填孔电镀品质可靠性的研究和探讨.

2011秋季国际PcB技术/信息论坛 孔化与电镀Hole Processing and Plating 填孔电镀品质可靠性的研究和探讨 Paper Code:S-021

彭涛 田维丰 刘晨 姜雪飞 彭卫红 刘东 深圳崇达多层线路板有限公司

摘要 填孔电镀是满足PCB高密度化、更小化、更便宜的一种重要途径。随着电子行业和PCB

行业的高速发展,填孔电镀的需求量增长迅速,填孔电镀的应用也日广泛,填孔电镀

的生产难度也相应增加。填孔电镀是一种新工艺流程,相对普通电镀铜而言,其反应

机理复杂,过程控制更难监控,品质可靠性低。本文主要讲述填孔电镀反应机理,并

通过DOE试验来探讨如何提升填孔电镀工艺能力和品质可靠性。 关键词 填孔电镀i填充率

中图分类号:TN41文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2011增刊-0153-06 The research and investigation of filling plating quality and reliability

PENG Tao TIAN Wei-feng L1UChert JIANGXue-fei PENG Wei-hong L1UDong

Abstract In the process of PCB jointing brigade,the via air ladder Call bring on the jointing solder air and

it will debase the jointing intension and quailty dependability,because of above.more and more customers require

the via ofHDl circuitry board should be done by filling・in plating.In the relafiv9ly ofnormal plating,the reaction mechanism offilling—in plating is more complex,the process control is moFe difficult to be watched,and the quailty dependability is worse.The letterpress tell of the reaction mechanism of filling—in plating,discuss the way how to

step up the technical ability offilling—in plating by DOE experiment and quailty dependability.

Key words filling plating;filling ratio 1为什么需要填孔

1.1PCB高密度化、高精细化的发展趋势

随着电子产业的高密度、高精细化,HDI板焊盘直径和间距的逐渐减小,使盲孔孑L径也逐渐减小,盲孔厚径

比随之加大,普通的电镀药水和传统的电镀工艺不能达到盲孔镀铜的效果,为保证盲孔d6质的可靠性,更多生

产厂家选择专用盲孔电镀药水或增加填孔流程。 .】53.

孔化与电镀HoIeProcessing and Plaling 2011秋季国际PcB技术,信息论坛 圉1盲孔高厚径比使品质可靠性降低

1.2叠盲孔设计和导热能力要求

叠盲孔设计是实现高密度线路的重要方法之一,叠盲孔设计内层盲孔一定要进行填孔。

围2叠孔板设计需要做填孔 1.3表面封装的要求

由于未填孔的盲孔在客户端表面封装时,盲孔内的空气会阻止焊锡料进入盲孔内,并在盲孔孔口附近产生 焊接气泡,此种气泡会减弱焊接强度,对品质可靠性造成负片影响。为防止此种“虚焊”的影响,越来越多的 客户要求盲孔进行填孔电镀。

以上就是盲孔填孔需求量越来越大的主要原因,在电子高密度化趋势下,盲孔的制作难度将会越来越大, 盲孔的品质可靠性和制程能力也是客户和线路板厂商倍受关注的焦点。本文就从如何提升盲孔填孔制程能力和 填孔品质可靠性和大家一起探讨。

2填孔原理 2.1填孔基本原理

在传统电镀理论中,盲孔底部是低电流区域,药水交换少,其电镀效果往往难以达到理想状态。盲孔电镀 填孔工艺随着填孔光剂的发展和优化而逐渐成熟,在}IDI板制作过程中扮演着重要角色。市场上填孔光剂种类较 多,但其主要原理相近。填孔光剂主要成分有三种:光亮剂、抑制剂、整平剂。

光亮剂主要吸附于盲孔底部。利用硫醇类有机物与Cu2+形成络合物,以加速铜在盲孔底部的沉积;

抑制剂主要是大分子基团,吸附于铜表面,利用有机物吸附Cu”,起剑抑制表面铜离子沉积的作用;

整平剂主要作用是平衡高电流区孔口和低电流区孔角的电流分布,修饰盲孔孔形。

2.2填孔过程示意图

Q4IIQIOINNIO OIIl94NN[qOg-I ● ● 臀 、’

●-●一●_●●●●●●●●

2011秋季国际,PCB技术/信息论坛 孔化与电镀Hole Processing andPlating 2.3填孔品质判断标准

H J t IH3

填充率(Filling Ratio=(H2/H3×100%,要求≥80% 微凹深度(Dimple Depth=H3.H2,要求<10LLm 填孔深镀能力(Throwing Power=H2/H1 3影响填孑L品质的因素

根据填iL电镀的基本原理,及实际填孔经验,将影响填孔品质的因素总结,主要有:盲孔的形状:盲孔孔径 及厚径比;填孔光剂种类和管控;溶液搅拌方式(喷流、打气:填孔溶液中硫酸铜和硫酸浓度;电流密度。 4填孔品质影响因素分析

41盲孔的形状

不同的盲孔形状填孔难度如图3所1i。 腰鼓型:难 垂直型:中 斜坡型:易 圈3

腰鼓型和垂直型的盲孔在填孔电镀时,扎I l是高电流区,如控制不好。其沉积速度高于盲孔底部沉积速 度.就会产生填孔气泡。斜坡型药水流通性较Iji『两者好,不易产生填孔气泡,制作难度较前两者容易。良好的 盲孔形状是填孔电镀的基础,对激光钻孔的;㈨^蛭有严格监控,才能保证盲iL填孔电镀的品质。

4.2盲孔孔径及厚径比

使用不同的填孔光剂,其盲孔孔径对填扎的影响有所不同。但主要影响是厚径比偏大,孔径小时,在填孔 电镀时药水交换差,易出现填孔空涧的缺陷,填孔时间长,生产效率低:孔径偏大时,盲孔底部在喷流的作用 下不易吸附加速剂。其填孔效果较兹。所以介征的孔径和纵横比对填孔的品质可靠性影响较大。

合适的孔径在填孔时.盲孔底部易 吸附加速荆.填孔效果好。

盲:fLiL径较大时,在填孔电镀时药水流通交换效果 好,会带走部分底部吸附的加速荆.填孔效果较差。

.155.

孔化与电镀HoleProcessing andPlating 2011秋季国际PcB技术,信息论坛 根据我公司使用的填孔光剂A,通过试验找出不同介质层的最佳厚径比范围,结果如下,供大家参考:

介质层厚度/mm 最小孔径/mm 最大孔径/mm 厚径比范围 00500.0\"/50.1250-4.0.67 0.0\"/50.0\"/50.1250.6.1.0

O.1000.080.1500.67-1.25 0.125O.100.1\"/507l一125

图475gm介质层,150um孔径填孔效果较差 图5同样电镀条件下,75pm介质层,75岬孔径,填孔效果很好 盲孔纵横比只有维持在一个合理范围内,才能有稳定的填孔效果。盲孔孔径和孔形都是影响填孔电镀的客观 条件,各个厂家生产条件不一样,不能一概而论,但如果没有相应的试验验证和规范,则难以保证填孔品质。 4.3填孔光剂种类和管控

填孔光剂在填孔电镀中起着主导作用,填孔光剂的选择和管控显得尤为重要。现在有多家药水公司都有成 熟的填孔光剂,可根据产品特点选择合适的填孔光剂。不同的光剂有着不同的特性和管控方法,只有填孔光剂 浓度稳定。搭配合理,污染少,才能发挥出填孔的作用,才能保障填孔品质可靠性。

4.4溶液搅拌方式(喷流、打气

在电镀中,药水流通直接影响到电镀效果,盲孔由于一端被封住,药水流通比通孔要困难,所以填孔电 镀时的药水搅拌循环效果非常重要。药水流通性差,在盲孔内易产生气泡:药水流通性过强,则盲孔底部不能 有效吸附加速剂,填孔效果反而不佳。通常来讲,打气是无规则的,不易控制,搅拌效果较弱,一般建议用喷 流。不同光剂对药水流通和喷流的强度要求不同,不同孔径的盲孔对喷流强度也有所区别,所以选择适当的药 水搅拌方式和强度对填孔效果非常重要。以下是我司试验喷流强度对填孔效果的影响:

从以下图片可以看出,过强和过弱的喷流都会对填孔品质可靠性带来影响,喷流量小,盲孔底部流通性 差,合盲孔底部沉积速率小于孔口和孔中间沉积速度,则会导致填孔气泡。喷流量过大,则使孔径较大的盲孔 药水流通性强,带走部分加速剂,使填孔效果下降。应通过试验找出最佳的喷流参数,使不同孔径的盲孔填孔 效果达到一个平衡点。

喷流泵在使用过程中会有磨损和老化,喷流流量也会缓慢降低,因此喷流泵的维护和喷流流量监控也很重 要,可以通过定期维护喷流泵和安装喷流流量计来监控喷流流量。

4.5填孔溶液中硫酸铜浓度

在填孔电镀时,不仅要考虑盲孔填孔,还要同时考虑通孔电镀。盲孔电镀在高铜低酸下效果好,而通孔 深镀能力在高酸低铜条件下较好,两者呈对立现象,所以在实际生产中,对硫酸铜和硫酸浓度要找到一个平衡 点.使盲孔填充品质和通孔铜厚同时达到要求。

一156-

2011秋季国际PCB技术/信息论坛 孔化与电镀Hole Processingand Plating Ii扎条件

流_}i}(LPM

75mnl+75111111l 25llllll+100mm 15。

●—■曩量—■ 。,l囊 有填孔空洞 合格 ii.一 400 合格 合格 6。。 I_I--I

合格 填孔4:饱满

溶液浓度

孔径 硫酸铜:I 50∥l 疏酸铜:210∥l 硫酸:85%硫酸:%

介质E习5min ■■一L_舅舅・,J I 孔释75mm

填充率85%填先率95% 介质层 ——]’-_一 —%■目'E__ 100mrn孑L径 I—一 125mm 填充率68%填允牢95%, 通孔:一■■■一 160mm板 J毕.025ram I 扎径

i采镀能,J:H1%1毓傲能,J 72%

从以l:试验可以看出.在硫酸铜2lO g,l,硫酸5.4%条件下.通孔深镀能力可以达到72%.可满足通孔锕厚要 求,具体需根据盲孔填孔难度和通孔铜厚婴水来确定硫酸制浓度。

4.6电流密度

在填孔电镀时,往往采用小电流密度会得到较好的盲孔填孔效果和通孔深镀能力,但是小电流密度生产时 间长,生产效率低.成本高。在现有竞争激烈的市场.成本意识和生产效率早已深入人心。所以要降低电流晰 .157.

孔化与电镀ＨｏｌｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄＰｌａｔｉｎｇ ２０１１秋季国际ＰｃＢ技术／信息论坛 度来保证品质不是长久之计。要尽量提高电流密度，提高生产效率，实现成本和品质的双丰收。 我司用填孔光剂Ａ试验高低电流对填孔效果和通孔深镀能力的影响，供大家参考，具体如下 电镀条件 孔径 踊瞄蹈蛆豳＿ １ ＯＡＳＤＸｌ３０ｍｉｎ ｌ ６ＡＳＤＸ８０ｍｉｎ 介质层７５ｍｍ 盲孑Ｌ ７５ｒａｍ 稿豳ｋ＿ 曩■—麓■舶帕■■■——＿ 曩舅曼翟囡曼舅—。 有填孔空洞 介质层 １００ｍｍ，盲孔 １２５ｍｍ ・●ｄ 填孔率８８％ 深镀能力８２％ 填孔率９５％ ！墨＿鼻；。翟虿＿—＿一 填孔率８０％ 通孔：板厚 １ ６ｒａｍ孔径 ０ ２５ｍｍ 深镀能力７４％ 从试验结果来看，高电流密度盲孔填充效果较差。为提升电镀效率，可采取分段电镀的方法，电流密度逐 步提升，可根据情况分为二段或三段，是解决填孔生产效率和品质的较好方法。 ４．７小结 影响填孔电镀的因素还有很多，如震动、摇摆、有机污染、激光钻孔品质等各个方面都有关系，在这里就 不一一赘述。 ５结语 填孔电镀自从登上ＰＣＢＩ艺的大舞台，就一直扮演着举足轻重的角色。填孔电镀属于一种新型工艺，其反 应机理、过程控制、制作难度是普通电镀不能相比的。本文从影响填孔电镀因素的各个方面加以分析和验证， 并根据经验提出相应的管控措施，希望能给各位带来帮助。但这只是填孔电镀品质可靠性和工艺能力提升的冰 山一角，还有很多其他方面如阳极、有机污染等都是值得我们去学习、探讨和总结。电子高密度化、精细化的 趋势将使盲孔密度增加，孔径减小，厚径比增加，制程难度增加，填孔电镀将面临更多挑战，希望能有更多机 会与大家一起分享填孔电镀的研究成果。 作者简介 彭涛，精细化工专业，电镀研发工程师。 田维丰．化学工程专业．电镀研发工程师。 刘晨，应用化工专业，电镀研发工程师。 ， 一１５８． 万方数据