PCB制造中影響電鍍填孔工藝的基本因素

PCB制造、PCB設計、PCBA加工廠家詳解PCB制造中影響電鍍填孔工藝的基本因素

全球電鍍PCB行業產值占電子元器件行業總產值的比重快速增長。 是電子元器件行業中規模最大的行業，占有獨特的地位。 電鍍PCB產業年產值600億美元。 電子產品的體積越來越輕薄，在通盲孔上直接疊孔是獲得高密度互連的一種設計方法。 要想堆好孔，首先要做好孔底的平整度。 制作平面孔面的典型方法有幾種，電鍍填孔工藝是其中的代表方法之一。

電鍍填孔工藝不僅可以減少額外工藝開發的需要，而且可以與現有工藝設備兼容，有利于獲得良好的可靠性。

電鍍填孔具有以下優點：

(1)有利于疊孔、盤孔(Via.on.Pad)的設計；

(2)提高電氣性能，有助于高頻設計；

(3)有助于散熱；

(4)一次完成塞孔和電氣互連；

(5)盲孔采用電鍍銅填充，比導電膠具有更高的可靠性和更好的導電性。

1、化學影響因素

1.1 無機化學成分

無機化學成分包括銅（Cu：）離子、硫酸和氯化物。

(1)硫酸銅。 硫酸銅是鍍液中銅離子的主要來源。 通過陰極和陽極之間的庫侖平衡，浴中銅離子的濃度保持恒定。 通常，陽極材料和涂層材料相同，其中銅既是陽極又是離子源。 當然也可以使用不溶性陽極，Cu2+在槽外溶解添加，如純銅角、CuO粉、CuCO等。但需要注意的是，該方法容易混入氣泡 槽外添加，使Cu2在低電流區處于過飽和臨界狀態，不易析出。 應該注意的是，增加銅離子的濃度對通孔分散能力有負面影響。

(2)硫酸。 硫酸用于提高鍍液的導電性。 提高硫酸濃度可以降低鍍液電阻，提高電鍍效率。

但如果在填孔電鍍過程中增加硫酸濃度，會影響填孔用銅離子的補充，造成填孔不良。 填孔電鍍一般采用低濃硫酸體系，以獲得更好的填孔效果。

(3)酸銅比。 傳統的高酸低銅（C+:C:+=8-13）體系適用于通孔電鍍，電鍍孔填充應為低酸高銅

(C+:CZ=3-10)鍍液體系。 這是因為為了獲得良好的填孔效果，微孔內的電鍍速率應大于基板表面的電鍍速率。 在這種情況下，與電鍍過孔的傳統電鍍液相比，溶液配方由高酸低銅改為低酸高銅，確保凹陷處銅離子供應無后顧之憂。

(4)氯離子。 氯離子的作用主要是使銅離子與金屬銅在雙電層之間形成穩定的轉換電子傳遞橋。

在電鍍過程中，氯離子有助于均勻溶解和腐蝕陽極上的磷銅球，在陽極表面形成一層均勻的陽極膜。 在陰極，銅離子可以通過與抑制劑的配合來穩定沉積，以減少極化，使鍍層變得精細。

另外，常規的氯離子分析是在紫外可見分光光度計中進行的。 由于電鍍填孔槽液對氯離子濃度有嚴格要求，而硫酸銅槽液呈藍色，對分光光度計測量影響較大，應考慮自動電位滴定分析。

2、有機添加劑

有機添加劑能細化鍍層銅晶粒，提高分散能力，使鍍層光亮平整。 酸性鍍銅液中的添加劑主要有載體、整平劑和光亮劑三種。

(1)載體。載體是高分子的多元醇化合物。

載體吸附在陰極表面，與氯離子作用，抑制電鍍速率，減小高低電流區的差異（即增加極化電阻），使銅均勻連續沉積。 同時，抑制劑可以起到潤濕劑的作用，降低界面的表面張力（減小接觸角），使鍍液更容易進入孔內，增加傳質效果。 在填孔電鍍中，抑制劑還可以均勻沉積銅層。

(2)勻染劑。 整平劑通常是一種含氮有機物，其主要作用是吸附在高電流密度區（凸區或拐角處），從而減慢該處的電鍍速度，但不影響低電流下的電鍍 密度區（凹區），使表面平整。 是電鍍必備的添加劑。 一般來說，高銅低酸的電鍍填孔系統會使鍍層粗糙。 研究表明，流平劑的加入可以有效改善涂膜不良的問題。

(3)光亮劑。 光亮劑通常是含硫有機物。 它們在電鍍中的主要作用是幫助銅離子加速陰極還原，形成新的鍍銅核（降低表面擴散沉積能），使銅層結構變得更加細致。 光亮劑在填孔電鍍中的另一個作用是，如果光亮劑在孔中的分布比例較大，可以幫助盲孔中的銅快速沉積。 對于激光盲孔的填孔電鍍，三種添加劑都使用，并適當增加整平劑的用量，使整平劑在板子上的大電流區與Cuz競爭，防止面銅長得又快又厚。 相比之下，微孔中具有更多光亮劑的凹槽有機會更快地電鍍。 這個概念和做法與IC鍍銅工藝中的電鍍銅頗為相似。

3、物理影響參數

需要研究的物理參數包括：陽極類型、陽極陰極間距、電流密度、攪拌、溫度、整流器和波形。

(1) 陽極類型。 說到陽極種類，無外乎可溶性陽極和不溶性陽極。 可溶性陽極通常是含磷的銅球，容易產生陽極泥，污染槽液，影響槽液性能。 不溶性陽極，又稱惰性陽極，一般由鈦網組成，表面涂有鉭、鋯混合氧化物。 不溶性陽極，穩定性好，無需陽極維護，不產生陽極泥，適用于脈沖或直流電鍍； 但是，添加劑的消耗量很高。

(2)陰極和陽極之間的距離。 陰極和陽極之間的間距設計在電鍍填孔工藝中非常重要，不同類型設備的設計也不同。 但需要指出的是，無論怎么設計，都不能違反法拉第一定律。

(3)攪拌。 攪拌的形式很多，有機械擺動式、電動振動式、氣動振動式、空氣攪拌式、噴射器式等。

電鍍補孔一般優先在傳統銅缸配置的基礎上增加射流設計。 但是，到底是底噴還是側噴，缸內的噴管和混氣管如何布置； 每小時的排放量是多少； 射流管與陰極的距離； 如果使用側射流，射流是在陽極前面還是后面； 如果采用底部射流，是否會造成混合不均勻，槽液攪拌是否上弱下強； 射流管上射流的數量、間距、角度等都是銅筒設計時必須考慮的因素，必須進行大量的試驗。

此外，最理想的方式是將每根噴射管連接到流量計上以監測流量。 由于流速大，溶液容易升溫，所以溫度控制也很重要。

(4)電流密度和溫度。 低電流密度和低溫可以降低銅在表面的沉積速率，同時向孔內提供足夠的Cu2和光亮劑。 在此條件下，可以加強填孔能力，但也會降低電鍍效率。

(5)整流器。 整流器是電鍍過程中的一個重要環節。 目前對電鍍孔填充的研究多局限于全板電鍍。 如果考慮圖形電鍍填孔，陰極面積會變得很小。 這時要求整流器的輸出精度高。

整流器的輸出精度要根據產品線和過孔的大小來選擇。 線越細、孔越小，對整流器的精度要求就越高。 一般應選用輸出精度小于5%的整流器。 選用的整流器精度高，會增加設備投資。 整流器輸出電纜的布線，整流器盡量布置在鍍槽的邊緣，以減少輸出電纜的長度和脈沖電流的上升時間。 整流器輸出電纜的規格選擇應保證在最大輸出電流的80%時，輸出電纜的線路壓降在0.6V以內。 所需電纜截面積通常按載流量2.5A/mm計算。 電纜截面積太小，電纜長度太長，線路壓降太大，都會導致傳輸電流達不到生產要求的電流值。

寬度大于1.6m的鍍槽，應考慮采用雙面進線方式，雙面電纜長度應相等。 這樣就可以將雙邊電流誤差控制在一定范圍內。 電鍍槽的每根飛條兩側分別接一個整流器，使兩邊的電流分別調節。

(6) 波形。 目前，從波形上看，電鍍填孔有兩種：脈沖電鍍和直流電鍍。 這兩種方法都被研究過了。 傳統的整流器用于直流電鍍孔填充，操作簡單，但如果板厚，則無能為力。 PPR整流器用于脈沖電鍍填孔，操作步驟多，但對加工中較厚的板材加工能力強。

4、底板的作用

基材對電鍍填孔的影響不容忽視，如介質層材料、孔形狀、厚徑比、化學鍍銅等。

(1) 中層材料。 介質層材料對孔填充有影響。 與玻纖增強材料相比，非玻纖增強材料更容易填孔。 值得注意的是，孔內的玻璃纖維突起對化學銅有不利影響。 在這種情況下，電鍍填孔的難點在于提高化學鍍層種子層的附著力，而不是填孔工藝本身。

事實上，在玻璃纖維增強基板上電鍍填孔已應用于實際生產。

(2)厚徑比。 目前，無論是制造商還是開發商都非常重視針對不同形狀和尺寸的孔洞的填孔技術。 填孔能力受孔厚徑比影響較大。 相對而言，直流系統在商業上使用得更多。 生產中孔徑范圍會窄一些，一般直徑80pm~120Bm，孔深40Bm~8OBm，厚徑比不超過1:1。

(3)化學鍍銅。 化學鍍銅層的厚度和均勻性以及化學鍍銅后的放置時間都會影響填孔性能。 化學銅太薄或厚薄不均，填孔效果差。 一般建議化學銅厚>0.3pm時填孔。 此外，化學銅的氧化對孔隙填充效果也有負面影響。