一种快速填盲孔的工艺及原理研究

朱 凯 王 翀 何 为（电子科技大学微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）程 骄 肖定军（广东光华科技股份有限公司，广东 汕头 515061）

一种快速填盲孔的工艺及原理研究

Paper Code: S-017

朱 凯 王 翀 何 为
（电子科技大学微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）
程 骄 肖定军
（广东光华科技股份有限公司，广东 汕头 515061）

消费电子的快速发展推动HDI需求的持续增长，电镀填盲孔是HDI制造中必不可少的工序之一。快速填盲孔对制作精细线路、控制成本、提高产能都是有利的。本文探讨了一种新的填盲孔工艺，在不改变现有电镀体系的基础上，仅通过改变工序，可以将填盲孔时间从60 min缩短到40 min，微凹＜5 μm，面铜厚度控制在（12±0.5）μm。文章还采用电化学方法和SEM图对新工艺的快速填盲孔原理进行了初步研究，研究结果表明，采用新工艺，可以在电镀工序之前实现盲孔板不同位置添加剂的选择性吸附，具体表现为盲孔底部吸附有高浓度的光亮剂，而板面光亮剂浓度较低。

高密度互连；快速填盲孔；电化学；选择性吸附

1 引言

近年来，以智能手机和穿戴设备为代表的消费电子市场持续发展，推动着PCB行业HDI（High Density Interconnect Technology）的需求量持续增加。电镀填盲孔技术操作简单、成本低廉、可靠性高、技术成熟，是目前HDI主要采用的工艺，也是实现批量生产所使用的最广泛的工艺[1][2]。

缩短电镀填盲孔的时间，一方面能直接提高生产效率，减少镀铜量，降低成本；另一方面，消费电子的需求促进PCB继续朝小型化、高集成化发展，而缩短填孔时间，可以有效降低面铜厚度，降低蚀刻时侧蚀的影响，从而有利于制作线宽线距更小的精细线路。因此研究快速填盲孔的技术对PCB行业的发展具有重要作用[3]。

2 电镀填盲孔技术原理

电镀填盲孔技术属于电镀铜的一种，电镀铜的原理是在阳极和阴极（镀件）之间施加一定电流，镀液中的Cu2+在阴极表面得到电子还原成Cu，并沉积在阴极表面形成铜镀层。电镀铜溶液有氰化物体系，焦磷酸盐体系，硫酸盐体系和氟硼酸盐体系，电子产品制造中主要使用酸性硫酸盐体系[4]。

电镀填盲孔技术是在铜电镀液中加入合理的添加剂改变盲孔板不同位置的电流分布来实现盲孔填充。目前PCB行业使用的硫酸铜体系的电镀铜配方所使用的添加剂主要有加速剂、抑制剂和整平剂三种[5]。Dow等[6]采用电化学方法以不同工作电极转速模拟研究了对流强度对添加剂竞争吸附的影响。Dow等[7]还通过实验发现通过分子自组装的方式即可在盲孔板板面、孔壁和孔底的铜层上吸附SPS和MPS，后续电镀填盲孔时即使镀液中没有光亮剂，电镀铜填孔所需要的加速作用也会出现。

Moffat等[8]提出的CEAC（Curvature Enhanced Accelerator Coverage，曲率提升加速剂覆盖率）机理认为填孔过程中几何外形变化改变局部添加剂浓度导致“bottom-up”现象，从而实现盲孔的填充。Dow等[9]提出的CDA （Convection Dependent Adsorption，对流有关性吸附）理论认为盲孔板孔底和板面的不同对流情况也会产生“bottom-up”现象。提高电镀填盲孔的速度就是要采取适当的方式加快“bottom-up”的速度，包括合适的添加剂体系和工艺方法。

3 实验部分

3.1 实验设备及药水

设备：稳压电源，哈林槽，磨抛机，金相显微镜，辰华660C电化学工作站，Jeoljsm-6510LV扫描电子显微镜。

药水：市售通孔电镀药水、市售填孔电镀药水，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、光亮剂，抑制剂，整平剂等。

3.2 快速填盲孔工艺研究

实验在1.5 L哈林槽中进行，采用底部打气的搅拌方式，气流量为2.5 L/min。预镀槽VMS（Virgin makeup solution）组成为CuSO4·5H2O 75g/L，H2SO4240 g/L，Cl–0.006%。填孔槽VMS组成为CuSO4·5H2O 220 g/L，H2SO2450 g/L，Cl–60 ppm。测试板厚度1.5 mm，盲孔厚径比100∶75 μm，具有可靠的孔金属化层。

实验首先按照传统填盲孔的工艺路线进行填孔电镀，实验流程为：

除油（5min）→水洗→预镀→水洗→酸浸→填孔电镀

预镀槽各添加剂浓度分别为：光亮剂0.4 ml/L，抑制剂8 ml/L，整平剂2 ml/L。填孔电镀槽各添加剂浓度分别为：光亮剂0.8 ml/L，抑制剂8 ml/L，整平剂2 ml/L。电流密度为1.5 A/dm2，预镀时间5 min，填孔电镀时间分别为60 min、40 min，填孔效果如图1、图2。

图1 1.5A/dm2＊60min填孔效果图（dimple＜5μm，面铜18μm±1μm）

图2 1.5A/dm2＊40min填孔效果图（dimple＞25μm）

实验采用快速填盲孔工艺进行填孔电镀，实验流程为：

除油（5 min）→水洗→预镀→水洗→预浸→填孔电镀

其中预浸槽中含10%的H2SO4、光亮剂2 ml/L等。预镀槽各添加剂浓度分别为：光亮剂0.4 ml/L，抑制剂8 ml/L，整平剂2 ml/L。填孔电镀槽中各添加剂浓度分别为：光亮剂0.2 ml/L，抑制剂8 ml/L，整平剂2 ml/L。电流密度1.5 A/dm2，预镀时间5 min，填孔电镀时间40 min，填孔效果如图3。

图3 快速填盲孔工艺1.5A/dm2＊40min填孔效果（dimple＜5μm，面铜12±0.5μm）

为进一步验证上述快速填盲孔工艺的填孔能力，采用不同厚径比的盲孔板进行填孔实验，被测试盲孔规格包括厚径比50∶75 μm、厚径比75∶75 μm、厚径比75∶100 μm、厚径比100∶100 μm。填孔效果如图4。

上述实验可以证明，快速填盲孔工艺可以在不改变添加剂种类，仅改变工序的条件下，通过增加预浸步骤，可以将厚径比100∶75 μm的盲孔填孔时间从60 min缩短到40 min，同时保证填孔dimple＜5 μm，面铜厚度控制在（12±0.5）μm的范围内。同时该工艺也可以对其他规格的高厚径比的盲孔实现快速填孔。

图4 快速填孔工艺对不同规格盲孔填孔效果图

3.3 快速填盲孔工艺原理研究

为了进一步研究快速填盲孔工艺的原理，分别采用电化学模拟研究盲孔板孔底和板面铜沉积环境，并采用SEM图分析预浸步骤后盲孔板不同位置添加剂的吸附状态。

3.3.1 快速填盲孔工艺电化学模拟

实验采用计时电位法分别以RDE（Rotating disk electrode）转速100 min和1500 min模拟电镀填盲孔过程中盲孔板孔底和板面的电镀环境，工作电极为铂电极，直径3 mm；辅助电极为铂棒电极，参比电极为Hg/Hg2SO4电极。实验流程及控制参数见表1，实验结果见图5。

表1 不同填孔工艺电化学模拟流程及参数表

图5 不同填孔工艺电化学模拟对比图

从图5分析，在无预浸填盲孔的电化学模拟结果中，RDE转速从1500/min降低至100/min，铜沉积电位正移，正移幅度10 mV ～ 13 mV。铜沉积电位随RDE转速的降低而正移，这说明填盲孔过程中，对流强度相对更低的孔底铜更容易沉积，这可以产生“bottom-up”现象。在快速填盲孔的电化学模拟结果中，RDE转速从1500/min降低至100/min，铜沉积电位正移，正移幅度＞18 mV。与无预浸填盲孔的模拟结果对比，快速填盲孔的模拟中RDE转速降低，铜沉积电位正移幅度更大，这说明采用快速填盲孔工艺时，盲孔板孔底与板面的铜沉积速度差比无预浸填盲孔工艺更大，因而可以加快“bottom-up”，更快地实现填盲孔。

3.3.2 填孔初期（5min）盲孔板不同位置SEM对比

通过电化学方法进行模拟了解到采用快速填盲孔工艺，可以实现盲孔板孔底与板面铜沉积速度的更大差异，为进一步研究导致这种差异变大的原因，实验分别按照传统填盲孔工艺（无预浸）和快速填盲孔工艺对测试板进行电镀，然后SEM(Scanning Electron Microscopy)图分析盲孔板孔底和板面铜镀层形貌，进而研究预浸步骤对电镀填盲孔前盲孔板不同位置添加剂吸附状态。实验流程及参数见表2，SEM图见图6～图9。

对比图6～图9可以看出，相比无预浸填盲孔工艺，快速填盲孔工艺在填孔进行到5 min时，盲孔底部铜镀层更加平整，晶粒更细，而板面铜镀层更加粗糙，晶粒更大。由于两种工艺路线的填孔槽配方相同，电镀参数也相同，因此可以得出快速填盲孔工艺通过增加预浸改变了电镀填盲孔前盲孔板不同位置的添加剂吸附量，具体表现为盲孔底部具有高浓度的光亮剂，而板面光亮剂浓度较低。由于电镀填盲孔前盲孔板不同位置光亮剂的浓度差异，加快了“bottom-up”的速度，从而缩短填孔时间，实现快速填盲孔。

表2 SEM用测试板填盲孔流程及参数表

4 结论

消费电子产品的需求持续增长，带动着PCB继续朝微型化、高集成化发展，快速填盲孔工艺对精细线路、控制成本、提高产能都具有重要的作用。本文探讨了一种新的填孔工艺，通过合理增加预浸工序并调整填孔槽各添加剂配比，可以将填盲孔时间从60 min缩短到40 min，同时保证dimple＜5 μm，面铜厚度12±0.5 μm。此外，通过电化学方法模拟和SEM对比分析发现，增加预浸步骤，可以使盲孔板在填孔之前孔底吸附高浓度的光亮剂，而板面浓度较低，从而加快“botton-up”速度，缩短填孔时间。本文主要从工序上入手探讨缩短填孔时间的方法，此外还可以研发更优秀的添加剂体系，配合快速填孔的工艺，将进一步提高电镀填盲孔的填孔速度。

文章得到国家自然科学基金（项目编号61474019）、广东省引进创新科研团队计划的资助（项目编号：201301C0105324342）和教育部博士点基金资助项目（项目编号20120185110021）。

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朱凯，现为电子科技大学微电子与固体电子学院应用化学系在读研究生，师从印制电路专家何为教授，主要研究方向为印制电路板新技术。

A rapid via-filling technology and study of its principle

ZHU Kai WANG Chong CHEN Jiao XIAO Ding-jun HE Wei

With increasing of consumer electronics, the demand of HDI board has continued growing. Moreover, via-filling is the essential production process of HDI, thus rapid via-filling contribute to fine lines, cost control and productivity improvement. In this paper, a new via-filling technology is studied, which could shorten filling time from 60min to 40min, but also ensure dimple less than 5μm and leveling surface copper thickness rang in 12±0.5μm. Furthermore, SEM and electrochemistry methods have been used to investigate the principle of as told rapid via-filling technology. Research results show that the rapid via-filling technology could achieve selective adsorption on different place of blind via board. To be specific, there is high concentration accelerator adsorption on the bottom of blind via, but much lower on the surface of the board.

HDI; Rapid Via-Filling; Electrochemistry; Selective Adsorption

TN41

A

1009-0096（2015）03-0112-05