电镀铜的定义与发展历史相关信息

电镀铜

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℃高温操作的焦磷酸铜(CoPPer PyroPhosPhate；Cu2P2O7)制程，系利用焦磷酸之错合剂(Complexing Agent)做为基本配方。彼时最流行的商业制程就是M＆T的添加剂PY－61H。但由于高温槽液及PH值又在8.0以上，对于长时间二次铜所用到的碱性水溶油墨或干膜等阻剂，都不免会造成伤害。不但对板面之线路镀铜(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 (15oC－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，而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，在板厚不变或板厚增加下，常使得待镀之通孔出现4:l至10:l高纵横比的困难境界。为了增加深孔镀铜的分布力(Throwing Power)起见，首先即调高槽液基本配方的酸铜比(拉高至10:l以上)，并也另在添加剂配方上着手变化。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。要其反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，于是各种脉冲供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，板面一次铜(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沿用可溶的铜球,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钛网阳极。而且另在反脉冲电源的协助下，不但对高纵横比小径深孔的量产如虎添翼，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力犹未逮的窘境。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出一种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生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。

二最新挑战的背景

BGA球脚之承焊铜垫内设微盲孔(Micro Viain Pad)，不但可节省板面用地，而且一改旧有哑钤式(Dog Boning)层间通孔较长的间接互连(Interconnection)，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压制高频中的寄生噪讯外(Parasitics)，又能避免了内层Gnd／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。

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不了会吸引若干锡膏的不当流入。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而吹涨出讨厌的空洞(Voids),两者均使得焊点可靠度为之隐忧不已。

而且设计者为了追求高频传输的品质起见，01年以前“1+4+1”增层一次的做法，又已逐渐改变为现行“2+2+2”增层二次更新的面貌。此种“增二式”的最新规矩，使得内层之传统双面板(core),只扮演了Vcc／Gnd等人铜面的参考角色而已；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)的各次增层中。如此一来外层中某些必须接地或按电源的二阶盲孔，甚至还会坐落在已填塞埋通孔之顶环或底环上。此等高难度的制程场已在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。

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。

三预布焊料之填孔

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。此大型晶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(Reflow)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(详见电路板咨讯杂志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"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。

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Motorola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，也只是某些特定厂商意想不到可遇难求的机缘而已，盲孔填实的镀铜仍然还是业界普遍又迫切的需求。

四酸性铜基本配方与操作