PCB制造中影響電鍍填孔工藝的基本因素

PCB制造、PCB設(shè)計(jì)、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(yè)產(chǎn)值占電子元器件行業(yè)總產(chǎn)值的比重快速增長(zhǎng)。 是電子元器件行業(yè)中規(guī)模最大的行業(yè)，占有獨(dú)特的地位。 電鍍PCB產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值600億美元。 電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越輕薄，在通盲孔上直接疊孔是獲得高密度互連的一種設(shè)計(jì)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(fā)的需要，而且可以與現(xiàn)有工藝設(shè)備兼容，有利于獲得良好的可靠性。

電鍍填孔具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)有利于疊孔、盤孔(Via.on.Pad)的設(shè)計(jì)；

(2)提高電氣性能，有助于高頻設(shè)計(jì)；

(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(dǎo)電膠具有更高的可靠性和更好的導(dǎo)電性。

1、化學(xué)影響因素

1.1 無(wú)機(jī)化學(xué)成分

無(wú)機(jī)化學(xué)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(lái)源。 通過(guò)陰極和陽(yáng)極之間的庫(kù)侖平衡，浴中銅離子的濃度保持恒定。 通常，陽(yáng)極材料和涂層材料相同，其中銅既是陽(yáng)極又是離子源。 當(dāng)然也可以使用不溶性陽(yáng)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(qū)處于過(guò)飽和臨界狀態(tài)，不易析出。 應(yīng)該注意的是，增加銅離子的濃度對(duì)通孔分散能力有負(fù)面影響。

(2)硫酸。 硫酸用于提高鍍液的導(dǎo)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(guò)程中增加硫酸濃度，會(huì)影響填孔用銅離子的補(bǔ)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(tǒng)的高酸低銅（C+:C:+=8-13）體系適用于通孔電鍍，電鍍孔填充應(yīng)為低酸高銅

(C+:CZ=3-10)鍍液體系。 這是因?yàn)闉榱双@得良好的填孔效果，微孔內(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，與電鍍過(guò)孔的傳統(tǒng)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(yīng)無(wú)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(wěn)定的轉(zhuǎn)換電子傳遞橋。

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

另外，常規(guī)的氯離子分析是在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)中進(jìn)行的。 由于電鍍填孔槽液對(duì)氯離子濃度有嚴(yán)格要求，而硫酸銅槽液呈藍(lán)色，對(duì)分光光度計(jì)測(cè)量影響較大，應(yīng)考慮自動(dòng)電位滴定分析。

2、有機(jī)添加劑

有機(jī)添加劑能細(xì)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(qū)的差異（即增加極化電阻），使銅均勻連續(xù)沉積。 同時(shí)，抑制劑可以起到潤(rùn)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(jìn)入孔內(nèi)，增加傳質(zhì)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(jī)物，其主要作用是吸附在高電流密度區(qū)（凸區(qū)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(qū)（凹區(qū)），使表面平整。 是電鍍必備的添加劑。 一般來(lái)說(shuō)，高銅低酸的電鍍填孔系統(tǒng)會(huì)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(wèn)題。

(3)光亮劑。 光亮劑通常是含硫有機(jī)物。 它們?cè)陔婂冎械闹饕饔檬菐椭~離子加速陰極還原，形成新的鍍銅核（降低表面擴(kuò)散沉積能），使銅層結(jié)構(gòu)變得更加細(xì)致。 光亮劑在填孔電鍍中的另一個(gè)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(duì)于激光盲孔的填孔電鍍，三種添加劑都使用，并適當(dāng)增加整平劑的用量，使整平劑在板子上的大電流區(qū)與Cuz競(jìng)爭(zhēng)，防止面銅長(zhǎng)得又快又厚。 相比之下，微孔中具有更多光亮劑的凹槽有機(jī)會(huì)更快地電鍍。 這個(gè)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(shù)

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

(1) 陽(yáng)極類型。 說(shuō)到陽(yáng)極種類，無(wú)外乎可溶性陽(yáng)極和不溶性陽(yáng)極。 可溶性陽(yáng)極通常是含磷的銅球，容易產(chǎn)生陽(yáng)極泥，污染槽液，影響槽液性能。 不溶性陽(yáng)極，又稱惰性陽(yáng)極，一般由鈦網(wǎng)組成，表面涂有鉭、鋯混合氧化物。 不溶性陽(yáng)極，穩(wěn)定性好，無(wú)需陽(yáng)極維護(hù)，不產(chǎn)生陽(yáng)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(yáng)極之間的距離。 陰極和陽(yáng)極之間的間距設(shè)計(jì)在電鍍填孔工藝中非常重要，不同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)也不同。 但需要指出的是，無(wú)論怎么設(shè)計(jì)，都不能違反法拉第一定律。

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

電鍍補(bǔ)孔一般優(yōu)先在傳統(tǒng)銅缸配置的基礎(chǔ)上增加射流設(shè)計(jì)。 但是，到底是底噴還是側(cè)噴，缸內(nèi)的噴管和混氣管如何布置； 每小時(shí)的排放量是多少； 射流管與陰極的距離； 如果使用側(cè)射流，射流是在陽(yáng)極前面還是后面； 如果采用底部射流，是否會(huì)造成混合不均勻，槽液攪拌是否上弱下強(qiáng)； 射流管上射流的數(shù)量、間距、角度等都是銅筒設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)。

此外，最理想的方式是將每根噴射管連接到流量計(jì)上以監(jiān)測(cè)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(shí)向孔內(nèi)提供足夠的Cu2和光亮劑。 在此條件下，可以加強(qiáng)填孔能力，但也會(huì)降低電鍍效率。

(5)整流器。 整流器是電鍍過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 目前對(duì)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(huì)變得很小。 這時(shí)要求整流器的輸出精度高。

整流器的輸出精度要根據(jù)產(chǎn)品線和過(guò)孔的大小來(lái)選擇。 線越細(xì)、孔越小，對(duì)整流器的精度要求就越高。 一般應(yīng)選用輸出精度小于5%的整流器。 選用的整流器精度高，會(huì)增加設(shè)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(zhǎng)度和脈沖電流的上升時(shí)間。 整流器輸出電纜的規(guī)格選擇應(yīng)保證在最大輸出電流的80%時(shí)，輸出電纜的線路壓降在0.6V以內(nèi)。 所需電纜截面積通常按載流量2.5A/mm計(jì)算。 電纜截面積太小，電纜長(zhǎng)度太長(zhǎng)，線路壓降太大，都會(huì)導(dǎo)致傳輸電流達(dá)不到生產(chǎn)要求的電流值。

寬度大于1.6m的鍍槽，應(yīng)考慮采用雙面進(jìn)線方式，雙面電纜長(zhǎng)度應(yīng)相等。 這樣就可以將雙邊電流誤差控制在一定范圍內(nèi)。 電鍍槽的每根飛條兩側(cè)分別接一個(gè)整流器，使兩邊的電流分別調(diào)節(jié)。

(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(guò)了。 傳統(tǒng)的整流器用于直流電鍍孔填充，操作簡(jiǎn)單，但如果板厚，則無(wú)能為力。 PPR整流器用于脈沖電鍍填孔，操作步驟多，但對(duì)加工中較厚的板材加工能力強(qiáng)。

4、底板的作用

基材對(duì)電鍍填孔的影響不容忽視，如介質(zhì)層材料、孔形狀、厚徑比、化學(xué)鍍銅等。

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

事實(shí)上，在玻璃纖維增強(qiáng)基板上電鍍填孔已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

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

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