PCB制造中影响电镀填孔工艺的基本因素

PCB制造中影响电镀填孔工艺的基本因素

PCB制造、PCB设计、PCBA加工厂家详解PCB制造中影响电镀填孔工艺的基本因素

全球电镀PCB行业产值占电子元器件行业总产值的比重快速增长。 是电子元器件行业中规模最大的行业，占有独特的地位。 电镀PCB产业年产值600亿美元。 电子产品的体积越来越轻薄，在通盲孔上直接叠孔是获得高密度互连的一种设计方法。 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几种，电镀填孔工艺是其中的代表方法之一。

电镀填孔工艺不仅可以减少额外工艺开发的需要，而且可以与现有工艺设备兼容，有利于获得良好的可靠性。

电镀填孔具有以下优点：

(1)有利于叠孔、盘孔(Via.on.Pad)的设计；

(2)提高电气性能，有助于高频设计；

(3)有助于散热；

(4)一次完成塞孔和电气互连；

(5)盲孔采用电镀铜填充，比导电胶具有更高的可靠性和更好的导电性。

1、化学影响因素

1.1 无机化学成分

无机化学成分包括铜（Cu：）离子、硫酸和氯化物。

(1)硫酸铜。 硫酸铜是镀液中铜离子的主要来源。 通过阴极和阳极之间的库仑平衡，浴中铜离子的浓度保持恒定。 通常，阳极材料和涂层材料相同，其中铜既是阳极又是离子源。 当然也可以使用不溶性阳极，Cu2+在槽外溶解添加，如纯铜角、CuO粉、CuCO等。但需要注意的是，该方法容易混入气泡 槽外添加，使Cu2在低电流区处于过饱和临界状态，不易析出。 应该注意的是，增加铜离子的浓度对通孔分散能力有负面影响。

(2)硫酸。 硫酸用于提高镀液的导电性。 提高硫酸浓度可以降低镀液电阻，提高电镀效率。

但如果在填孔电镀过程中增加硫酸浓度，会影响填孔用铜离子的补充，造成填孔不良。 填孔电镀一般采用低浓硫酸体系，以获得更好的填孔效果。

(3)酸铜比。 传统的高酸低铜（C+:C:+=8-13）体系适用于通孔电镀，电镀孔填充应为低酸高铜

(C+:CZ=3-10)镀液体系。 这是因为为了获得良好的填孔效果，微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，与电镀过孔的传统电镀液相比，溶液配方由高酸低铜改为低酸高铜，确保凹陷处铜离子供应无后顾之忧。

(4)氯离子。 氯离子的作用主要是使铜离子与金属铜在双电层之间形成稳定的转换电子传递桥。

在电镀过程中，氯离子有助于均匀溶解和腐蚀阳极上的磷铜球，在阳极表面形成一层均匀的阳极膜。 在阴极，铜离子可以通过与抑制剂的配合来稳定沉积，以减少极化，使镀层变得精细。

另外，常规的氯离子分析是在紫外可见分光光度计中进行的。 由于电镀填孔槽液对氯离子浓度有严格要求，而硫酸铜槽液呈蓝色，对分光光度计测量影响较大，应考虑自动电位滴定分析。

2、有机添加剂

有机添加剂能细化镀层铜晶粒，提高分散能力，使镀层光亮平整。 酸性镀铜液中的添加剂主要有载体、整平剂和光亮剂三种。

(1)载体。载体是高分子的多元醇化合物。

载体吸附在阴极表面，与氯离子作用，抑制电镀速率，减小高低电流区的差异（即增加极化电阻），使铜均匀连续沉积。 同时，抑制剂可以起到润湿剂的作用，降低界面的表面张力（减小接触角），使镀液更容易进入孔内，增加传质效果。 在填孔电镀中，抑制剂还可以均匀沉积铜层。

(2)匀染剂。 整平剂通常是一种含氮有机物，其主要作用是吸附在高电流密度区（凸区或拐角处），从而减慢该处的电镀速度，但不影响低电流下的电镀 密度区（凹区），使表面平整。 是电镀必备的添加剂。 一般来说，高铜低酸的电镀填孔系统会使镀层粗糙。 研究表明，流平剂的加入可以有效改善涂膜不良的问题。

(3)光亮剂。 光亮剂通常是含硫有机物。 它们在电镀中的主要作用是帮助铜离子加速阴极还原，形成新的镀铜核（降低表面扩散沉积能），使铜层结构变得更加细致。 光亮剂在填孔电镀中的另一个作用是，如果光亮剂在孔中的分布比例较大，可以帮助盲孔中的铜快速沉积。 对于激光盲孔的填孔电镀，三种添加剂都使用，并适当增加整平剂的用量，使整平剂在板子上的大电流区与Cuz竞争，防止面铜长得又快又厚。 相比之下，微孔中具有更多光亮剂的凹槽有机会更快地电镀。 这个概念和做法与IC镀铜工艺中的电镀铜颇为相似。

3、物理影响参数

需要研究的物理参数包括：阳极类型、阳极阴极间距、电流密度、搅拌、温度、整流器和波形。

(1) 阳极类型。 说到阳极种类，无外乎可溶性阳极和不溶性阳极。 可溶性阳极通常是含磷的铜球，容易产生阳极泥，污染槽液，影响槽液性能。 不溶性阳极，又称惰性阳极，一般由钛网组成，表面涂有钽、锆混合氧化物。 不溶性阳极，稳定性好，无需阳极维护，不产生阳极泥，适用于脉冲或直流电镀； 但是，添加剂的消耗量很高。

(2)阴极和阳极之间的距离。 阴极和阳极之间的间距设计在电镀填孔工艺中非常重要，不同类型设备的设计也不同。 但需要指出的是，无论怎么设计，都不能违反法拉第一定律。

(3)搅拌。 搅拌的形式很多，有机械摆动式、电动振动式、气动振动式、空气搅拌式、喷射器式等。

电镀补孔一般优先在传统铜缸配置的基础上增加射流设计。 但是，到底是底喷还是侧喷，缸内的喷管和混气管如何布置； 每小时的排放量是多少； 射流管与阴极的距离； 如果使用侧射流，射流是在阳极前面还是后面； 如果采用底部射流，是否会造成混合不均匀，槽液搅拌是否上弱下强； 射流管上射流的数量、间距、角度等都是铜筒设计时必须考虑的因素，必须进行大量的试验。

此外，最理想的方式是将每根喷射管连接到流量计上以监测流量。 由于流速大，溶液容易升温，所以温度控制也很重要。

(4)电流密度和温度。 低电流密度和低温可以降低铜在表面的沉积速率，同时向孔内提供足够的Cu2和光亮剂。 在此条件下，可以加强填孔能力，但也会降低电镀效率。

(5)整流器。 整流器是电镀过程中的一个重要环节。 目前对电镀孔填充的研究多局限于全板电镀。 如果考虑图形电镀填孔，阴极面积会变得很小。 这时要求整流器的输出精度高。

整流器的输出精度要根据产品线和过孔的大小来选择。 线越细、孔越小，对整流器的精度要求就越高。 一般应选用输出精度小于5%的整流器。 选用的整流器精度高，会增加设备投资。 整流器输出电缆的布线，整流器尽量布置在镀槽的边缘，以减少输出电缆的长度和脉冲电流的上升时间。 整流器输出电缆的规格选择应保证在最大输出电流的80%时，输出电缆的线路压降在0.6V以内。 所需电缆截面积通常按载流量2.5A/mm计算。 电缆截面积太小，电缆长度太长，线路压降太大，都会导致传输电流达不到生产要求的电流值。

宽度大于1.6m的镀槽，应考虑采用双面进线方式，双面电缆长度应相等。 这样就可以将双边电流误差控制在一定范围内。 电镀槽的每根飞条两侧分别接一个整流器，使两边的电流分别调节。

(6) 波形。 目前，从波形上看，电镀填孔有两种：脉冲电镀和直流电镀。 这两种方法都被研究过了。 传统的整流器用于直流电镀孔填充，操作简单，但如果板厚，则无能为力。 PPR整流器用于脉冲电镀填孔，操作步骤多，但对加工中较厚的板材加工能力强。

4、底板的作用

基材对电镀填孔的影响不容忽视，如介质层材料、孔形状、厚径比、化学镀铜等。

(1) 中层材料。 介质层材料对孔填充有影响。 与玻纤增强材料相比，非玻纤增强材料更容易填孔。 值得注意的是，孔内的玻璃纤维突起对化学铜有不利影响。 在这种情况下，电镀填孔的难点在于提高化学镀层种子层的附着力，而不是填孔工艺本身。

事实上，在玻璃纤维增强基板上电镀填孔已应用于实际生产。

(2)厚径比。 目前，无论是制造商还是开发商都非常重视针对不同形状和尺寸的孔洞的填孔技术。 填孔能力受孔厚径比影响较大。 相对而言，直流系统在商业上使用得更多。 生产中孔径范围会窄一些，一般直径80pm~120Bm，孔深40Bm~8OBm，厚径比不超过1:1。

(3)化学镀铜。 化学镀铜层的厚度和均匀性以及化学镀铜后的放置时间都会影响填孔性能。 化学铜太薄或厚薄不均，填孔效果差。 一般建议化学铜厚>0.3pm时填孔。 此外，化学铜的氧化对孔隙填充效果也有负面影响。