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電鍍填孔工藝影響因素
m.kellykurtz.com 化學鍍鎳--合航集團 2013-07-16 20:14
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前言
電子產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計方法。要做好疊孔，首先應將孔底平坦性做好。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的必要性，也與現行的工藝設備兼容，有利于獲得良好的可靠性。
電鍍填孔有以下幾方面的優點：
(1)有利于設計疊孔(Stacked)和盤上孔(via.on.Pad)：
(2)改善電氣性能，有助于高頻設計;
(3)有助于散熱;
(4)塞孔和電氣互連一步完成;
(5)盲孔內用電鍍銅填滿，可靠性更高，導電性能比導電膠更好。
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品，搶占市場份額。
2電鍍填孔的影響參數
電鍍填孔工藝雖然已經研究了很多，但真正大規模生產尚有待時日。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：化學影響因素、物理影響因素與基板影響因素，其中化學影響因素又可以分為無機成分與有機添加劑。下面將就上述三種影響因素一一加以簡單介紹。
2.1化學影響因素
2.1.1無機化學成分
無機化學成分包括銅(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。當然，陽極也可以采用不溶性陽極，Cu2+采用槽外溶解補加的方式，如采用純銅角、CuO粉末、CuCO3等。但是，需要注意的是，采用槽外補加的方式，極易混入空氣氣泡，在低電流區使Cu2+處于超飽和臨界狀態，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面影響。
(2)硫酸。硫酸用于增強鍍液的導電性，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，以期獲得較好的填孔效果。
(3)酸銅比。傳統的高酸低銅(Cw+：Ccu2+=8～13)體系適用于通孔電鍍，電鍍填孔應采用低酸高銅(Cw+：Ccu2+=3～10)鍍液體系。這是因為為了獲得良好的填孔效果，微導通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，與傳統的電鍍通孔的電鍍溶液相比，溶液配方由高酸低銅改為低酸高銅，保證了凹陷處銅離子的供應無后顧之憂。
(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定轉換的電子傳遞橋梁。
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。在陰極與抑制劑協同作用讓銅離子穩定沉積，降低極化，使鍍層精細。
另外，常規的氯離子分析是在紫外可見光分光光度計進行的，而由于電鍍填孔鍍液對氯離子濃度的要求較嚴格，同時硫酸銅鍍液呈藍色，對分光光度計的測量影響很大，所以應考慮采用自動電位滴定分析。
2、1.2有機添加劑
采用有機添加劑可以使鍍層銅晶粒精細化，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，使高低電流區的差異降低(亦即增加極化電阻)，讓電鍍銅能均勻的持續沉積。抑制劑同時可充當潤濕劑，降低界面的表面張力(降低接觸角)，讓鍍液更容易進入孔內增加傳質效果。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物，主要功能是吸附在高電流密度區(凸起區或轉角處)，使該處的電鍍速度趨緩但不影響低電流密度區(凹陷區)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(降低表面擴散沉積能量)，使銅層結構變得更細致。光亮劑在填孔電鍍中的另一個作用是，若孔內有較多的光亮劑分配比率，可以幫助盲孔孔內電鍍銅迅速沉積。
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地提高，使在板面上較高電流區，形成整平劑與Cu2+競爭的局面，阻止面銅長快長厚。相對地，微導通孔中光亮劑分布較多的凹陷處有機會鍍得快一點，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
需要研究的物理參數有：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來組成。不溶性陽極，穩定性好，無需進行陽極維護，無陽極泥產生，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計是非常重要的，而且不同類型的設備的設計也不盡相同。不過，需要指出的是，不論如何設計，都不應違背法拉第定律。
(3)攪拌。攪拌的種類很多，有機械搖擺、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銅缸的配置基礎上，增加射流設計。不過，究竟是底部噴流還是側面射流，在缸內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;射流管上射流的數量、間距、角度都是在銅缸設計時不得不考慮的因素，而且還要進行大量的試驗。
另外，最理想的方式就是每根射流管都接入流量計，從而達到監控流量的目的。由于射流量大，溶液容易發熱，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。在這種條件下，填孔能力得以加強，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節。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依產品的線條和過孔的尺寸來定。線條愈細、孔愈小，對整流器的精度要求應更高。通常應選擇輸出精度在5%以內的整流器為宜。選擇的整流器精度過高會增加設備的投資。
整流器的輸出電纜配線，首先應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格的選擇應滿足在80%最大輸出電流時輸出電纜的線路壓降在0.6V以內。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，會導致輸出電流達不到生產所需的電流值。
對于槽寬大于1.6m的鍍槽，應考慮采用雙邊進電的方式，并且雙邊電纜的長度應相等。這樣，才能保證雙邊電流誤差控制在一定范圍內。鍍槽上的每根飛巴的兩面應各連接一臺整流器，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。
2.3基板的影響
基板對電鍍填孔的影響也是不可忽視的，一般有介質層材料、孔形、厚徑比、化學銅鍍層等因素。
(1)介質層材料。介質層材料對填孔有影響。與玻纖增強材料相比，非玻璃增強材料更容易填孔。值得注意的是，孔內玻纖突出物對化學銅有不利的影響。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，在玻纖增強基板上電鍍填孔已經應用于實際生產中。
(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，不論是制造商還是開發商都對其非常重視。填孔能力受孔厚徑比的影響很大。相對來講，DC系統在商業上應用更多。在生產中，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)化學鍍銅層。化學銅鍍層的厚度、均勻性及化學鍍銅后的放置時間都影響填孔性能。化學銅過薄或厚度不均，其填孔效果較差。通常，建議化學銅厚度>0.3um時進行填孔。另外，化學銅的氧化對填孔效果也有負面影響。
3結束語
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定性好，不易形成有害的副產物。還有如陽極擋板設計，現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。當進行圖形電鍍時，為了保證電鍍的均勻性，擋板設計就顯得尤為重要，而擋板設計往往又是電鍍設備制造商的專利。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來講，下面幾項結論已為大家所接受：
(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，能保證鍍層品質和填孔效果良好，有效的添加劑監控是非常重要的;
(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。在這種條件下，填孔能力得以加強，但同時也降低了電鍍效率。
(3)設備類型。電鍍填孔對設備的要求很高。
①采用可溶性陽極一一陽極的溶解可能導致添加劑的副反應。②采用不溶性陽極一一水電解會產生大量的氧氣，過量消耗有機添加劑。③攪拌一一攪拌應穩定均勻。不恰當的攪拌不僅會引起填孔能力下降，而且還會導致鍍層品質變差。④陰/陽極間距一一陰/陽極間距與擋板的設計應綜合考慮，否則將導致電力線分布不均。
(4)添加劑副產物的監控。有機添加劑副產物積累過多的表現之一，就是填孔能力下降。應通過Hull槽或CVS有效控制鍍液中的添加劑含量。批量生產時，如何有效除去添加劑的降解副產物非常重要。
(5)通、盲孔同時電鍍，通孔的電鍍深鍍能力會受到影響。
總之，善用設備、藥液、添加劑及操作參數，將是電鍍填孔成功的關鍵。
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