高密度互聯(lián)板（HDI）中全板電鍍工藝

前言

生產(chǎn)PCB板需求和發(fā)展趨勢(shì)，要求板面上的線寬和線距越來(lái)越小，在這種情形下，對(duì)PCB板制作技術(shù)提出了更高的要求，而在用電鍍銅的工藝在PCB板上制作或加厚銅導(dǎo)線，就其制作工藝本身來(lái)說(shuō)，只是生產(chǎn)PCB板中的一個(gè)工序而已，但這個(gè)工藝很重要，鍍銅層厚度分布、過(guò)孔孔壁鍍層缺陷、盲微孔填充等好壞直接影響到PCB板的質(zhì)量。同樣，電鍍的前處理（包括鉆孔、圖形轉(zhuǎn)移等工序）及電鍍后的蝕刻、去膜也影響到產(chǎn)品質(zhì)量。就其工藝流程而言，電鍍銅工藝首當(dāng)其沖，其施鍍參數(shù)必須優(yōu)化，才能確保在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量和后續(xù)產(chǎn)率提高，只有這樣，也只有這樣電鍍出高質(zhì)量的鍍層、過(guò)孔、盲微孔來(lái)，才能使PCB板在后續(xù)工序上的品質(zhì)有所保障。

傳統(tǒng)的PCB板鍍銅工藝，要么采用全板電鍍工藝，要么采用圖形電鍍工藝，對(duì)于高密度互聯(lián)板（HDI）來(lái)說(shuō)，不論單獨(dú)采用何種生產(chǎn)工藝，都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的。

在高密度互聯(lián)板（HDI）中采用全板電鍍工藝，其優(yōu)點(diǎn)如下：

1. 采用全板電鍍工藝沉積出來(lái)的板，表銅厚度分布均勻。（孔銅厚度與電鍍?cè)O(shè)備和工藝參數(shù)有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，采用全板電鍍，參數(shù)更容易優(yōu)化）。

2. 在前處理時(shí)，如果板面或孔內(nèi)殘留干膜，則在干膜存留的地方將鍍不上銅。

3. 根據(jù)全板電鍍鍍層厚度特點(diǎn)，易于調(diào)整電鍍后續(xù)蝕刻參數(shù)。

4. 相對(duì)說(shuō)來(lái)，全板電鍍上的線條剖截面不變或變化很小，這樣就保證了蝕刻后阻抗值嚴(yán)格符合產(chǎn)品要求。

然而，全板電鍍也有其缺點(diǎn):

1. NDI阻抗值依賴于圖形轉(zhuǎn)移（圖形的復(fù)雜性）及圖形電鍍工藝

2. 全板電鍍的鍍層是和基銅一起蝕刻，只留下線條部分不蝕刻，這樣就導(dǎo)致側(cè)蝕、幼線等品質(zhì)缺陷，尤其是高密互聯(lián)板（HDI）的高密線條部分蝕刻比孤線蝕刻慢，造成孤線過(guò)蝕就難以避免的了。

3. 全板電鍍后蝕刻時(shí)，PCB板上大面積的銅被蝕刻掉，增加了制作成本，同時(shí)蝕刻后大量的銅離子進(jìn)入廢液，導(dǎo)致環(huán)境污染和回收上的困難。

用圖形電鍍工藝替代全板電鍍有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 經(jīng)過(guò)圖形電鍍后，只有基銅被蝕刻掉，而圖像電鍍上銅鍍層并沒(méi)有蝕刻掉，這樣可以大大降低側(cè)蝕的風(fēng)險(xiǎn)

另一方面，用圖形電鍍替代全板電鍍的缺點(diǎn)如下：

1. 鍍層厚度公差取決于圖形電鍍，這將很難嚴(yán)格滿足產(chǎn)品對(duì)特征阻抗的要求。

2. 采用圖形電鍍技術(shù)來(lái)制作高密度互聯(lián)板HDI時(shí)，要求抗蝕劑（即干膜）有一定厚度（主要由孔銅厚度來(lái)決定，但抗蝕劑的厚度至少要大于孔銅的厚度，否則會(huì)出現(xiàn)凹沿現(xiàn)象，）加上間隙小，易產(chǎn)生顯影不凈等缺陷。同時(shí)還會(huì)造成強(qiáng)堿性退膜的困難，造成鍍層分離或部分脫落，在隨后蝕刻出現(xiàn)線條短線、缺口、變細(xì)等品質(zhì)缺陷。

3. 用圖形電鍍工藝取代全板電鍍工藝，施鍍前的圖形轉(zhuǎn)移制作的線寬和線距公差補(bǔ)償全憑經(jīng)驗(yàn)。

圖1：為PCB全板電鍍工藝和圖形電鍍工藝的對(duì)比

下圖表明：在圖形轉(zhuǎn)移工藝中，用光致抗蝕劑制作線寬大約為44 μm線條，然后在抗蝕層上進(jìn)行典型的圖形電鍍操作后，抗蝕層（干膜）很難退凈，直接影響到后續(xù)蝕刻工藝。

圖2：用圖形電鍍工藝制作高密度互聯(lián)板（HDI）時(shí)，

導(dǎo)致的夾膜（光致抗蝕層）

為了彌補(bǔ)兩種工藝各自的缺點(diǎn)，人們通常做法是，在高密度互聯(lián)板（HDI）生產(chǎn)中，先來(lái)個(gè)全板電鍍，之后再進(jìn)行圖形電鍍，這樣就把兩種電鍍銅工藝優(yōu)點(diǎn)合在一起，做到了優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，具體如下：

1. 在基銅上，用全板電鍍工藝鍍上一薄層銅，這樣在蝕刻時(shí)，只蝕刻基銅和全板電鍍上的一薄層。

2. 全板電鍍和圖形電鍍的電沉積層厚度可以根據(jù)實(shí)際需要予以調(diào)整，以使生產(chǎn)出來(lái)的高密度互聯(lián)板（HDI）滿足符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

3. 采用兩種鍍銅工藝比單獨(dú)采用全板電鍍工藝或圖形電鍍工藝在蝕刻時(shí)，各個(gè)參數(shù)更易優(yōu)化。

盡管整合全板電鍍工藝和圖形電鍍電鍍工藝，在制作高密度互聯(lián)板（HDI）時(shí)有上述不少優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處，具體如下：

1. 蝕刻的銅層仍然比在基銅直接圖形電鍍要厚。這樣在蝕刻時(shí)，側(cè)蝕仍然比較嚴(yán)重。

2. 整合兩種電鍍銅工藝比單獨(dú)采用全板電鍍工藝或圖形電鍍工藝在生產(chǎn)高密度互聯(lián)板（HDI）時(shí)，制作流程復(fù)雜，在這些流程中，潛在著更多的品質(zhì)問(wèn)題和處理難度問(wèn)題，其最終結(jié)局是導(dǎo)致產(chǎn)率下降。

為了達(dá)到客戶對(duì)高密度互聯(lián)板（HDI）線寬和線距更高的要求，在制作高密度互聯(lián)板時(shí)，最重要的一條是銅層總厚度在蝕刻后，線條寬度和線距達(dá)要達(dá)到規(guī)定的要求，為此，人們通常的是在薄的基銅（基銅厚度約3μm）板上用圖形電鍍的方法，在線寬為20μm的線條上鍍上30μm銅，對(duì)于IC集成板，往往是在預(yù)處理過(guò)的基材上，用化學(xué)銅工藝沉上0.7-1μm厚的銅，再進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移，用圖形電鍍出20-30μm的線條，之后在進(jìn)行閃蝕，閃蝕過(guò)程參數(shù)控制是至關(guān)重要的，它直接影響到后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3：閃蝕后集成電路板上線條的微小剖界面（加成法）

不論是采用全板電鍍工藝還是采用圖形電鍍工藝，抑或全板電鍍后再做圖形電鍍，鍍出的銅層厚度均勻性是很重要的 為了達(dá)到客戶規(guī)定的這些要求，是鍍液能持續(xù)不斷地提供電鍍所需的銅離子，使電鍍液中銅離子濃度始終穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，這就人們?cè)诓煌＠那闆r，也能及時(shí)補(bǔ)充銅離子至電鍍液，所用手段是采用不溶性磷銅陽(yáng)極，只有這樣才能持續(xù)不斷向電鍍液中補(bǔ)充電鍍所需的銅離子（這點(diǎn)，可以參詳文獻(xiàn)1），由于鍍液持續(xù)不斷工作，從上工序帶入雜質(zhì)（有機(jī)污染）及設(shè)備還原性鐵等金屬也進(jìn)入電鍍液，這就對(duì)電鍍液產(chǎn)生不同程度的污染，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也帶來(lái)隱患，為了提高電鍍出來(lái)產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)行電鍍液的保養(yǎng)是必需的，電鍍液保養(yǎng)包括碳處理和將鍍液過(guò)濾，做過(guò)濾和碳處理次數(shù)和量產(chǎn)相關(guān)的，不過(guò)，采用不溶性磷銅陽(yáng)極也有缺點(diǎn)。

1. 產(chǎn)生陽(yáng)極氧化膜，導(dǎo)致鍍液中的有機(jī)添加劑的過(guò)度消耗，縮短了鍍液的使用壽命。

2. 鍍液中的氣泡有可能影響到線路板的微孔電鍍銅層的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的可靠性。

3. 做陽(yáng)極氧化保養(yǎng)或鍍液進(jìn)行碳處理，增加了制作成本。

氧化膜清洗用高純度的水或用高純度的活性炭做碳處理，方能確保鍍液的質(zhì)量，通常，鍍液最常見(jiàn)的污染是氯離子超標(biāo)，正常施鍍要求氯離子的濃度控制在40-60 mg/l之間，超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)帶來(lái)不利后果，不過(guò)，選用優(yōu)質(zhì)不溶性磷銅陽(yáng)極可以減小陽(yáng)極氧化和碳處理的次數(shù)，而用劣質(zhì)低價(jià)的不溶性磷銅陽(yáng)極則不能。

高密度互聯(lián)板HDI生產(chǎn)設(shè)備特點(diǎn)

在高密度互聯(lián)板（HDI）產(chǎn)線成本居高不下的情況下，如何提高現(xiàn)有產(chǎn)線的產(chǎn)率問(wèn)題以及原材料價(jià)格，尤其是銅的價(jià)格上漲的情況下，如何在產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)實(shí)惠作出權(quán)衡也值得斟酌的。所有這些，都是高密度互聯(lián)板（HDI）制作商面臨和期待解決的問(wèn)題，具體如下：.

1. 采用電鍍工藝電出的鍍層厚度要均勻

2. 用高電流密度在薄基銅板上進(jìn)行施鍍的能力以及鍍銅層厚度均勻一致

3. 針對(duì)HDI的過(guò)孔、微孔等，要求鍍液有良好的分散能力

4. 針對(duì)HDI的過(guò)孔、微孔等，要求凹陷度在同類鍍液中是最小

5. 提高產(chǎn)出可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)備和施鍍電流密度加以改善

6. 無(wú)銅面污染、鍍出銅層粗糙度要小、鍍液污染低

7. 優(yōu)化的鍍液能把使薄芯板上的基銅控制在1-5μm之內(nèi)

為此，人們開(kāi)發(fā)出了水平電鍍線，它不是采用不溶性磷銅陽(yáng)極標(biāo)準(zhǔn)分布，而是采用分段式分布，這種分布的特點(diǎn)是在不同的電鍍段配上不同功率的整流器提供不同的電流密度，借以保證在薄基銅電出厚度均勻一致的鍍層。整流系統(tǒng)必須有提供穩(wěn)定直流電的能力或脈沖電鍍的能力，脈沖電鍍與傳統(tǒng)的直流相比，可提高鍍層的純度，降低鍍層孔隙率，改善鍍層的均勻性。脈沖電鍍屬于一種調(diào)制電流電鍍，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)通斷的直流電鍍，不過(guò)通斷周期是以毫秒計(jì)的。電流導(dǎo)通時(shí)的峰值電流相當(dāng)于普通電流的幾倍甚至數(shù)十倍，這個(gè)瞬間的高電流密度使金屬離子在極高的過(guò)電位下還原，從而得到晶粒細(xì)小、密度高、孔隙率低的鍍層，而在電流斷開(kāi)或反向的瞬間，則可以對(duì)鍍層和陰極雙電層內(nèi)的鍍液進(jìn)行調(diào)整，瞬間停止的電流使得外圍金屬離子迅速傳遞至陰極附近，使雙電層的離子得以補(bǔ)充，使氫或雜質(zhì)脫附返回鍍液，有助于提高鍍層純度和減小氫脆，瞬間的反向電流會(huì)是鍍層邊角過(guò)多的沉積物溶解，有利于提高鍍層厚度的均一性，脈沖電鍍的實(shí)現(xiàn)不僅需要一個(gè)工藝參數(shù)與鍍液匹配的脈沖電源，加強(qiáng)過(guò)濾振動(dòng)甚至超聲攪拌等等傳質(zhì)過(guò)程。

圖4：分段式陽(yáng)極優(yōu)化后的平面分布

（四段獨(dú)立控制不溶性磷銅陽(yáng)極分布）

圖5：大拼版薄板水平電鍍線用的高性能夾具

圖6 用夾具把一塊基銅3-5 μm板，放入分段式陽(yáng)極水平電鍍線中，將電流密度調(diào)整到9A/dm2，進(jìn)行試鍍后，試鍍結(jié)果表明表銅厚度分布均勻。圖6表明在一塊基銅為3-5μm板進(jìn)行試鍍后表銅厚度均勻，基本上無(wú)差異。

電鍍厚度分布均勻性首先依賴所采用電鍍?cè)O(shè)備、電鍍工藝及施鍍時(shí)的各參數(shù)設(shè)定，如上圖所示，是在各種優(yōu)化條件下、采用高電流密度的水平脈沖電流電鍍線在薄基銅電出的板（18 inch×24inch），除夾邊是從板邊15mm外，其他邊則是從板邊10mm內(nèi)測(cè)量的，測(cè)量結(jié)果表明，表銅厚度分布均勻，公差在±10%之內(nèi)，合格率基本上都在92%以上。

電鍍法填盲微孔

用電解質(zhì)電沉積填盲微孔已經(jīng)成為線路板行業(yè)在制作高密度互聯(lián)板HDI時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)方法，在使用該電鍍法填充微盲孔時(shí)，電流密度要足夠低，才能抑制Cu2+在非微孔處析出,（有關(guān)用電鍍法填盲孔的理論和應(yīng)用進(jìn)一步的討論，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)2）。對(duì)于制作高密度互聯(lián)板HDI來(lái)說(shuō)，要求電鍍時(shí)能任意地填充盲微孔的同時(shí)對(duì)精細(xì)線條無(wú)影響，采用的電鍍工藝要么用全板電鍍，要么用圖形電鍍。下圖便是用圖形電鍍工藝填充過(guò)孔生產(chǎn)出來(lái)集成電路板，在該例填充盲微孔時(shí)，采用不溶性磷銅陽(yáng)極的垂直直流電鍍線，優(yōu)化各電鍍參數(shù)，這樣確保表銅厚度分布均勻。

圖7：在集成電路板基材面用圖形電鍍工藝填充出來(lái)的盲微孔

對(duì)于手提式電子產(chǎn)品及集成電路板材面上過(guò)孔填充是不常用的，圖8 為一張有過(guò)孔微截面的典型PCB板，其上的過(guò)孔是用不溶性磷銅陽(yáng)極垂直電鍍線生產(chǎn)的（施鍍電流為1.5 A/dm2），結(jié)果表明，用垂直電鍍線填充的過(guò)孔跟用電鍍法填充微盲孔一樣好，且盲微孔填充的質(zhì)量和表銅厚度分布也和電鍍法填充微盲孔的質(zhì)量及表銅厚度分布無(wú)差異。

圖8：在一張PCB板上既有過(guò)孔填充，也有盲微孔填充

圖中板材厚度為1.2mm

盲孔孔徑為0.25 mm

將原有水平直流電鍍線在選擇合適電解質(zhì)參數(shù)和專用整平用的添加劑條件下，改裝為脈沖電鍍（施加強(qiáng)的反向脈沖電流）已成為制作高密度互聯(lián)板行業(yè)一種新工藝，用這種新工藝進(jìn)行超填充的盲微孔，可以使板面鍍層凹陷度控制在10 μm之內(nèi)。

圖9：水平脈沖電鍍線和特制電解質(zhì)超填充出來(lái)盲孔

測(cè)試結(jié)果：

盲孔直徑為170μm

盲孔深度為100μm

表銅電鍍層厚度為15μm

水平脈沖電鍍線（強(qiáng)反向脈沖電流密度）所用的電鍍液完全是按生產(chǎn)的實(shí)際需要配制的，這種電鍍液能平滑地將銅沉積在板面上，產(chǎn)品滿足可靠性要求。用這種工藝填充盲微孔、過(guò)孔，除鍍層面厚度分布均勻外（2.5μm），同時(shí)凹陷度要小，當(dāng)凹陷度達(dá)到±5μm，對(duì)于高質(zhì)量的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這將視為是不合格的。

圖10 ：整板表面微盲孔的微截面凹陷度分布圖.

用超填充電沉積方法填充過(guò)孔 （PCB板的插頭）

圖11. 為在PCB板面用超填充技術(shù)鍍出的通孔

銅箔厚度為：150μm

孔徑為：120μm

鍍層厚度為：24μm

凹陷度小于10μm

熱性沖擊實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電鍍工藝填過(guò)孔的高密度互聯(lián)板過(guò)孔，經(jīng)封裝制成芯板后能承受住熱沖擊循環(huán)，在一些情形下，例如在基材厚度60 μm 、基銅 5μm的板上，用電鍍工藝填直徑為100μm過(guò)孔來(lái)取代以往盲微孔也是可能，整個(gè)工藝再配上激光鉆孔后，生產(chǎn)成本降低了，產(chǎn)率也提高了。

總而言之：在水平電鍍線和垂直電鍍線中用不溶性磷銅陽(yáng)極電鍍工藝生產(chǎn)PCB板，能夠保證鍍層符合預(yù)定的要求，尤其適合手提式電子產(chǎn)品或集成電路板材產(chǎn)品為主的高密度互聯(lián)板（HDI）。這種工藝一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是，不斷向電鍍液提供穩(wěn)定的Cu2+離子，能使鍍液里的Cu2+離子濃度穩(wěn)定在某一水平，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間填充填充盲微孔非常有利的。而采用水平脈沖電流電鍍線，并調(diào)整鍍液參數(shù)和施鍍條件，是超填充高密度互聯(lián)板上的過(guò)孔全新工藝，這種工藝能在15 μm鍍層上順利地填充凹陷度小于10μm盲微孔，這種新開(kāi)發(fā)的工藝還能生產(chǎn)出線寬、線距50 μm板。且用全板電鍍工藝生產(chǎn)板，鍍層厚度相當(dāng)均勻的。據(jù)調(diào)查這種采用半加成法在薄基銅板電鍍銅來(lái)制作集成電路板材電路板變得非常流行，在整板面板上做化學(xué)銅首要任務(wù)改善沉銅液的成分、調(diào)整沉銅參數(shù)，以及沉銅前的圖形轉(zhuǎn)移和其后的盲孔填充，以及閃蝕參數(shù)和電鍍使用的抗蝕劑性能等.