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简析PCB先进脉沖电镀铜技术

简析PCB先进脉沖电镀铜技术 项华电子DXE
2022-03-16
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导读：东莞市项华电子科技有限公司始创于2014年8月。是一家专业PCB高端钻孔材料的制造企业。公司业务涉及研发、生产、批发、销售、服务于一体。

 

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摘要

Abstract /

脉冲电镀铜有高深度能力的特性，经由化学添加剂与物理脉冲波形的搭配，突破直流电镀深度能力的天花板。 脉冲电镀除了提高孔铜厚度、同时还可减少面铜电镀厚度，如此可减少耗铜量、有利于线路蚀刻，进而节约可观制造成本。随着此脉冲技术的蓬勃发展，现已广泛应用於消费性印刷电路板、 半导体测试板、基站板及伺服器厚板。

脉冲电镀有高深度能力、节约制造成本的优势。 但市面上的脉冲电镀流程多有柱状晶或折镀的现象，引发电镀铜信赖性的疑虑。更有甚者，断铜造成电路板报废及客户赔款。博力特应用材料特别针对此一问题做改善，经由添加剂的配方改良，以化学方法消弥了脉冲电镀物理上的致命缺陷。

本文将描述一些影响脉沖电镀銅的关键因素，与可以满足此一重要市场的性能評级。

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脉沖电镀机制 

绝大部分的电镀铜液皆以硫酸铜与硫酸为主要成分，兼具低成本与操作便利的特性。 此脉沖技术已被广泛应用在印刷电路板超过30年。

 

Periodic Pulse Plating, waveform

Current ratio 1:0.5 ~ 1:4.5

Time ratio 10:0.5, 20:1 ~ 200:10 ms

Chemical factor: absorption and desorption of organic

 
典型的硫酸系列电镀液成分包含硫酸铜（铜离子主要来源），硫酸（提供电镀液的电导性）和氯离子（作为抑制剂、鹽橋）。 在这些成分中，以硫酸浓度需超过200 g/L最具影响深度能力。
 
硫酸铜系统未使用添加剂，常导致镀层的物理特性不良. 有机添加剂通常由所谓光泽剂，抑制剂及平整剂所组成，目的是提升镀层的质量及可靠性。
 
载运剂通常是大分子量的聚合物与少量的氯结合，在镀层的表面形成薄膜，以减缓电镀的反应速度. 它缩短了结晶的时间，且相较无载运剂作用下 它使得所产生的结晶体更小. 载运剂的濃度比例相对较大（50-5000 mg/L），因而表现出对镀层表面的铜离子迁移不敏感。然而，若无额外的添加剂作用， 该配方所生成的镀层即无法有平整光亮的表面。
 
光泽剂通常是小分子量的含硫化合物，其可置换吸附的载运剂，以加速局部的电镀反应. 光泽剂的作用偏向于低电流密度区， 通常为凹陷的表面， 盲孔底部或是沟渠中. 光泽剂的作用是加速局部的电镀反应并形成细致的结晶体.  更新配方的光泽剂沒有柱狀晶的物理現象。
 
平整剂是进一步細化的添加剂. 激活选择性的抑制，通常以低浓度使用（<100 mg/L）. 在这样浓度较低的状况下， 相较于载运剂， 平整剂的作用更依赖于质传作用mass transfer 。反應機制：对隔离少的区域（如板面）的抑制作用要优于隔离区多的区域（孔的内壁及孔壁凹陷处）。
 

Pulse Plating for 

high aspect ratio application

 

1. e- migration
2. diffusion layer
3. mass transfer
4. waveform collaboration with chemical additives
5. optimized hardware
6. cost effective package

 

Pulse Plating for 

high-speed application

 

1. CuSO4 / H2SO4 composition
2. Cl- , as high concertation as high current density
3. Electronic behaviour of organics
4. Decent inorganics
5. Optimized waveform
6. Allocation of DC+PPR rectifiers

 

Reliability

 

1. Solder floating 288oC, 6 cycles
2. LLTS, 1000 cycles
3. AATS, 1000 cycles

 

大规模生产前的实验计划

 

在化学配方以及槽液组成以外，可影响電鍍的关键因素为版材状况，槽液流速，电流密度及电镀前处理流程。
孔形，起始导电层的厚度及均匀性，镀铜前表面的氧化程度及介电层的种类对电镀的表现影响极大. 一个有均匀平整的孔壁，无面铜凸悬及玻纤凸出，可促进晶种持续地生成及强化后续的深度能力表现. 无玻璃纤维补强的介电层亦较容易 提高深度能力. 较薄或不连续的晶种层降低鍍銅质量。

 

Following the mentioned factors as above, DOE before mass production is a must.
Conduct DOE depends on the hardware, chemical, plating vehicle and operation in field.

 

TP% of Pulse Plating

 

1. High aspect ratio : TP2>60% @ AR 40, 5.0mmt
2. High-Speed high volume : TP1>100% @ AR8, 2.0mmt
 


硬件

为了有更佳的电鍍表现， 垂直连续式及龙门式电镀设备搭配电镀脉沖制程时， 可依据制程特性来设计. 这包含了不溶解阳极及经过流体力学设计的喷嘴，再镀面上产生冲击式的流动. 相较于磷铜阳极，不溶解阳极有稳定的阳极面积而有较佳的电镀均匀性. 配合较高的槽液流量，不溶解阳极系统亦允许使用高的工作电流密度.
磷铜阳极最为广泛使用，脉冲电镀相较于直流电镀有较佳的深度能力，最直接节省的就是铜球耗量
考虑电镀填孔工艺中所有不同的参数，嚴謹的设计流程及选择电镀设备搭配新一代的脉沖电镀液，可提供用户优异的工艺能力及具有竞争力的生產成本 .

 

结论

 

新一代的脉沖电铜工艺较第一代的脉沖药水有更好的深度能力及可靠性表现，同时亦可满足板电及图形电镀的需求 . 结合新发展的电镀液及专门为脉沖制程设计的电镀设备/ 整流器，可满足现今及未来消費性电路板及高性能厚板的量产需求

 

陈宪昌， 技术长， 博力特应用材料 （东莞）

电子邮件：  15923375219@139.com

电话：15923375219


东莞博力特应用材料为电子化學品供应商, 包含电镀铜 光劑, 电镀锡添加劑, 清洁剂, 微蚀, 超粗化,  剝膜液 等产品。

 




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东莞市项华电子科技有限公司专注于PCB高端钻孔盖垫板的研发生产销售，目前垫板类专利产品:水性密胺垫板，研发类产品，新型复合垫板，超平复合垫板，超硬纸基板;盖板类:润滑铝片，覆膜铝片，背钻铝片等产品受到国内外好评
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