不同电镀参数组合对高厚径比通孔电镀的影响

不同电镀参数组合对高厚径比通孔电镀的影响
摘要：电镀过程中的操作电流密度和时间是影响实现高厚径比孔金属化效果好坏的极其关键因素。

本文研究了不同电流密度下高厚径比镀通性及镀层延展性的变化趋势，在设备和药水条件基本固定的情况下，考察不同电镀参数组合对高厚径比通孔电镀的效果，并对不同参数下的孔铜作热应力测试对比。

结果表明，改变采用不同电流密度分段电镀可有效提高镀通性和电镀效率，且孔铜可靠性良好。

关键词：高厚径比；通孔电镀；电流密度
1 前言
镀通孔在印制线路板，尤其是多层线路板的层间导通方面有着及其重要的作用。

近年来随着印制线路板向着精细线路、高密度、多层、小孔化发展，孔内电镀难度相应变大，易出现从孔口到孔中心镀层厚度逐渐减小的现象，即镀通率下降，孔内铜厚分布不均（如图1），对孔铜可靠性造成极为不利的影响（图2 为孔中心铜厚不足造成的孔壁镀层脱离）。

一般为了提高生产效率，在保证镀层质量的前提下，应尽量使用高的电流密度。

但是，对一些高难度板（高厚径比板）为保证良好的镀通性，常常使用较低的电流密度；而低的电流密度往往又导致生产效率低下。

因此，如何兼顾高厚径比通孔电镀质量和生产效率是业内十分关注的两难问题。

本文主要研究不同电流密度下高厚径比镀通性及镀层延展性的变化趋势，并考察不同电流密度组合对高厚径比通孔电镀的影响。

图1 高厚径比孔铜分布不均
图2 高厚径比孔壁镀层脱离
2 实验部分
2.1 实验设备与药水条件
设备：实验电镀缸（侧喷+左右摇摆）、真空压机、日立三头钻机、PTH 生产线、切片研磨机、金相显微镜。

药水：罗门哈斯253 系列PTH药水、30-35/225EP-1000 镀铜药水
2.2 评价方法
（1）镀通性评价：切片读数选点如图3 所示。

读数时取钻孔粗糙、灯芯效应影响小的位置的平均加厚镀铜厚度。

镀通率=4*(G+H)/(A+B+C+D+E+F+I+J)*100%
A、B、C、D、G、H 表示对应位置加厚镀铜厚度；E、F、I、J 表示孔口对应位置的镀铜厚度（单位：um ）。

（2）延展性测试：延展性试样按照保证钢板表面＞50um 厚度的镀层，取样如图4所示。

按照IPC-TM650 标准测试。

图3 切片读数选点示意图
图4 延展性取样示意图
（3）热应力测试：15 0℃烘板4 小时后，28 8℃浸锡10 秒5 次，做切片观察孔内镀层情况。

3 实验结果与讨论
3.1 电流密度对镀通性与延展性的影响
电镀过程中的操作电流密度和时间是一个极其重要的影响参数。

一般说来，当镀液组成，添加剂，温度，搅拌等因素一定时，镀液所允许的电流密度范围也就固定了，为了提高生产效率，在保证镀层质量的前提下，应尽量使用高的电流密度。

因此，笔者研究了不同电流密度下镀通性及延展性的变化趋势。

图5 是微孔板(AR=12：1，Φ=0.2mm ）在不同电流密度下的镀通率变化。

从结果可以看出，电流密度增大，镀通率下降，即采用低电流密度长时间电镀有利于高厚径比通孔电镀的深镀能力（但如果电流密度过低，可能会使深孔中心的化学铜被酸溶解，难以确保孔铜的完整性）。

图6 是不同电流密度下镀层延展性的变化趋势曲线。

从图中可看出，随着电流密度的降低、电镀时间的延长，镀层延展性随之减弱，即一定程度升高电流密度对镀层延展性是有利的（但不能超过镀液允许的极限电流密度，否则镀层质量恶化，开始出现海绵体、枝状晶、烧焦或发黑的问题）。

因此，从以上实验结果看，虽然低电流密度有利于高厚径比通孔的深镀能力，但却不利于镀层延展性。

在电流密度的影响原理上，对于镀通性来说，存在关系式Eir～JL２／２kd ，电流密度增大，即J↑，Eir↑，即板面与孔中心电位差增大，相当于降低了孔中心电位，降低了孔中心处的镀铜能力，所以高电流密度下高厚径比通孔的深镀能力不强[1] 。

而对延展性而言，电流密度增大，阴极极化度增加，即过电位△ψK 变大，晶核成核速度加快，生长速度则相对缓慢；同时，晶种的临界半径变小，结晶细致，更容易形成微晶沉积层，从而提高镀层延展性。

3.2 不同电镀参数组合对高厚径比通孔电镀的影响
由以上实验结果得知，为了取得较好的镀通性，在生产高厚径比难度板时采用电流密度长时间电镀，不但降低了生产效率，镀层延展性亦同时下降，孔铜可靠性也有可能受到挑战。

针对这个问题，实验设计了两种不同板厚的高厚径比板（板厚：5.2mm 、6.6mm，ARmax=26:1），采用不同电镀参数组合一次加厚镀铜，考察其对通孔电镀的影响，实验结果如表1、2 所示。

表1 5.2mm 板不同电流密度组合的镀通率表26.6mm 板不同电流密度组合的镀通率
从表1、表2 中两种不同板厚的高厚径比孔镀通性数据结果可看出，一次加厚铜时采用高低不同电流密度与时间组合的电镀效果普遍比采用单一的低电流密度长时间电镀的效果好，且在合适的电镀参数组合下，镀通率最大可提升10% 以上（如6.6mm 板，AR=26:1，镀通率由38.78%→53.45% ）。

另外，在理论铜厚相同的前提下，采用高低电流密度组合后电镀时间可相应比单一低电流密度的电镀时间缩减20-40 分钟左右。

而对于6.6mm 板的通孔电镀，相同厚径比的镀通率均与5.2mm 板时相比有所下降。

这是因为，难镀系数D∝l2/d，板厚增大，难镀系数平方级上升，电镀时孔内液体实现对外交换所需的时间更长，孔内镀铜厚度分布均匀性越差。

随着板厚增大，孔径减小，溶液在孔中不易传递和交换，镀液分散能力差，孔中气泡难排除，因此孔中心镀层厚度与板面镀层厚度差别越大，深镀能力下降。

（A）8ASF*270min
（B）12ASF*40min+8ASF*210min 图7 5.2mm 板（Φ0.20mm，AR=26：1）热应力前后切片图对试板取样作热应力测试（288℃，10s，5 次），做切片观察孔内镀层状况，除出现树脂内缩外，各种参数下的孔铜测试均未发现孔铜断裂、大面积孔壁分离等现象；但采用低电流密长时间电镀样品个别孔中心附近出现轻微镀层起泡，而采用高低电流密度组合的样品则未发现此问题。

如图7 是5.2mm 板
（Φ0.20mm，AR=26：1）在两种不同电镀参数下热应力测试前后的切片图。

综合以上研究结果，一次加厚铜时采用高低电流密度组合电镀比单一参数电镀在镀通性和孔铜可靠性方面都取得较好的表现，可谓一定程度上兼顾了高低电流密度在镀通性和延展性上的优势。

一是利用高电流密度上铜快和低电流密度深镀能力好的优势。

电镀初始阶段，孔中的药水与槽内体相药水浓度差别不大，孔内镀液可承受的极限电流密度较大，初始阶段以高的冲击电流迅速加厚铜，可有效降低高厚径比孔内蚀铜可能导致的孔内无铜风险（因酸性镀铜药水对化学铜层（0.25~0.5um ）有蚀铜效应）；且高电流密度短时间电镀得到的镀层较薄，“狗骨”效应不明显（从孔口到孔中心镀层厚度逐渐减小的现象）。

而当电镀时间愈长，高厚径比孔内药水因镀铜消耗及与外界药水有效交换困难，孔内镀液组分浓度愈低，所以适时改用低电流密度，可降低板面与孔中心的电位差，增强孔中心处的镀铜能力，一定程度提升高厚径比电镀时镀通性。

二是利用了高电流密度下镀铜析晶快，结晶细致的优势。

Watanbe 等[2] 研究表明，通过改变镀液类型、控制电流密度和加入添加剂等可以对铜薄膜的组织结构进行控制。

在硫酸盐铜镀液中，电流密度较高
时，最初没有明显的择优取向，当镀层厚度增加，逐渐发展为(220) 织构，而当电流密度较低时，镀层显示(220) 织构。

辜敏等[3] 通过SEM 研究表明，较高的沉积电流密度有利于晶核的形成，电流密度提高使得晶体的生长由侧向生长模式逐渐转化为向上生长模式。

初始阶段以高电流密度电镀，可加快孔内铜晶核成核速度，形成微晶沉积层；而电镀过程中铜晶粒是按照延晶生长方式连续析出的，当转为低电流密度电镀时，铜晶粒将在高电流密度下形成的微晶沉积层上继续延晶生长，晶核颗粒不会发生太大突变，从而避免低电流长时间电镀可能造成的孔中心镀铜晶粒粗糙的问题，增强孔铜延展性，提高孔铜可靠性。

4 结语
针对高厚径比通孔电镀时，高电流密度下深镀能力下降，而低电流密度下镀层延展性和生产效率降低的问题，采用高低电流密度组合分段电镀，在镀通性和孔铜可靠性方面比单一的低电流密度参数有相对较好的表现，且在相同铜厚要求时可一定程度缩短电镀时间，提高生产效率。

这在设备和药水条件基本固定情况下提升高厚径比镀通孔能力有一定可行性。

如何进一步优化高低电流密度与时间的组合，更深入研究其作用机理，是笔者下步即将进行的工作。