微通孔填充的电镀铜工艺

光亮剂
辅助剂
图 3 微通孔填充时使用到的 有机添加剂
PPR(周期性脉冲反向电镀)与有机添加剂一起 作用，是一种能提供微通孔填充所需不同电 镀率的途径。在直流电电镀时，仅电流(电 压)被控制，而在 PPR 电流波形时，三种参数 可独立改变。这些参数为：接通(持续)时 间、停止时间和电流密度，使沉积的控制更 完全。另外，不同的 PPR 波形可连在一起形 成复合波形。这些变量影响吸附及解吸附现 图 4. 波形类型 象，这些变量可以受控，而传统的直流电镀 无法做到。因此，从底到顶的填充可通过采用 PPR 波形来实现从高电流密度区域选择性地解吸附 光亮剂（加速剂），以得到在电流密度较低的微通孔凹陷区域有较高的光亮剂浓度效果。图 4 为 DC 和简单 PPR 波形的原理图。
• 推动叠层微通孔及焊盘上的微通孔设计
采用导电材料填充 • 可避免流程化学品夹带及减少连接盘通孔工艺中在焊接时产生的空
的微通孔推进了焊
洞气泡
盘中的微通和叠层 微通的设计，使封 装密度能进一步增 加。使用电镀铜填 充微通孔的工艺现
• 固体铜填孔有更高的可靠性及比导电树脂填充具更高的传导性 • 微通孔填充与电连通性可在同一步骤完成 • 电镀铜是一种熟知的技术，且在 PCB 制造中广泛使用 • 改善后的电性能可通过高频设计来实现
微通孔填充的电镀铜工艺
电子设备的不断轻便化和功能增长的发展趋势推动 PCB 板朝小型化及线路密度增加的方向发展。 传统的过孔（through hole）与导通孔(via)互连的多层 PCB 板并不是满足这些密度要求的实用解 决方法。这促使高密度互连(HDI)如顺序积层法技术等替代方式的引进，同时对微通孔应用的需求 也在快速增长，预计这种趋势会不断持续。
有关的优化与整流方式相结合，得到了用于直流和 PPR 波形的独特的微通孔填充的产品。
工艺参数-化学品的影响
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电镀液的无机化学组分如下：硫酸铜、硫酸、氯化物，
研究他们彼此间与微通孔填充性能的关系，结果表明主要 的影响来自于硫酸铜的浓度。图 5 已显示浓度对填充效果 的影响。通常表明高一些的浓度可更多地提升微通孔填充 性能。
已被研发并推出市场，•该种对工热艺量具控相制当有多潜的在优帮势助：
所有的这些特性最终实现了使用更低的成本更可靠地增加线路密度的可能性。
这篇文章将描述主要工艺特性和逐级放大的研发及随后的过孔填铜生产时的铜填充效果。尽管所 涉及内容主要指向 MicroFill™ 系列产品范围，但所描述的大部分内容都适用于一般的过孔填 铜。
整平剂一般为含氮的杂环或非杂环芳香化合物，它作用为置换在高电流密度区域(突出部位)的光 亮剂种，来抑制突出部位的有效电镀率。
微通孔填充的机理
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在直流电电镀时，加速的微通孔填充 (如自底向上的填充)的机 理主要得益于有机添加剂的作用。因为表面积变小，微通孔中光 亮剂(加速剂)的浓度会显著增加。与表面的电镀沉积相比，这些 光亮剂浓度的局部增高加速微通孔内的电镀沉积，这与辅助剂种 的半选择性吸附提供的较大程度的表面抑制一起作用，导致相应 局部电镀率的区别进一步加大。图 3 为示意图。为加速自底向上 填充的发生，添加该系列产品时，应保持相互平衡且需在特定参 数范围内进行。
辅助剂，也指抑制剂，一般为分子量大的聚 氧-烷基化合物，辅助剂被吸附于阴极表面且 与氯离子配合在电镀区域起抑制作用。
光亮剂一般为分子量小的含硫化合物，可通 图 2. 不断增加光亮剂浓度的不同效果 过置换被吸附的辅助剂来增加电镀的反应强 度。光亮剂化合物可在电镀工作液中以几种形式存在。图 2 显示通过在酸性镀铜工作液中不断增 加光亮剂的浓度对效果的影响。
无机的成分包括二价铜离子(Cu2+)，硫酸及氯化物。
硫酸铜是溶液中铜离子的初始来源，在电镀时，溶液中的铜含量通过电镀时在阴阳极间建立起库 仑平衡来维持。阳极通常用与被电镀上去的金属相同的材料制成，并作为离子源，在这里所指的 金属为铜。
硫酸对溶液的整体导电性及减少阳极和阴极间的极化很有效。
氯离子与辅助剂(负载剂)一起作用来减低极性及协助改善沉积表面的高低形貌。使用消耗性的 (铜)阳极时，氯离子有助于阳极的腐蚀，生成均匀及有附着性的阳极膜。
微通孔填充的研发目标
产品研发的目标集中于在尽量减少基底表面 铜厚变化的同时最大程度地填充微通孔。填 孔率，是一种微通孔填充的计量方式，通常 用于评估工艺的效果及比较配方及工艺变量 的效果。请见图 1 的描述。
填孔率 = B/A x 100% 图 1 过孔填充率的定义
对于沉积厚度标称值为 25µ，激光穿孔深度为 50µ - 80µ，直径为 80µ - 120µ 的微通孔，常规目标性能的填孔率大于 80%。这个范围适用于大 部分当前生产中见到的微通孔的几何形状。
有机化合物
使用合适的添加剂可进一步改善沉积性能。 硫酸铜系统在没有添加剂的情况下操作生成 的镀层的物理性能一般不好。有机添加剂被 应用于改善颗粒的精细度、深镀能力、整平 能力及镀层的光亮度。通常酸性镀铜时使用 三种基本类型的添加剂：辅助剂、光亮剂及 整平剂。
含 5ml 辅助剂的铜储存液 添加 0.5ml 光亮剂 添加 1ml 光亮剂 添加 5mil 光亮剂
有机添加剂的选择 在 MicroFill™ 的研发过程中，对添加剂、辅助剂和整平剂的类别和组合进行了广泛的筛选以达
到微通孔填充的效果。候选材料通过调整无机化学组分的浓度作了进一步的优化。测试基材包括 50µ - 80µ 厚的 RCC 和 LDPP 绝缘材料上 CO2 和 UV 激光穿孔直径为 70µ - 130µ 的孔。
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电镀铜
很显然，微通孔槽内的电镀速率应比表面高，这样才能达到微通孔填充的效果，同样地，铜电解 液的性能对取得差异如此大的镀率非常重要。
用于电镀铜沉积的几种常规电解质由主要的铜抗衡电子定义，包括：氰化物、氟硼酸盐、磷酸盐 PCB 制造 时经常使用到。因此过孔电镀填充工艺的研发主要聚焦于硫酸铜系统，硫酸铜系统一般由硫酸 铜、硫酸、氯离子及相关的有机添加剂组成。