直流电镀在微孔、盲孔镀中的重大突破

直流电镀在微孔、盲孔镀中的重大突破林金堵随着PCB高密度的快速发展与进步，特别是微小孔的高厚径比孔电镀、盲孔电镀和填孔电镀等的要求，传统直流电镀便受到了致命的挑战，它似乎解决不了这些‘高端’孔的电镀和填孔镀问题，因此，近10年来，脉冲电镀工艺技术便在PCB工业中迅速推广应用开来。

尽管脉冲电镀工艺技术能够很好地解决微小孔的高厚径比孔电镀、盲孔电镀和填孔电镀的问题，但是，脉冲电镀工艺技术存在着明显的缺点：（一）脉冲电源昂贵，投资很大；（二）脉冲电源到电镀槽之间的连接要求高，连接不当或接触不好，会严重延长脉冲前沿时间（t r,rise time）,从而影响电镀效果；（三）在脉冲电镀过程中仍然需要特殊化学填加剂，才能获得好的微小孔的高厚径比的孔电镀、盲孔电镀和填孔电镀的效果。

因此，在传统直流电镀的基础上，能否通过新的电镀化学添加剂和合适的电镀参数（如搅拌方法与方式等）来改变铜离子在镀液中的运动与分布，从而获得良好的高厚径比孔电镀、盲孔镀和填孔镀呢！这是业界十分关注的一大问题。

近几年来，在这些方面的研究、实验和应用的事实已经证明，采用特种电镀填加剂和合适的电镀参数的直流电镀，能够克服传统直流电镀的缺点，完全能很好地满足微小孔的高厚径比孔电镀、盲孔电镀和填孔电镀等的要求。

因此，采用新型的化学添加剂的直流电镀在PCB 工业中将会迅速推广应用开来，直流电镀仍然是PCB工业主要和根本的方法。

1 传统直流电镀面临的挑战传统直流电镀在印制电（线）路板的应用历史已经超过50多年了，传统直流电镀在PCB 的层间、表面涂（镀）覆所起作用是极其重要的，PCB有今天，传统直流电镀功不可没！但是，传统直流电镀存在着致命缺点，特别是在20世纪80年代中期以来，PCB组装技术从通孔插装（THT）技术走上表面安装技术（SMT）后，导通孔尺寸迅速的减小，特别是出现HDI/BUM板以来，传统直流电镀受到越来越严厉的挑战和压力！⑴传统直流电镀在孔内电流密度分布呈‘梯度’递减在通孔电镀铜时，由于电流密度分布的原因，传统直流电镀的致命缺点是从孔口到中心处，其镀层厚度成‘梯度’方式而减薄，使孔中心处形成最薄的镀层，影响PCB质量和可靠性。

尽管，可采用传统的化学添加剂（如分散剂、整平剂等）、降低电流密度值（牺牲生产率为代价，往往是不合算的）和搅拌等方式来减小这个镀层厚度‘梯度’。

但是，这些努力远跟不上孔径微小化的发展要求。

⑵高厚径比微小孔电镀难题在酸性硫酸铜镀液中，传统直流电镀所造成的板面与孔内镀层厚度差别主要是由板的厚度（孔的深度）和孔径尺寸来决定的。

即直流电镀时，通孔内的欧姆电阻E为E=JL2/2Kd-------------------（1）式中：J-----阴极电流密度；L-----孔的深度（板厚度）；K-----电导率（受H2SO4影响最大，H2SO4浓度大，K就大）；d-----孔的直径。

还可导出孔的电镀‘难度系数’D。

D=L2/d------------------------（2）从这两个公式中可以看到：（一）若通孔的深度L（板厚）不变，则孔内的欧姆电阻E将随着孔径微小化而提高，阻止Cu2+离子向孔内沉积将越来越大，则孔内电镀铜越来越困难；（二）传统直流电镀通孔时，电镀‘难度系数’D是与孔深度的平方成正比，跟孔直径成反比，或者更直观地说，传统直流电镀的‘系数难度’D是与孔的深度（L，板厚）和厚径比（L/d）成正比。

因此，传统直流电镀通孔时，其孔内的铜镀层厚度‘梯度’将随着孔的深度（板厚度）和厚径比（孔径微小化）的增加而急剧严重化起来！对于传统直流电镀常规的PCB，其厚径比≤6：1的通孔镀，电镀分散能力为65%到85%。

一般说来，这种电镀分散能力还是可以保证通孔连接的可靠性。

而对于厚径比≥8：1的通孔镀，传统直流电镀的电镀分散能力≤50%，这是很难保证导通孔的连接可靠性的。

⑶微小盲孔电镀的要求随着表面安装技术的深化发展，PCB板已开始由常规多层板（含埋/盲孔结构）走向HDI/BUM 板，其积层（a+n+b,n为芯板的层数，a和b为高密度积层的层数）的层数越来越多，因而盲孔镀将越来越多。

采用盲孔结构和盲孔电镀方式是常规PCB走向更高密度的HDI/BUM板的必由之路。

盲孔结构和盲孔电镀是不同于通孔电镀的。

由于盲孔仅一面孔口与镀液接触，镀液很难在盲孔内流动和进行新旧溶液交换。

加上在HDI/BUM板中，其积层的盲孔直径很小≤0.2mm，厚径比0.5∽1.5之间。

所以，传统直流电镀是很难胜任盲孔电镀的。

⑷微小盲孔填孔镀的挑战在‘多阶’（a+n+b）结构的HDI/BUM板的盲孔的叠层连接（特别是叠孔连接结构）上，无论从可靠性、导热和加工技术等角度上，目前都要求采用填孔镀技术。

盲孔填孔镀铜技术，就是要求做到在盲孔的底部和孔内的电沉积铜的速度要远大于板表面的沉积铜的速度才行。

实际上，由于HDI结构和今后三维结构的要求，不仅盲孔结构需要填孔，而且通孔结构也需要填孔，才能保证GDI/BUM板和IC基（载）板的导热性、可靠性的基本要求。

首先是PCB的高多层（如20层以上）化，接着的是通孔微小（如孔径≤φ0.3mm，高厚径比大于≥6时）化，加上近10年来的盲孔镀和盲孔填孔镀等要求，传统直流电镀受到越来越严厉的挑战和压力！一段时间以来，脉冲（周期性反向）电流电镀、导电胶（膏）填孔等有取代之势。

但是，任何事物总是在矛盾中向前发展着，由于科学技术的持续发展与进步，看似不可能达到的事情，通过人们的能力和工艺技术的创新，把原来认为‘不可能’的事情变成了活生生的现实！如数控钻床曾经怀疑过，对直径小于Ф300µm不能进行钻孔或成本太高等问题。

但是，近10年来，数控钻床的转速已由10年前12万转/分提高到现在18、20或25万转/分，甚至达到35万转/分，加上钻床主轴和移动台面的稳定性提以及微小钻头技术（特别是纳米技术）的解决，现在的数控钻孔直径可达到Ф100µm，甚至达到Ф50µm。

同理，直流电镀对高厚径比的通孔、特别是盲孔镀和盲孔填孔镀等似乎不能胜任的，但是现在已经能够完全解决了这个问题。

近几年来，在这些方面的研究、实验和应用的事实已经证明，采用特种电镀填加剂和合适的电镀参数的直流电镀，能够克服传统直流电镀的缺点，完全能很好地满足微小孔的高厚径比孔电镀、盲孔电镀和填孔电镀等的要求。

如我在江南计算技术研究所于2005年就看到采用直流电镀来解决HDI的盲孔镀和盲孔填孔镀的技术课题，并用于批量生产。

在2007年的《Circuitree》,NO1的杂志上也报道了美国UYEMURA公司的酸性铜‘直流电镀’的效果；同期《Circuitree》杂志上，George Milad在“Innovative solutions for leading edge design”也提到采用‘直流电镀’在高厚径比通孔镀、盲孔镀和盲孔填孔镀等方面取得了良好的效果，其性能/价格比脉冲电镀要好得多，而且质量也可与之相媲美，比起导电胶等填孔的导通性能就好多了。

因此，采用新型的化学添加剂的电镀方法应该是最根本的出路！正是在直流电镀中采用了新型化学添加剂，才使传统直流电镀也能在高厚比的微小通孔、盲孔上实现电镀铜和填孔镀铜。

因此，采用新型的化学添加剂的直流电镀在PCB 工业中将会迅速推广应用开来，直流电镀仍然是PCB工业主要和根本的方法。

2 直流电镀的突破机理在高密度安装的HDI/BUM板、IC封装基（载）板中，总是存在着大量的盲孔结构和少量的通孔结构的，由于HDI结构和今后三维结构的要求，不仅盲孔结构需要填孔，而且通孔结构也需要填孔，才能保证HDI/BUM板和IC基（载）板的工艺（可制造）性、导热性、可靠性的基本要求。

但是，由于盲孔结构与通孔结构是不同的。

在通孔中，在搅拌等条件下，镀液在板的两面形成‘压力差’（日如搅拌、喷射等）下可进行流动和新、旧溶液交换，有可能得到较好的铜沉积厚度。

而在盲孔中的镀液，由于镀液在孔中的流动和新、旧溶液交换，完全仅靠板面的一个‘开口’来进行，特别是盲孔的底部靠搅拌、喷射等动态冲击力来达到目的是困难的。

因此，盲孔镀和盲孔填孔镀必须采用其它方法（式），或者说采用与通孔镀和通孔填孔镀不同的方法，才能达到目的。

实际上，不管是盲孔、还是通孔进行直流电镀（含填孔镀），在一定直流电镀（参数）条件下，主要是通过化学添加剂（如抑制剂、整平剂和加速剂等）的控制（吸附）而完成的，其次是适当进行搅拌（机械的或物理的）辅助完成的。

（1）通孔直流电镀和填孔镀在通孔（TH）直流电镀和填孔镀中，抑制剂（又有整平剂作用，也可含另类整平剂）等在适当搅拌条件下，主要是依靠通孔的形貌（feature profile）的电位E{见公式（1）和（2），E将随着孔径微小化、厚径比增加而提高的，其电流密度将减少}高低而进行吸附的，而以添加的抑制剂具有强烈吸附高电流密度部位（区域）的，不仅使PCB板面吸附抑制剂厚度或数量远大与孔内，而且使孔内的抑制剂的吸附形成从孔口到孔中心处形成浓度差，并且在电镀过程中应该迅速建立起这种浓度差分布，所以，在PCB中，最快的铜沉积速度发生在孔中心处。

在通孔（TH）直流电镀和填孔镀中，调整合适的镀液的流动速度（搅拌或喷射等方法）可以保证添加剂（主要是抑制剂）最合理的吸附厚度与浓度梯度分布，才能达到效果。

过大的镀液的流动速度（搅拌或喷射等方法），会破坏添加剂（主要是抑制剂）最合理的吸附厚度与浓度梯度分布，将达不到预定的效果。

同样，太小的镀液的流动速度（搅拌或喷射等方法），不能满足添加剂（主要是抑制剂）最合理的迁移速度的要求，难于吸附到高密度区域和形成浓度梯度分布，因此也难达到预期的效果。

实验研究表明：（一）添加的抑制剂，其吸附高电位的部位程度，不仅与电位E高低有关，而且还与镀液流动速度有关，这就是说，除了添加适当的抑制剂含量外，还可以通过调整镀液的流动速度来改善通孔直流电镀和填孔镀；（二）由于是通孔结构，不像盲孔有底部的结构，因而不必加入加速剂，因为加入加速剂容易在通孔的两个孔口部位聚集加速剂，从而在通孔的填孔镀中的孔中心形成‘空洞’问题，参见图1的（a）。

后者，实际上是可以通过加速剂的添加量和调整镀液流动速度（搅拌程度）来解决的。

（2）盲孔直流电镀和填孔镀由于目前的HDI/BUM板、特别是IC基板的导通孔（即盲孔）的直径已经微小化到25μm ∽50μm尺寸范围，对于这样微小的盲孔尺寸，仅仅在孔壁上形成金属化的传统电镀方法是难于满足技术指标和性能要求的，必须采用电镀填孔镀铜才行。

在盲孔直流电镀和填孔镀中，同理，抑制剂（又有整平作用，也可含另类整平剂）等在适当搅拌条件下，主要是依靠通孔的形貌（feature profile）的电位E{见公式（1）和（2），E将随着孔径微小化、厚径比增加而提高的，其电流密度将减少}高低而进行吸附的，而以添加的抑制剂具有强烈吸附高电流密度部位（区域）的，不仅使PCB板面吸附抑制剂厚度或数量远大与孔内，而且使孔内的抑制剂的吸附形成从孔口到孔中心处形成浓度差，因此孔壁能够得到最快的铜沉积速度。