电镀铜

电镀铜

作者：admin 行业文章来源：不详点击数：170 更新时间：2005-9-28

一、电镀铜的历史沿革

l.l 焦磷酸铜

1985年以前全球电路板业之电镀铜，几乎全部采用60℃高温操作的磷酸铜(CoPPer PyroPhosPhate：Cu2P2O7)制程，系利用焦磷酸之错合(ComPlexing Agent)做为基本配方。彼时最流行的商业制程就是M＆T的加剂PY－61H。但由于高温槽液及PHta又在80以上，对于长时间二次铜所到的碱性水溶油墨或干膜等阻剂，都不免会造成伤害。不但对板面之线镀铜(Pattern Plating)品质不利。且槽液本身也容易水解而成为反效果正磷酸(H3PO4)，再加上阻剂难以避免被溶解所累积的有机污染等因素导致焦磷酸铜的管理困难，而被业者们视为畏途、然而新亮相非错合剂的低温 (15a－20oC)硫酸铜制程，当年则因其成熟度不够也使得用户们足了苦头。直到1988年以后硫酸铜才逐渐正式取代了先前的焦磷酸铜，成为唯一的基本配方。

1.2 硫酸铜与反脉冲

十年后(1995)的电路板开始采孔径0.35mm或14mil以下的小孔，在厚不变或板厚增加下，常使得待镀之通孔出现4:l至10:l高纵横比的困难界。为了增加深孔镀铜的分布力(Throwing Power)起见，首先即调高转基本配方的酸铜比(拉高至10:l以上)，并也另在添加剂配方上着手化。而且还将固有垂直挂镀的设备中，更换其传统直流(DC)供电，转型为变化电流(广义的AC)式反脉冲电流(Reverse Pulse)的革新方式。B 反咬电流密度很大但间却很短的情况下，冀能将两端孔口附近较厚的镀铜层予以减薄，但又不致影响深孔中心铜层应有的厚度，于是各种脉僮电方式也进入了镀铜的领域。

1.3水平镀铜

随后为了方便薄板的操作与深孔穿透以及自动化能力起见，板面一铜(全板镀铜)的操作，又曾改变为水平自走方式的电镀铜。在其阴阳极距离大幅拉近而降低电阻下，可用之电流密度遂得以提高2－4倍，而使量产能力为之大增。此种新式密闭水平镀铜之阳极起先还用可溶的铜球,但为了减少量产中频繁拆机，一再补充铜球的麻烦起见，后来又改采非溶解性的铅网阳极。而且另在反脉冲电源的协助下，不但对高纵横比小8孔的量产如虎添翼，更对2001年兴起的HDI雷射微盲孔(Microvia)也极有助益。不过也由于非溶阳极已不再出现溶铜之主反应，而将所有能量集中于"产生氧气之不良副反应，久之难免会对添加剂与Ir/Ti式DSA(商标名称为" 尺寸安定式阳极")昂贵的非溶阳极造成伤害，甚至还影响到镀铜层的物理性质。至于2002年新冒出二阶深微肓孔所需的填孔镀铜，已使得水平镀铜出现了犹未逮的窘境。对于此种困难，势必又将是另一番新的挑战。

1.4垂直自走的挂镀铜

1999初日本上村公司曾推卅一种U－CON制程，即属精密扰流喷流之槽液，与恢复两侧铜阳极的垂直自走挂镀；但由于成本及售价都极为昂贵，故目前台湾业界只有少数牛产线而尚待后续流行。三年来量产的水平电镀铜几乎已发展到了极限，于是恢复铜阳极的自正式挂镀又开始受到重视。目前国产设备供货商已有造利公司推出新机，其品质与成效如何仍有待长期量产的考验。

图1此为首次亮相国产之垂直自走挂镀式恢愎铜杨极联机机组，为造利公司之成熟产品，每支挂架可上下夹镀两片大板24吋见方)，槽长近3 m,，宽0.86m，槽液深度为1m, 整体槽项尚可加装透明的抽风罩，操作电流在2一5ASD之间以3.5ASD的均匀性最好，行进速度在0.5-I.2m/ min之间，镀速0.127－0.221mil,3mil以下微盲孔可填平到80%以上。

二、最新挑战的背景

BGA球脚之承焊钢热内设微盲孔(Micro Viain Pad)，不但可节省板面用地，而且一改旧有哑钤式(Dog Boning)层问通孔较长的间接互连(I nterconnection)，而成为直上直下较短的盲孔互连；既可减短线长与孔长而得以雕制高频中的寄生噪声外(Parasitics)，又能避免了内层Gn d／Vcc大铜面遭到通孔的刺破，而使得归途(Return Path)之回轨免于受损，对于高频讯号完整性(Signal Integrity)总体方面的效益将会更好。

图2通常2＋2＋2式两次增层的HDI板类(绝大多数用于手机板)，其中BGA焊垫内一阶盲孔系用于两次增层问讯号线之互连用途。但垫内乏二

阶深盲孔则系针对核板(Core) 之Vcc层或Gnd层进行连接用途。为了降低深盲孔镀锅的困难，目前对付此种两阶深盲孔者，多半采两次加工的钻孔及镀孔而完成的。

然而此种做法在下游印刷锡膏与后续熔焊(Reflow) 球脚时，众多垫内微盲孔中免于了会吸引干锡膏的小当流入。此而负面效应；一则会因锡量流失而造成焊点(Solder Joint)强度的不足，二则可能会引发盲孔内锡膏助焊剂的气化机而吹涨出讨厌的穷人空洞(Void),两者均使得焊点可靠度为之隐忧不已。

图4左二图均为不同孔径的BGA垫内一阶盲孔，于组装坩接时锡膏填满或被助焊所吹胀的空洞，此种经常出现的缺失已成为焊点强度上的隐忧。右图则系镀铜已道平之微盲孔其艮好焊点之切片情形。

而且设计为了追求高频传输的品质起见，01年以前"1+4+1"境层一次的做法，又已逐渐改变为现行"2+2+2"境层二次更新的面貌。此种"增二式"的最新规矩，使得内层统双面板(core),只扮演了Vcc／Gnd等人铜面的参考角色而；所有传输资料的讯号线(Signal Line),几乎都已全数布局在后续无玻纤(DK较低，讯号品质较好)的各次境层中。如此一来外层中某些必须接地或按电源的二阶盲孔，甚至还会坐落在已婚塞通孔之顶环或底环上。此等高难度的制程已在BGA球垫之中多量出现。不幸是此种二阶盲孔在凹陷与孔径变大的情形下，其镀铜之空虚不足自必更甚于一阶者，使得原已棘手的小型焊点问题，变得更为严重凄惨。于是手机板的客户们不得不一再要求电镀铜能够对盲孔的尽量填平，以维持整体功能于不坠。

图5.小型BGA除了垫内二阶盲孔镀铜之困难外，2003年手机板上该等BGA之垫距(Pitch) 更紧逼到0.5mm(20mil) ,造成垫径仅剩下10－1Zmi l而已. 此种高难度0.5mm的垫距,原本是用在摄录影影机的板面上(左图),如今却转移到手机板上来(右图),而且更有设计者又在动0.4mm pit ch的脑筋。

截至目前为止，现役酸性镀铜的本事只能说填多少算多少，微盲孔之孔径在3mi以下之浅小而多用于封装载板者，实填的问题还不算严重，某几种商业镀铜制程也还颇能让人满意。然而增二式手机板其BGA球脚垫内的二阶盲孔，不但口径大到6－8mil之间，且其漏斗形深度也接近3mil。加以最新亮相超难密距(0.5mm或20mil－Pitch)的拉近与挤压垫面空间，使得垫径又被紧迫缩小到只剩下12－14mil左右，逼得盲孔表面的环宽竟只剩下3mil而已。如此局限又险恶地形之锡膏承焊，安得不令八频捏大把冷汗？是故填孔镀铜几乎已经成为势在必行的工艺了。

资深一点的读者也许还记得，七年前Pentium(586)的时代，其CPU是采"卷带自动结合(TAB)的封装方式。此大型芯片封装完工之多脚组件，下游还要进行板面的贴焊组装。该QFP四边外伸贴焊之I/O共得320脚，单边80只平行伸脚彼此之密集栉比，逼得承接的长方焊垫也随之并肩鳞次，密密麻麻，方寸之间逼得相邻脚垫之跨距(Pitch)拥挤到不足10mil! 垫宽(Width)仅5mil，垫距(SPacing)更在5mil以下的艰困境界。如此之密距多垫及狭面之高难度锡膏印刷，有谁能够保证不出差错？即使锡膏印刷得以过关，其后续的放置(Placement)踩脚与高温熔焊(Refl ow)之二种更难工序，又如何能在量产中彻底免于短路？

然而重赏之下必有勇夫，当年的日商" 古河电工" 即开发出一种十分奇特的Super solder制程(详见电路板信息杂志74期)。其做法是对着80个密垫的单边，在钢板(Stencil)上只开出一道简单的鸿沟，再将上述" 超级锡膏"0不分铜垫或间距一律予以印满。巧妙的是在随后的高温熔锡过程中，其熔锡层只长在狭长的铜垫上，间距中则全无锡层，甚至残锡或锡珠锡渣也从不见踪迹。于是在此精准预署焊料之秘密武器下，只要小心将P-I的320只引脚全数对准踩定后，即可像操作熨斗一般利用热把(Hot Bar)进行压焊、当年高雄的华泰电子即曾大量组装此种搭载CPU的小型精密卡板。

图 6．此图为 1995年个人计算机Pentium微处理器之组装用载板，右侧为大型BGA之北桥，左下大件即为著名TAB式320脚CPU之四周脚垫围，每边80脚之垫距10mil，垫宽5mil，间距 5mil，系采"超级锡膏(SliperSolder)均匀平坦之预布焊料所先行施工者。其

他诸多焊点则仍采化镍浸金之表面处理。

好景不常，此种高难度TAB用之于CPU的做法，不到三年就遭到淘汰。客观情势逼得Intel不得不放弃自己一向主张的TAB，而改采Motor ola的BGA进行高价位高难度CPU之封装。于是球脚组装Pentium II的SECC卡乃于99年正式登台，导致超级锡膏的精采演出立即失色，昂贵的"火蜥蜴"生产线几乎成了废铁。技术转变所造成业者的投资损失，不但无奈也无法预知。

然而，任谁也没想到几年后的今天，手机板上微小BGA球垫中的一阶或二阶盲孔，竟可以利用早已过时的"超级焊锡"事先予以熔焊填平，大大满足了下游组装的良率与可靠度。在此秘密武器的逞能发威下，当然暂时不必烦恼镀铜填孔了。不过此种移花接木的剩余价值，也只是某