔电镀制作条件。一般来说，采用喷流器和射流比较有效，常规打气、龙门式电镀线很难保证盲孔底部的镀铜效果。

2.1.2 不闪镀流程

不闪镀流程是业界近年开始尝试的一种新工艺流程，该流程可缩短制作时间，减少部分处理工序。其具体流程为：除胶渣/化学沉铜─除油─浸酸─填孔电镀。

不闪镀流程最主要的控制重点是PTH 后的停放时间管控。有相关实验研究表明：PTH 后的停放时间对填孔效果有着密切的关系，不同的停放时间所得到的填孔效果存在一定差异。另外，化学沉铜的厚度和均匀性也会影响填孔效果，通常建议化学沉铜的铜层厚度大于0.3 µm[2]。

2.2 设备要求

无论是闪镀流程还是不闪镀流程，都对设备有一定的要求。传统的阴极移动加空气搅拌的垂直电镀设备已经不可能圆满完成盲孔填充的任务。填孔电镀的设备现大多采用喷射式垂直连续电镀线(VCP)或水平电镀线，所使用的阳极有可溶性和不可溶性之分，整流器也有直流和脉冲两种。常规电镀填孔线的技术要求为：振动幅度≥20 mm/s；摇摆幅度±10 cm，周期6～8 次/min；A(阳极)∶A(阴极)=1.5∶1.0；喷射泵流速10 GPM，喷嘴为实心锥状；整流器输出偏差≤5%。

在设备的选择上还需要根据各公司产品特点、客户要求等来设计具体的配置。这样既可保证良好的填孔效果，也有利于成本的控制。在填孔电镀中经常会使用到可溶性阳极或不溶性阳极(用钛涂阳极或其他材料的不溶性阳极来直接取代铜阳极)，可溶性阳极的缺点是有黑色阳极膜生成，镀液维护频率较高(需要定期添加铜阳极，进行电解、碳处理等)，添加铜阳极时易造成镀液污染，从而影响镀液稳定性。不溶性阳极的缺点是成本较高，但是其稳定性好、维护方便，如生产高端产品，笔者认为不溶性阳极是一个理想的选择。

同时，为减少阴极上“寄生反应”的发生，对镀液中的流动布设有更高的要求，阳极材料也需要不断改进。据悉，De Nora 第五代DT5 型阳极材料已经研制出来，对改善阳极性能、减少添加剂的消耗等均有较大的帮助。

3 影响填孔效果的因素

印制线路板中对电镀填孔效果的评判主要通过填充率(filling ratio)或凹陷度体现，如图2所示。一般要求填充率≥85%、凹陷度≤10 µm，但不同产品的要求会有所不同，有些情况还需要对完成电镀填孔后的面铜厚度进行控制。

图2 填孔能力表征示意Figure 2 Schematic diagram for characterization of filling ratio

影响电镀填孔效果的因素可通过如图3所示的鱼骨图加以分析。

图3 电镀填孔效果的影响因素Figure 3 Factors affecting the via-filling effectiveness by plating

3.1 设备设计

能否达到理想的填充效果与设备设计有相当重要的联系。对于电镀填孔设备，一般都倾向于在传统铜缸的配置基础上增加射流设计。在铜缸内部的设计需要注意两个问题：一是喷管上喷嘴与喷嘴的距离，喷嘴与阴极(PCB 板)的距离，以及喷射面的重合性(即喷嘴须交错排布)；二是喷嘴的形状设计，一定要求是实心锥形，保证喷射出的效果是一个“圆面”，而不是一条直线(扇形喷嘴的喷射效果)，这也是出于喷射效果的考虑。

图4 填孔电镀的槽体设计Figure 4 Design of plating cell for via filling

图5 喷嘴设计Figure 5 Design of nozzle

图4和图5分别为标准铜缸喷管和喷嘴的设计。这些设计都是有一定的理论基础和实际依据的，如同侧喷管与喷管的距离设计为85 mm，是因为考虑到摇摆的摆幅为±10 cm，这样就可以保证喷射有一定的重合性，设计大于100 mm 就会存在一定的“真空”区域，无法保证线路板上所有盲孔都能有药水喷进孔内。喷嘴除设计为实心锥形外，还需要在喷嘴的两侧打两个相对的孔，从而加速药水的流动，使周边的药水可以迅速补给到喷嘴内。即使使用相同的药水、添加剂和电镀参数，不同设备的电镀填孔效果也有很大差异，如表1所示。

表1 不同电镀设备的填孔效果Table 1 Via filling effectiveness of different plating equipments

为保证良好的电镀填孔效果，需要对设备进行定期检查和维护，如喷管有无破损、喷嘴有无脱落、喷嘴喷出的效果等。每周都要对所有影响导电性的设备部件(如整流器、鞍座、飞巴、火牛线等)进行检测或维护。

3.2 电镀参数

电镀参数也是影响填孔效果的因素之一，用什么样的电镀参数可以达到最好的填充效果，最省时间，效率最高？根据笔者经验，采用小的电流密度会得到较好的填孔效果，并保证通孔的深镀能力，但是小电流生产所需时间长，生产效率低、成本高，在激烈竞争的今天，采用这种“小电流、长时间”的方式进行填盲孔制作显然是不现实的。这就需要通过更多的试验来得出更优的电镀参数，既获得良好的填孔效果，又保证生产的高效率。为此，进行了几组试验来对比不同电镀参数的填孔效果，如表2所示。从试验结果来看，高电流密度时盲孔的填充效果较差，尤其是孔径较小的盲孔在此情况下会出现孔内空洞的现象，而这是品质验收中所不能接受的，而且也会影响到盲孔的可靠性。因此，生产小孔径类的盲孔板一般建议采用小电流密度制作。从100 µm 孔径的盲孔填充效果来看，并不是电流密度最小的填充率最高，这也说明孔径在一定范围内只有采用合适的电镀参数，才能使其得到最好的填孔效果。

表2 不同电镀参数的填孔效果Table 2 Via filling effectiveness at different plating parameters

叶成镜和蓝国兴[4]将盲孔电镀铜的沉积分为3 种类型，即均匀成长型、非均匀成长型和爆发型。他们认为在爆发型的电镀行为中，依不同相对沉积速率(RDR)可将整个电镀反应分为4 个阶段：起始期、爆发期、回复期和平衡期。因此，在电流密度的选择上要特别注意，选择合适的电流密度不但可以达到好的填孔效果，而且可以提升生产效率。也有研究表明[5]：在不同的电流密度下爆发期出现的时间不同，抓住填孔处于爆发期之时调整电流密度，可以起到事半功倍的效果。通过实验研究了不同电流密度下的填孔爆发期，结果如图6所示(其中纵坐标为孔内与表面上铜速率比)。实验用硫酸铜镀液组成为：CuSO4·5H2O 200 g/L，H2SO480 g/L，Cl-50 mg/L，某公司三组分填孔添加剂适量。

图6 组合电流密度与单一电流密度填孔爆发期的对比Figure 6 Comparison of explosion period by using single and combined current density

从图6的曲线可以看出，电流密度由12 ASF(曲线A)增加至20 ASF(曲线B)时，填孔爆发期的开始时间由施镀后40 min 提前至10 min，可见电流密度越大，填孔爆发时间越早。但爆发时间提前并不一定能达到提高生产效率和得到较好填充效果的目的，还需要将爆发期持续的时间尽量缩短。而采用20 ASF × 20 min + 12 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min 的电流密度组合(曲线C)时，填孔爆发期在施镀后10 min 就开始，在40 min 时结束，即持续了仅30 min，比单一电流密度下爆发期所持续的时间都短得多(12 ASF 时的爆发期持续超过50 min，而20 ASF 时的爆发期持续时间为40 min)。由此可见，采用大的电流密度可缩短填孔爆发期来临的时间，爆发后采用小电流来维持较高的填孔能力，最终可以获得较好的填孔效果。

如图7所示，采用不同电镀参数组合(如20 ASF × 20 min + 13 ASF × 30 min + 20 ASF × 15 min)所得的填孔效果比单一电镀参数(如16 ASF × 80 min)时要好，且总的施镀时间可缩短15 min。因此，在采用不同电镀参数组合进行电镀填孔方面是很值得研究的，也具有一定的现实意义。

图7 不同电流密度组合下的填孔效果Figure 7 Via filling effectiveness at different combination schemes of current density

3.3 板材及孔型

基板对电镀填孔的影响也不可忽视，介质层材料对填孔有影响是显而易见的。与玻纤增强材料相比，非玻璃增强材料更容易填孔。值得注意的是，孔内玻纤凸出物对电镀铜有不利的影响[2]。在这种情况下，难点在于提高化学镀种子层的附着力，而非填孔工艺本身，其存在会影响镀液在盲孔内的交换，电镀时易造成孔内“空洞”或“封镀”等问题的出现。

除板材对填孔效果有影响外，镭射加工的孔型也有一定的影响，因为它影响到药水在盲孔内的交换和流动。一般镭射钻孔的标准孔型控制如图8所示，孔壁为直线，孔呈倒梯形(下孔径为上孔径的75%～85%)，孔径控制在90～125 µm，真圆度≥85%，孔口悬伸量(over hang)≤10 µm，FR4 板材孔底侧蚀量(under cut)≤15 µm，RCC 板材则控制在10 µm 以下[6]。

图8 镭射钻孔孔型Figure 8 Typical configuration of laser-drilled via

镭射后的孔径、孔深、孔口悬伸量、孔底侧蚀量等对填孔效果都有一定的影响。孔径过大就需要更多的铜来填满盲孔，同时药水交换不能过于激烈，否则很难将盲孔填满；孔径过小或过深则不利于药水的交换，如果药水交换不好或电流密度过大，盲孔内极易出现“空洞”问题。因此，要想保证电镀填盲孔效果，除对板材进行选择外，还必须对盲孔的孔型、孔壁质量等进行控制。一般来说，在孔径、孔深一定的情况下，“倒梯形”的盲孔最有利于药水的交换，与“梯形”、“腰鼓形”、“底部直角形”等其他孔型相比更容易被填满。关于盲孔孔型对填孔效果的影响在文献[7]中有详细的讲解。

3.4 镀液组成

如前所述，镀液的组分主要包括无机成分(Cu2+、H2SO4、氯离子)和有机成分(载体光亮剂、整平剂、主光亮剂)两大类。每种成分都有其各自的作用，且都对填孔效果有一定的影响。限于篇幅，在此仅针对最常研究的Cu2+含量进行分析。在设备、电镀参数和盲孔规格均相同的前提下，通过对比试验得出能获得最佳填孔效果的Cu2+浓度控制范围。具体数据和图片列于表3。

表3 硫酸铜含量对填孔效果的影响Table 3 Effect of copper sulfate content on via filling

由以上几组试验可以看出，随着Cu2+质量浓度上升，填充能力变强，210 g/L 时能得到最好的填孔效果。随后继续提升Cu2+浓度则凹陷值出现负值，表明填孔处的铜层有凸起现象，而这种情况不利于品质控制。因此，要得到最好的填充效果还要选择合适的Cu2+浓度。值得注意的是，提高铜离子浓度对通孔分散能力有负面影响[2]，如果存在通盲孔共镀的情况，须慎重调整Cu2+浓度，而且酸铜比与传统工艺也有所不同，这是因为为了获得良好的填孔效果，微导通孔内的电镀 速率应大于基板表面的电镀速率。在这种情况下，与传统通孔电镀溶液的高酸低铜不同，盲孔电镀溶液配方为低酸高铜，才能保证凹陷处铜离子的及时供应。除此之外，H2SO4、氯离子以及电镀添加剂都会对填孔效果造成影响[8]。

4 结语

电镀填盲孔工艺对设备、操作等要求较高，设备及工艺流程的设计，酸铜比、添加剂等镀液参数的控制，以及电镀参数的优化等都是控制的关键。只有详细了解电镀填盲孔的工艺原理，深入分析每一个影响因素的作用机理，在实际制作中不断总结经验，才能更好地运用该技术，得到理想的填孔效果。

随着PCB 技术的飞速发展，多阶HDI 板电镀填盲孔的制作要求将会越来越严，除保证填充率或凹陷度符合要求外，还会有更多的新要求，如填孔后面铜厚度的控制、图形电镀填盲孔技术的开发等，这对于精细线路的制作至关重要。印制线路板技术向精细化、高密度化发展是必然趋势，电镀填盲孔技术的广泛推行将势不可挡。因此，对该技术的研究要在今后的工作中不断深入，不断总结经验、积累成果，逐渐提高技术水平，从而提升企业的市场竞争力和抢占更多市场先机。

[1]白蓉生.填充微盲孔之电镀铜[M]// 电路板湿制程全书.[出版地不详]:台湾电路板协会,2005:373-379.

[2]LEFEBVRE M,ALLARDYCE G,SEITA M,et al.Copper electroplating technology for microvia filling [J].Circuit World,2003,29 (2):9-14.

[3]BARTHELMES J.Acid copper plating with insoluble anode—A novel technology in PCB manufacturing [C]// Proceedings of the Electronics Circuits World Convention 8.Tokyo:[s.n.],1999.

[4]叶成镜,蓝国兴.电镀铜填孔技术之探讨[J].电路板会刊,2003,19:52-63.

[5]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.

[6]刘兰,刘湘龙,李志东.CO2激光盲孔侧蚀现象研究[J].印制电路信息,2009 (增刊1):147-151.

[7]曹立志,陶伟良,黄伟.激光盲孔孔型对盲孔镀平结果的影响[C]// 2007年上海市电子电镀学术年会论文集,2007:99-103.

[8]曾曙,张伯兴.电镀填孔工艺影响因素之探讨[J].印制电路信息,2005 (9):33-36.