新型HDI盲孔填孔电镀铜技术

收稿日期:2021-02-03
新型HDI 盲孔填孔电镀铜技术
郝鹏飞，吕麒鹏，王殿
(中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024)
摘
要:高密度互连(High Density Interconnect Board ,HDI )印制电路板的盲孔电镀铜技术是其孔
金属化实现电气互连的难点和关注重点,为此,在目前传统盲孔电镀铜技术和盲孔脉冲电镀铜技术的基础上,提出一种新型的电镀铜填孔技术,通过填孔工艺特定的镀铜添加剂,在传统盲孔电镀铜的技术上改变表面和盲孔的电流效率满足填孔要求,灵活应用于不同盲孔填充;通过试验和分析,该方法在效果、质量和成品率上均优于脉冲电镀,并可实现不同深宽比盲孔电镀铜要求,大大降低了成本。

关键词:高密度互连板;盲孔电镀铜;添加剂;填孔中图分类号:TQ153.1+4
文献标志码:B
文章编号:1004-4507(2021)02-0033-04
A New Filling Electroplating Copper Technology by HDI Blind Hole
HAO Pengfei ，Lv Qipeng ，Wangdian
(The 2nd Research Institute of CETC ，
Taiyuan 030024，China )Abstract:Blind hole copper plating technology of HDI printed circuit board is the difficulty and focus of its hole metallization to realize electrical interconnection.Based on the current traditional blind hole copper plating technology and blind hole pulse copper plating technology ，this paper proposes a new copper plating hole filling technology ，which changes the current of surface and blind hole in the traditional blind hole copper plating technology by using copper plating additives specified in the hole filling process.The efficiency meets the requirements of hole filling ，and can be flexibly applied to different blind hole filling;through the test and analysis ，the method is comparable to pulse electroplating in effect ，quality and yield ，and can realize the requirements of copper electroplating for blind holes with different thickness diameter ratio ，greatly reducing the cost
Key words:High density interconnect board （HDI ）；Blind hole copper plating ；Additive ；Hole filling
印制电路板是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体，其应用非常广泛，在各类
电子产品中均有大量应用。

随着电子产品逐步向智能化、微型化、便携化、多功能化的方向发展，要
求PCB板同步向微型化、高密度化方向发展，这样代表着高密度互连技术的印制电路板就应运而生。

HDI板的制作是通过引入微小导通孔和微细电路技术，并多层叠加线路层和绝缘层，形成多层、稳定和高密度化的印制电路板。

HDI板的前提是微小导通孔和精细线路技术的结合，层与层之间的电气互连是依靠微小导通孔(通孔、盲孔、埋孔)的金属化技术得以实现。

通孔金属化是指在PCB板的绝缘层孔壁上利用化学镀或电镀的方法镀一层导电金属。

因此，PCB板的导电性、散热性
与孔金属化技术直接相关。

其中盲孔的孔金属化流程是首先对板面通孔的孔壁进行金属化，再用树脂或导电胶填孔形成盲孔，然后再对盲孔进行电镀填铜。

目前有传统盲孔电镀铜技术和盲孔脉冲电镀铜技术两种应用形式，其中传统盲孔电镀铜技术，是采用恒定电流进行电镀，孔的边缘效应非常明显，难以控制，成品率较低；盲孔脉冲电镀铜技术应用于某些特定深宽比的盲孔电镀铜，由于脉冲电源的电流图形出厂前预先设定，难以设置或更改，对于其他深宽比的盲孔电镀铜难以控制，另外脉冲电源价格非常昂贵，是普通直流电源价格的10倍以上，不同深宽比的盲孔镀铜需要配置专门的脉冲电源，投资大。

因此，本文介绍了一种新型HDI板盲孔电镀铜技术，在传统盲孔电镀铜的技术上，通过工艺手段、设备支撑来达到HDI 板盲孔电镀铜技术要求，提高产品质量和成品率，实现不同深宽比盲孔电镀铜要求，同时降低了投资成本。

1脉冲电镀铜填孔技术
脉冲电镀又称为周期性反向脉冲电镀（PPR），应用于20世纪60年代，真正应用于印制板填孔电镀铜上是基于大电流脉冲电源技术的突破[1]。

1.1脉冲电镀概述与特点
脉冲电镀是通过周期性变换电镀电流方向的方式实现“直流电”镀铜。

采用脉冲电源电镀的电流图如图1所示。

在对HDI印制电路板进行脉冲电镀，其实质是脉冲电源在电镀过程中周期性的正向、反向输入直流电，通过控制正反向脉冲电流参数来控制孔内镀铜层的厚度，在这个过程中，HDI板既作为“阴极”实现电沉积铜过程又作为“阳极”进行溶解铜过程，只需“沉积”铜的厚度比“溶解”铜厚度大就可以满足要求[2]。

为实现这一要求，脉冲电源的电流图形必须满足以下要求：
（1）t s（电沉积铜的电流时间宽度）＞t w（电溶解铜的电流时间宽度），一般呈现（10～40）∶1的倍数关系，根据经验和实际试验大多数取20∶1；
（2）I n（电溶解铜的电流幅度）＞I s（电沉积铜的电流幅度），一般呈现（2～5）1的倍数关系，根据经验和实际试验大多数取3∶1；
（3）t r（电溶解铜的电流爬升时间）臆(1/3)t w（电溶解铜的电流时间底部宽度）；
（4）另外，为了保障生产和提高生产效率，脉冲电镀的电流密度设置要大。

1.2脉冲电镀的优点与主要问题
1.2.1脉冲电镀的优点
（1）镀层均匀性好，周期性的正反向电流以及瞬时高电流密度使得沉积层晶粒细化，孔内镀层更均匀；
（2）分散能力高，甚至超过100%的分散能力，以及反向脉冲（高电流密度）的阳极化溶解使得孔周围金属离子浓度局部迅速回升，这样有利于正向脉冲（长周期）的阴极沉积，使得孔内沉积层大于板面沉积层，适合填孔镀；
（3）电流密度大，脉冲电镀可采用更高的电流密度进行电镀，利于提高生产率。

图1脉冲电镀的电流图形
I
I s
t s
10%90%
90%10%
t r t d
I n
t w
t n
t
图2基本原理图
1.2.2主要问题
（1）特定深宽比的孔填充要求相对应的脉冲电流图形，深宽比不同的板或板内深宽比不同的孔，孔内镀铜沉积厚度是不同的；
（2）脉冲电流图形的输出波形难以调整，目前脉冲电源是需要通过输出波形来选型，出厂后用户难以再行更改设置；
（3）脉冲电镀的配置要求较高，一个“镀铜槽”需配置一个脉冲电源并尽量地靠近“镀铜槽”，还需配专门的电板和电缆；其中“飞巴”、挂具和夹具等的接触电阻直接影响脉冲电流的前延时间（脉冲电镀重要参数），要求严而又稳定性较差；
（4）脉冲电源成本非常高，是普通直流电电源价格的10倍以上，投资较大。

1.3脉冲电镀的改善措施
脉冲电镀的改善措施，通常采用机械的、物理和化学的改善方法，如：增加阴极移动、增加、屏蔽板开孔等方式改善电力线分布，或者增加搅拌、镀液喷流式设计、镀液循环等方式促进孔内镀液流动，以及采用专门的添加剂、抑制剂改善镀液中Cu 2+
离子的分布状态，用来克服脉冲电镀的不足。

2新型电镀填孔技术
新型电镀铜填孔技术是通过盲孔内吸附加速剂，加速铜离子的沉积速度，板面吸附抑制剂，降低铜离子的沉积速度，使得盲孔电镀铜厚度大于板面电镀铜厚度；另外通过适当改变电镀参数（电镀方式、搅拌方式、电流密度、电镀时间），增加搅拌等来实现[3]。

2.1新型直流电镀的基本原理
首先在预浸步骤，板上会平均吸附上加速剂；经过温水清洗过程，板面上的加速剂会被洗掉，孔内的加速剂仍会保留；当印制板进入填孔电镀缸内，抑制剂会吸附在板面上而不会吸附在盲孔内[4]；当盲孔从底部开始填充时，加速剂加速消耗孔内
铜离子，抑制剂减弱板面铜离子的消耗，产生的浓度差会使盲孔内铜离子得到有效地补充，加速了填孔速度；从而减弱电镀边缘效应[5]。

其基本原理如图2所示。

2.2新型直流电镀试验设备
试验板在电镀填孔之前进行前处理，包括脱脂、DI 水洗、微蚀、5%H 2SO 4酸洗等，在体积为1L 的哈林槽中，采用直流电镀方式进行填孔电镀，阳极为两个对称的不溶性钛网，测试板置于两个阳极中间并与阳极处于平行，搅拌方式为空气搅拌。

电镀液温度维持在23℃左右。

实验装置如图3所示。

3三种形式电镀效果比较
在相同深宽比和不同深宽比两种试验条件下分别进行传统、脉冲和新型盲孔填孔电镀铜试验，其结果对比如表1、表2所示；在不同
工艺参数的试验条件下进行新型盲孔填孔电镀铜试验，其结果对比如表3所示。

图3新型盲孔电镀铜试验装置
预浸
水洗
填孔
镀铜
加速剂抑制剂
4结论
为了解决传统盲孔电镀铜技术边缘效应明显、成品率低问题以及脉冲电镀铜技术填充孔深宽比单一、成本高等问题，提出了一种新型HDI 盲孔填孔电镀铜技术，通过工艺控制和特定的镀铜添加剂，在预浸后盲孔内吸附加速剂，加速铜离子的沉积速度，电镀时板面吸附抑制剂，降低铜离子的沉积速度，使得盲孔电镀铜厚度大于板面电镀铜厚度，满足填孔要求；另外通过调整电镀参数（电流密度、电镀时间）[6，7]，以及增加搅拌方式可以进一步达到最佳效果。

该工艺较目前传统单一填孔电镀铜工艺质量和效果显著提高；较脉冲电镀铜工艺使用范围大，更灵活，且投资成本低，工艺控制相对简单，对HDI板向低成本规模化发展具有一定促进作用。

参考文献:
[1]林金堵，吴梅珠.PCB电镀铜技术与发展[J].印制电
路信息，2009，12(3)：27-32.
[2]林金堵，龚永林.现代印制电路基础[M].第4版.上海：
中国印制电路行业协会，印制电路信息杂志社，2005.
[3]蔡积庆.电镀铜导通孔填充工艺[J].印制电路信息，
2006(8)：28-30.
[4]熊海平.垂直电镀线盲孔和通孔同步电镀工艺[J].印
制电路信息，2009(6)：46-48.
[5]丁志廉.用于SIP的通孔电镀铜填孔技术[J].印制电
路信息，2007(6)：36-39.
[6]陈世金，徐缓，罗旭，等.影响印制线路板电镀填盲孔
效果的因素[J].电镀与涂饰，2012，31(12)：33-37. [7]崔正丹，谢添华，李志东.不同电镀参数组合对电镀填
孔效果影响研究[J].印制电路信息，2011(4)：80-84.
作者简介:
郝鹏飞（1987－），男，山西吕梁人，硕士，工程师，主要从事电子专用设备的研发工作。

吕麒鹏（1987－），男，山西吕梁人，硕士，工程师，主要从事电子专用设备的研发工作。

王殿（1987－），男，山西忻州人，硕士，工程师，主要从事电子专用设备的研发工作。

表1同一深宽比试验
孔径：110μm，介质层：70μm，镀厚：12μm，电流密度：139A/dm2，时间：30min
传统电镀
填孔率
：8%
脉冲电镀
填孔率：35%
新型电镀
填孔率：32%
表2不同深宽比试验
孔径：110μm，介质层：70μm，电流密度：139A/dm2，
时间：30
min
传统电镀
镀厚：4
μm
填孔率：32%
脉冲电镀
镀厚：8
μm
填孔率：65%
新型电镀
镀厚：12μm
填孔率：98%
表3改变工艺参数试验滋m
孔径：110μm，介质层：70μm，电流密度：139A/dm2，时间：30min
孔径：110
介质层：70
镀厚：15
电镀
参数：
74A/dm2×30min＋
111A/dm2×30min
凸起：8μm
孔径：150
介质层：150
镀厚：25
电镀参数：
74A/dm2
×60min＋111A/dm2×
30min＋139A/dm2×30min
填孔率：100%
孔径：200
介质层：215
镀厚：35
电镀参数：
74A/dm2×60
min＋111A/dm2×
45min＋139A/dm2×45min
凹陷：10μm。