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電鍍填孔工藝影響因素
www.jlucapp.cn 化學(xué)鍍鎳--合航集團(tuán) 2013-07-16 20:14
深圳表面處理網(wǎng)：
前言
電子產(chǎn)品的體積日趨輕薄短小，通盲孔上直接疊孔(viaonHole或Viaonvia)是獲得高密度互連的設(shè)計方法。要做好疊孔，首先應(yīng)將孔底平坦性做好。典型的平坦孔面的制作方法有好幾種，電鍍填孔(ViaFillingPlating)工藝就是其中具有代表性的一種。
電鍍填孔工藝除了可以減少額外制程開發(fā)的必要性，也與現(xiàn)行的工藝設(shè)備兼容，有利于獲得良好的可靠性。
電鍍填孔有以下幾方面的優(yōu)點：
(1)有利于設(shè)計疊孔(Stacked)和盤上孔(via.on.Pad)：
(2)改善電氣性能，有助于高頻設(shè)計;
(3)有助于散熱;
(4)塞孔和電氣互連一步完成;
(5)盲孔內(nèi)用電鍍銅填滿，可靠性更高，導(dǎo)電性能比導(dǎo)電膠更好。
電鍍填孔是目前各PCB制造商和藥水商研究的熱門課題。Atotech、Shipley、奧野、伊希特化及Ebara等國外知名藥水廠商都已推出自己的產(chǎn)品，搶占市場份額。
2電鍍填孔的影響參數(shù)
電鍍填孔工藝雖然已經(jīng)研究了很多，但真正大規(guī)模生產(chǎn)尚有待時日。其中一個因素就是，電鍍填孔的影響因素很多。如圖1所示，電鍍填孔的影響因素基本上可以分為三類：化學(xué)影響因素、物理影響因素與基板影響因素，其中化學(xué)影響因素又可以分為無機(jī)成分與有機(jī)添加劑。下面將就上述三種影響因素一一加以簡單介紹。
2.1化學(xué)影響因素
2.1.1無機(jī)化學(xué)成分
無機(jī)化學(xué)成分包括銅(Cu2+)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。鍍液中銅離子通過陰極和陽極之間的庫侖平衡，維持濃度不變。通常陽極材料和鍍層材料是一樣的，在這里銅既是陽極也是離子源。當(dāng)然，陽極也可以采用不溶性陽極，Cu2+采用槽外溶解補(bǔ)加的方式，如采用純銅角、CuO粉末、CuCO3等。但是，需要注意的是，采用槽外補(bǔ)加的方式，極易混入空氣氣泡，在低電流區(qū)使Cu2+處于超飽和臨界狀態(tài)，不易析出。值得注意的是，提高銅離子濃度對通孔分散能力有負(fù)面影響。
(2)硫酸。硫酸用于增強(qiáng)鍍液的導(dǎo)電性，增加硫酸濃度可以降低槽液的電阻與提高電鍍的效率。
但是如果填孔電鍍過程中硫酸濃度增加，影響填孔的銅離子補(bǔ)充，將造成填孔不良。在填孔電鍍時一般會使用低硫酸濃度系統(tǒng)，以期獲得較好的填孔效果。
(3)酸銅比。傳統(tǒng)的高酸低銅(Cw+：Ccu2+=8～13)體系適用于通孔電鍍，電鍍填孔應(yīng)采用低酸高銅(Cw+：Ccu2+=3～10)鍍液體系。這是因為為了獲得良好的填孔效果，微導(dǎo)通孔內(nèi)的電鍍速率應(yīng)大于基板表面的電鍍速率，在這種情況下，與傳統(tǒng)的電鍍通孔的電鍍?nèi)芤合啾龋芤号浞接筛咚岬豌~改為低酸高銅，保證了凹陷處銅離子的供應(yīng)無后顧之憂。
(4)氯離子。氯離子的作用主要是讓銅離子與金屬銅在雙電層間形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的電子傳遞橋梁。
在電鍍過程中，氯離子在陽極可幫助均勻溶解咬蝕磷銅球，在陽極表面形成一層均勻的陽極膜。在陰極與抑制劑協(xié)同作用讓銅離子穩(wěn)定沉積，降低極化，使鍍層精細(xì)。
另外，常規(guī)的氯離子分析是在紫外可見光分光光度計進(jìn)行的，而由于電鍍填孔鍍液對氯離子濃度的要求較嚴(yán)格，同時硫酸銅鍍液呈藍(lán)色，對分光光度計的測量影響很大，所以應(yīng)考慮采用自動電位滴定分析。
2、1.2有機(jī)添加劑
采用有機(jī)添加劑可以使鍍層銅晶粒精細(xì)化，改善分散能力，使鍍層光亮、整平。酸性鍍銅液中添加劑類型主要有三種：載運劑(Carrier)、整平劑(Leveler)和光亮劑(Brightener)。
(1)載運劑。載運劑是高分子的聚醇類化合物。載運劑被陰極表面吸附，與氯離子一起作用抑制電鍍速率，使高低電流區(qū)的差異降低(亦即增加極化電阻)，讓電鍍銅能均勻的持續(xù)沉積。抑制劑同時可充當(dāng)潤濕劑，降低界面的表面張力(降低接觸角)，讓鍍液更容易進(jìn)入孔內(nèi)增加傳質(zhì)效果。在填孔電鍍中，抑制劑也可以銅層均勻沉積。
(2)整平劑。整平劑通常是含氮有機(jī)物，主要功能是吸附在高電流密度區(qū)(凸起區(qū)或轉(zhuǎn)角處)，使該處的電鍍速度趨緩但不影響低電流密度區(qū)(凹陷區(qū))的電鍍，借此來整平表面，是電鍍時的必要添加劑。一般地，電鍍填孔采用高銅低酸系統(tǒng)會使鍍層粗糙，研究表明，加入整平劑可有效改善鍍層不良的問題。
(3)光亮劑。光亮劑通常足含硫有機(jī)物，在電鍍中主要作用是幫助銅離子加速在陰極還原，同時形成新的鍍銅晶核(降低表面擴(kuò)散沉積能量)，使銅層結(jié)構(gòu)變得更細(xì)致。光亮劑在填孔電鍍中的另一個作用是，若孔內(nèi)有較多的光亮劑分配比率，可以幫助盲孔孔內(nèi)電鍍銅迅速沉積。
對于激光盲孔的填孔電鍍而言，三種添加劑全用，且整平劑的用量還要適當(dāng)?shù)靥岣撸乖诎迕嫔陷^高電流區(qū)，形成整平劑與Cu2+競爭的局面，阻止面銅長快長厚。相對地，微導(dǎo)通孔中光亮劑分布較多的凹陷處有機(jī)會鍍得快一點，這種理念與做法與IC鍍銅制程的DemasceneCopperPlating頗為相似。
2.2物理影響參數(shù)
需要研究的物理參數(shù)有：陽極類型、陰陽極間距、電流密度、攪動、溫度、整流器和波形等。
(1)陽極類型。談到陽極類型，不外乎是可溶性陽極與不溶性陽極。可溶性陽極通常是含磷銅球，容易產(chǎn)生陽極泥，污染鍍液，影響鍍液性能。不溶性陽極，亦稱惰性陽極，一般是涂覆有鉭和鋯混合氧化物的鈦網(wǎng)來組成。不溶性陽極，穩(wěn)定性好，無需進(jìn)行陽極維護(hù)，無陽極泥產(chǎn)生，脈沖或直流電鍍均適用;不過，添加劑消耗量較大。
(2)陰陽極間距。電鍍填孔工藝中陰極與陽極之間的間距設(shè)計是非常重要的，而且不同類型的設(shè)備的設(shè)計也不盡相同。不過，需要指出的是，不論如何設(shè)計，都不應(yīng)違背法拉第定律。
(3)攪拌。攪拌的種類很多，有機(jī)械搖擺、電震動、氣震動、空氣攪拌、射流(Eductor)等。 對于電鍍填孔，一般都傾向于在傳統(tǒng)銅缸的配置基礎(chǔ)上，增加射流設(shè)計。不過，究竟是底部噴流還是側(cè)面射流，在缸內(nèi)噴流管與空氣攪拌管如何布局;每小時的射流量為多少;射流管與陰極間距多少;如果是采用側(cè)面射流，則射流是在陽極前面還是后面;如果是采用底部射流，是否會造成攪拌不均勻，鍍液攪拌上弱下強(qiáng);射流管上射流的數(shù)量、間距、角度都是在銅缸設(shè)計時不得不考慮的因素，而且還要進(jìn)行大量的試驗。
另外，最理想的方式就是每根射流管都接入流量計，從而達(dá)到監(jiān)控流量的目的。由于射流量大，溶液容易發(fā)熱，所以溫度控制也很重要。
(4)電流密度與溫度。低電流密度和低溫可以降低表面銅的沉積速率，同時提供足夠的Cu2+和光亮劑到孔內(nèi)。在這種條件下，填孔能力得以加強(qiáng)，但同時也降低了電鍍效率。
(5)整流器。整流器是電鍍工藝中的一個重要環(huán)節(jié)。目前，對于電鍍填孔的研究多局限于全板電鍍，若是考慮到圖形電鍍填孔，則陰極面積將變得很小。此時，對于整流器的輸出精度提出了很高的要求。
整流器的輸出精度的選擇應(yīng)依產(chǎn)品的線條和過孔的尺寸來定。線條愈細(xì)、孔愈小，對整流器的精度要求應(yīng)更高。通常應(yīng)選擇輸出精度在5%以內(nèi)的整流器為宜。選擇的整流器精度過高會增加設(shè)備的投資。
整流器的輸出電纜配線，首先應(yīng)將整流器盡量安放在鍍槽邊上，這樣可以減少輸出電纜的長度，減少脈沖電流上升時間。整流器輸出電纜線規(guī)格的選擇應(yīng)滿足在80%最大輸出電流時輸出電纜的線路壓降在0.6V以內(nèi)。通常是按2.5A/mm2的載流量來計算所需的電纜截面積。電纜的截面積過小或電纜長度過長、線路壓降太大，會導(dǎo)致輸出電流達(dá)不到生產(chǎn)所需的電流值。
對于槽寬大于1.6m的鍍槽，應(yīng)考慮采用雙邊進(jìn)電的方式，并且雙邊電纜的長度應(yīng)相等。這樣，才能保證雙邊電流誤差控制在一定范圍內(nèi)。鍍槽上的每根飛巴的兩面應(yīng)各連接一臺整流器，這樣可以對鍍件的兩個面的電流分別予以調(diào)整。
(6)波形。目前，從波形角度來看，電鍍填孔有脈沖電鍍和直流電鍍兩種。這兩種電鍍填孔方式都已有人研究過。直流電鍍填孔采用傳統(tǒng)的整流器，操作方便，但是若在制板較厚，就無能為力了。脈沖電鍍填孔采用。PPR整流器，操作步驟多，但對于較厚的在制板的加工能力強(qiáng)。
2.3基板的影響
基板對電鍍填孔的影響也是不可忽視的，一般有介質(zhì)層材料、孔形、厚徑比、化學(xué)銅鍍層等因素。
(1)介質(zhì)層材料。介質(zhì)層材料對填孔有影響。與玻纖增強(qiáng)材料相比，非玻璃增強(qiáng)材料更容易填孔。值得注意的是，孔內(nèi)玻纖突出物對化學(xué)銅有不利的影響。在這種情況下，電鍍填孔的難點在于提高化學(xué)鍍層種子層(seedlayer)的附著力，而非填孔工藝本身。
事實上，在玻纖增強(qiáng)基板上電鍍填孔已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。
(2)孔形。
(3)厚徑比。目前針對不同形狀，不同尺寸孔的填孔技術(shù)，不論是制造商還是開發(fā)商都對其非常重視。填孔能力受孔厚徑比的影響很大。相對來講，DC系統(tǒng)在商業(yè)上應(yīng)用更多。在生產(chǎn)中，孔的尺寸范圍將更窄，一般直徑80gm～120gm，孔深40gm～80gm，厚徑比不超過1：1。
(4)化學(xué)鍍銅層。化學(xué)銅鍍層的厚度、均勻性及化學(xué)鍍銅后的放置時間都影響填孔性能。化學(xué)銅過薄或厚度不均，其填孔效果較差。通常，建議化學(xué)銅厚度>0.3um時進(jìn)行填孔。另外，化學(xué)銅的氧化對填孔效果也有負(fù)面影響。
3結(jié)束語
以上主要是對電鍍填孔影響因素做了一些最基本的探討，另外一些因素并未提及。如鍍液是否為非染料系的，因為非染料的藥液穩(wěn)定性好，不易形成有害的副產(chǎn)物。還有如陽極擋板設(shè)計，現(xiàn)在對電鍍填孔的研究多集中在全板電鍍，對于圖形電鍍填孔的研究還不多。當(dāng)進(jìn)行圖形電鍍時，為了保證電鍍的均勻性，擋板設(shè)計就顯得尤為重要，而擋板設(shè)計往往又是電鍍設(shè)備制造商的專利。此外，由于圖形電鍍涉及到干膜，干膜對鍍液性能有影響，所以，應(yīng)對干膜做溶出實驗，從而確定活性炭處理周期。
無論怎樣，目前對于電鍍填孔技術(shù)來講，下面幾項結(jié)論已為大家所接受：
(1)鍍液配方。采用高銅低酸的電鍍液配方，同時控制添加劑的比例，能保證鍍層品質(zhì)和填孔效果良好，有效的添加劑監(jiān)控是非常重要的;
(2)電流密度和操作溫度。低電流密度和低溫可以降低表面銅的沉積速率，同時提供足夠的Cuz’和光亮劑到孔內(nèi)。在這種條件下，填孔能力得以加強(qiáng)，但同時也降低了電鍍效率。
(3)設(shè)備類型。電鍍填孔對設(shè)備的要求很高。
①采用可溶性陽極一一陽極的溶解可能導(dǎo)致添加劑的副反應(yīng)。②采用不溶性陽極一一水電解會產(chǎn)生大量的氧氣，過量消耗有機(jī)添加劑。③攪拌一一攪拌應(yīng)穩(wěn)定均勻。不恰當(dāng)?shù)臄嚢璨粌H會引起填孔能力下降，而且還會導(dǎo)致鍍層品質(zhì)變差。④陰/陽極間距一一陰/陽極間距與擋板的設(shè)計應(yīng)綜合考慮，否則將導(dǎo)致電力線分布不均。
(4)添加劑副產(chǎn)物的監(jiān)控。有機(jī)添加劑副產(chǎn)物積累過多的表現(xiàn)之一，就是填孔能力下降。應(yīng)通過Hull槽或CVS有效控制鍍液中的添加劑含量。批量生產(chǎn)時，如何有效除去添加劑的降解副產(chǎn)物非常重要。
(5)通、盲孔同時電鍍，通孔的電鍍深鍍能力會受到影響。
總之，善用設(shè)備、藥液、添加劑及操作參數(shù)，將是電鍍填孔成功的關(guān)鍵。
● 本文《電鍍填孔工藝影響因素》來自合航集團(tuán)官網(wǎng),歡迎轉(zhuǎn)載.● 鏈接地址：http://www.jlucapp.cnhttp://www.jlucapp.cn/2285.html深圳市合航五金電子有限公司www.jlucapp.cn位于深圳市寶安區(qū)沙井，是廣東地區(qū)最專業(yè)的陽極工廠之一。專業(yè)從事金屬表面處理，主要包括化學(xué)鍍鎳，陽極氧化，硬質(zhì)陽極氧化等。工廠擁有完善的配套（拋光、噴砂、打磨），也擁有完善的化學(xué)實驗室與檢測室，擁有德國FicsherX光測厚儀、ROSH檢測分析儀、鹽霧試驗機(jī)等。能做到快速的交期，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定有保證。，沙井氧化廠,化學(xué)鍍鎳，陽極氧化，硬質(zhì)陽極氧化，二次陽極氧化，二次氧化，二次陽極，鋅鎳合金，鋁氧化等加工服務(wù)。
