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电镀填孔工艺影响因素之探讨

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-17  浏览次数:782

1前言

电子产品的体积日趋轻薄短小,通盲孔上直接叠孔(via on Hole或Via on via)是获得高密度互连的设计方法。要做好叠孔,首先应将孔底平坦性做好。典型的平坦孔面的制作方法有好几种,电镀填孔(Via Filling Plating)工艺就是其中具有代表性的一种。

电镀填孔工艺除了可以减少额外制程开发的必要性,也与现行的工艺设备兼容,有利于获得良好的可靠性。

电镀填孔有以下几方面的优点:

(1)有利于设计叠孔(Stacked)和盘上孔(via.on.Pad):

(2)改善电气性能,有助于高频设计;

(3)有助于散热;

(4)塞孔和电气互连一步完成;

(5)盲孔内用电镀铜填满,可靠性更高,导电性能比导电胶更好。

电镀填孔是目前各PCB制造商和药水商研究的热门课题。Atotech、Shipley、奥野、伊希特化及Ebara等国外知名药水厂商都已推出自己的产品,抢占市场份额。

2电镀填孔的影响参数

电镀填孔工艺虽然已经研究了很多,但真正大规模生产尚有待时日。其中一个因素就是,电镀填孔的影响因素很多。如图1所示,电镀填孔的影响因素基本上可以分为三类:化学影响因素、物理影响因素与基板影响因素,其中化学影响因素又可以分为无机成分与有机添加剂。下面将就上述三种影响因素一一加以简单介绍。

2.1 化学影响因素

2.1.1 无机化学成分

无机化学成分包括铜(Cu2+)离子、硫酸和氯化物。

(1)硫酸铜。硫酸铜是镀液中铜离子的主要来源。镀液中铜离子通过阴极和阳极之间的库仑平衡,维持浓度不变。通常阳极材料和镀层材料是一样的,在这里铜既是阳极也是离子源。当然,阳极也可以采用不溶性阳极,Cu2+采用槽外溶解补加的方式,如采用纯铜角、CuO粉末、CuCO3等。但是,需要注意的是,采用槽外补加的方式,极易混入空气气泡,在低电流区使Cu2+处于超饱和临界状态,不易析出。值得注意的是,提高铜离子浓度对通孔分散能力有负面影响。

(2)硫酸。硫酸用于增强镀液的导电性,增加硫酸浓度可以降低槽液的电阻与提高电镀的效率。

但是如果填孔电镀过程中硫酸浓度增加,影响填孔的铜离子补充,将造成填孔不良。在填孔电镀时一般会使用低硫酸浓度系统,以期获得较好的填孔效果。

(3)酸铜比。传统的高酸低铜(Cw+:Ccu2+=8~13)体系适用于通孔电镀,电镀填孔应采用低酸高铜(Cw+:Ccu2+=3~10)镀液体系。这是因为为了获得良好的填孔效果,微导通孔内的电镀速率应大于基板表面的电镀速率,在这种情况下,与传统的电镀通孔的电镀溶液相比,溶液配方由高酸低铜改为低酸高铜,保证了凹陷处铜离子的供应无后顾之忧。

(4)氯离子。氯离子的作用主要是让铜离子与金属铜在双电层间形成稳定转换的电子传递桥梁。

在电镀过程中,氯离子在阳极可帮助均匀溶解咬蚀磷铜球,在阳极表面形成一层均匀的阳极膜。在阴极与抑制剂协同作用让铜离子稳定沉积,降低极化,使镀层精细。

另外,常规的氯离子分析是在紫外可见光分光光度计进行的,而由于电镀填孔镀液对氯离子浓度的要求较严格,同时硫酸铜镀液呈蓝色,对分光光度计的测量影响很大,所以应考虑采用自动电位滴定分析。

2、1.2有机添加剂

采用有机添加剂可以使镀层铜晶粒精细化,改善分散能力,使镀层光亮、整平。酸性镀铜液中添加剂类型主要有三种:载运剂(Carrier)、整平剂(Leveler)和光亮剂(Brightener)。

(1)载运剂。载运剂是高分子的聚醇类化合物。载运剂被阴极表面吸附,与氯离子一起作用抑制电镀速率,使高低电流区的差异降低(亦即增加极化电阻),让电镀铜能均匀的持续沉积。抑制剂同时可充当润湿剂,降低界面的表面张力(降低接触角),让镀液更容易进入孔内增加传质效果。在填孔电镀中,抑制剂也可以铜层均匀沉积。

(2)整平剂。整平剂通常是含氮有机物,主要功能是吸附在高电流密度区(凸起区或转角处),使该处的电镀速度趋缓但不影响低电流密度区(凹陷区)的电镀,借此来整平表面,是电镀时的必要添加剂。一般地,电镀填孔采用高铜低酸系统会使镀层粗糙,研究表明,加入整平剂可有效改善镀层不良的问题。

(3)光亮剂。光亮剂通常足含硫有机物,在电镀中主要作用是帮助铜离子加速在阴极还原,同时形成新的镀铜晶核(降低表面扩散沉积能量),使铜层结构变得更细致。光亮剂在填孔电镀中的另一个作用是,若孔内有较多的光亮剂分配比率,可以帮助盲孔孔内电镀铜迅速沉积。

对于激光盲孔的填孔电镀而言,三种添加剂全用,且整平剂的用量还要适当地提高,使在板面上较高电流区,形成整平剂与Cu2+竞争的局面,阻止面铜长快长厚。相对地,微导通孔中光亮剂分布较多的凹陷处有机会镀得快一点,这种理念与做法与IC镀铜制程的Demascene Copper Plating颇为相似。

2.2物理影响参数

需要研究的物理参数有:阳极类型、阴阳极间距、电流密度、搅动、温度、整流器和波形等。

(1)阳极类型。谈到阳极类型,不外乎是可溶性阳极与不溶性阳极。可溶性阳极通常是含磷铜球,容易产生阳极泥,污染镀液,影响镀液性能。不溶性阳极,亦称惰性阳极,一般是涂覆有钽和锆混合氧化物的钛网来组成。不溶性阳极,稳定性好,无需进行阳极维护,无阳极泥产生,脉冲或直流电镀均适用;不过,添加剂消耗量较大。

(2)阴阳极间距。电镀填孔工艺中阴极与阳极之间的间距设计是非常重要的,而且不同类型的设备的设计也不尽相同。不过,需要指出的是,不论如何设计,都不应违背法拉第定律。

(3)搅拌。搅拌的种类很多,有机械摇摆、电震动、气震动、空气搅拌、射流(Eductor)等。

对于电镀填孔,一般都倾向于在传统铜缸的配置基础上,增加射流设计。不过,究竟是底部喷流还是侧面射流,在缸内喷流管与空气搅拌管如何布局;每小时的射流量为多少;射流管与阴极间距多少;如果是采用侧面射流,则射流是在阳极前面还是后面;如果是采用底部射流,是否会造成搅拌不均匀,镀液搅拌上弱下强;射流管上射流的数量、间距、角度都是在铜缸设计时不得不考虑的因素,而且还要进行大量的试验。

另外,最理想的方式就是每根射流管都接入流量计,从而达到监控流量的目的。由于射流量大,溶液容易发热,所以温度控制也很重要。

(4)电流密度与温度。低电流密度和低温可以降低表面铜的沉积速率,同时提供足够的Cu2+和光亮剂到孔内。在这种条件下,填孔能力得以加强,但同时也降低了电镀效率。

(5)整流器。整流器是电镀工艺中的一个重要环节。目前,对于电镀填孔的研究多局限于全板电镀,若是考虑到图形电镀填孔,则阴极面积将变得很小。此时,对于整流器的输出精度提出了很高的要求。

整流器的输出精度的选择应依产品的线条和过孔的尺寸来定。线条愈细、孔愈小,对整流器的精度要求应更高。通常应选择输出精度在5%以内的整流器为宜。选择的整流器精度过高会增加设备的投资。

整流器的输出电缆配线,首先应将整流器尽量安放在镀槽边上,这样可以减少输出电缆的长度,减少脉冲电流上升时间。整流器输出电缆线规格的选择应满足在80%最大输出电流时输出电缆的线路压降在0.6V以内。通常是按2.5A/mm2的载流量来计算所需的电缆截面积。电缆的截面积过小或电缆长度过长、线路压降太大,会导致输出电流达不到生产所需的电流值。

对于槽宽大于1.6m的镀槽,应考虑采用双边进电的方式,并且双边电缆的长度应相等。这样,才能保证双边电流误差控制在一定范围内。镀槽上的每根飞巴的两面应各连接一台整流器,这样可以对镀件的两个面的电流分别予以调整。

(6)波形。目前,从波形角度来看,电镀填孔有脉冲电镀和直流电镀两种。这两种电镀填孔方式都已有人研究过。直流电镀填孔采用传统的整流器,操作方便,但是若在制板较厚,就无能为力了。脉冲电镀填孔采用。PPR整流器,操作步骤多,但对于较厚的在制板的加工能力强。

2.3基板的影响

基板对电镀填孔的影响也是不可忽视的,一般有介质层材料、孔形、厚径比、化学铜镀层等因素。

(1)介质层材料。介质层材料对填孔有影响。与玻纤增强材料相比,非玻璃增强材料更容易填孔。值得注意的是,孔内玻纤突出物对化学铜有不利的影响。在这种情况下,电镀填孔的难点在于提高化学镀层种子层(seed layer)的附着力,而非填孔工艺本身。

事实上,在玻纤增强基板上电镀填孔已经应用于实际生产中。

(2)孔形。如图2所示,左边的孔比右边的孔难填充得多。

(3)厚径比。目前针对不同形状,不同尺寸孔的填孔技术,不论是制造商还是开发商都对其非常重视。填孔能力受孔厚径比的影响很大。相对来讲,DC系统在商业上应用更多。在生产中,孔的尺寸范围将更窄,一般直径80gm~120gm,孔深40gm~80gm,厚径比不超过1:1。

(4)化学镀铜层。化学铜镀层的厚度、均匀性及化学镀铜后的放置时间都影响填孔性能。化学铜过薄或厚度不均,其填孔效果较差。通常,建议化学铜厚度>0.3um时进行填孔。另外,化学铜的氧化对填孔效果也有负面影响。

3结束语

以上主要是对电镀填孔影响因素做了一些最基本的探讨,另外一些因素并未提及。如镀液是否为非染料系的,因为非染料的药液稳定性好,不易形成有害的副产物。还有如阳极挡板设计,现在对电镀填孔的研究多集中在全板电镀,对于图形电镀填孔的研究还不多。当进行图形电镀时,为了保证电镀的均匀性,挡板设计就显得尤为重要,而挡板设计往往又是电镀设备制造商的专利。此外,由于图形电镀涉及到干膜,干膜对镀液性能有影响,所以,应对干膜做溶出实验,从而确定活性炭处理周期。

无论怎样,目前对于电镀填孔技术来讲,下面几项结论已为大家所接受:

(1)镀液配方。采用高铜低酸的电镀液配方,同时控制添加剂的比例,能保证镀层品质和填孔效果良好,有效的添加剂监控是非常重要的;

(2)电流密度和操作温度。低电流密度和低温可以降低表面铜的沉积速率,同时提供足够的Cuz’和光亮剂到孔内。在这种条件下,填孔能力得以加强,但同时也降低了电镀效率。

(3)设备类型。电镀填孔对设备的要求很高。

①采用可溶性阳极一一阳极的溶解可能导致添加剂的副反应。②采用不溶性阳极一一水电解会产生大量的氧气,过量消耗有机添加剂。③搅拌一一搅拌应稳定均匀。不恰当的搅拌不仅会引起填孔能力下降,而且还会导致镀层品质变差。④阴/阳极间距一一阴/阳极间距与挡板的设计应综合考虑,否则将导致电力线分布不均。

(4)添加剂副产物的监控。有机添加剂副产物积累过多的表现之一,就是填孔能力下降。应通过Hull槽或CVS有效控制镀液中的添加剂含量。批量生产时,如何有效除去添加剂的降解副产物非常重要。

(5)通、盲孔同时电镀,通孔的电镀深镀能力会受到影响。

总之,善用设备、药液、添加剂及操作参数,将是电镀填孔成功的关键。

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