导通孔电镀铜填充技术 摘要：概述了下一代PCB用镀铜层导通孔填充技术。 关键词：导通孔填充;贯通孔填充;镀铜层，添加剂;智能电话 中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096(2012)05-0028-05 1·前言 为了适应高性能化和小型化的电子设备，PCB从20世纪90年代就迅速的扩大采用积层板。积层板的层间连接时不是通常的双面板或者多层板使用的贯通导通孔(Through Via，以下称为导通孔)。初期的积层板对于这种盲导通孔，使用通常的贯通孔镀液施行敷形(Conformal)电镀以后设置绝缘层，再形成上层电路，但是在这种构造中由于导通孔的正上方不能配置导通孔而剥夺了布线的自由度。 因此希望采用电胶填充导通孔即形成填充导通孔的导通孔上再叠加导通孔叠层导通孔构造(Via onVia)。为了形成填充导通孔，提出了填充导电性树脂的方法或者采用镀层填埋导通孔(镀层填充导通孔)的方法。但是CPU基板等要求微细线路的封装基板中利用半加成法的导体电路采用图形电镀法形成，电路形成以后填充导电性树脂非常苦难，因此诞生了镀层填充导通孔。 随着云计算机(Cloud Conputing)社会化的发展，以智能电话为代表的多功能移动终端发展迅速(图1)。这种智能电话实现多功能化的重要因素之一是采用了“镀铜层填充导通孔技术”，由于连接可靠性的提高，狭小节距化和导电性提高而适应高速化，低发热或者散热性和高密度安装性的要求，使设备性能飞跃提高。本文就下一代PCB用镀铜层填充导通孔技术加以叙述。
2· PCB用的电路形成方法 PCB用的电路形成方法大致有全板电镀法和图形电镀法两种。全板电镀法是进行一般的化学镀铜用作基体导电层，然后进行全面电镀铜，涂布抗蚀剂以后利用蚀剂形成电路的方法。这种方法称为减成法，它的优点是均镀性优良，蚀刻以后的线路顶部形状保持平坦。但是由于侧蚀的影响而引起线路变细现象，所以难以形成L/S=30μm/30μm以下的微细线路。 图形电镀法是无须电镀的部分预先复盖耐镀层DFR(Dry Film Photoresist)，没有复盖DFR的部分选择性析出镀层的方法，图形电镀以后剥离DFR，最后剥离基体的导电层。这种方法称为半加成法。理论上利用DFR可以控制图形的分辨率。但是由于线路疏密产生的电流集中或者分散而造成均镀性下降，存在着线路顶部的图形或者剥离基体导电层时发生的侧蚀等影响。 图2表示了减成法和半加成法的特征。由图2可知，减成法和半加成法各有其优缺点。最近由于电镀技术，蚀刻技术和抗蚀剂形成技术的进步而使电路形成方法的选择范围得以扩大，也为镀层填充导通孔技术奠定了基础。
3·镀层填充噢乖导通孔技术的概要 导通孔填充电镀的技术基础是利用CuSO4电镀所获得的优良整平性能。CuSO4电镀液的镀液组成和用途如表1所示，各种填充电镀液中，为了有效的供给导通孔内部的Cu2+，CuSO4?5H2O都设定为200 g/L以上。H2SO4旨在保持镀液的导电性，如果过量加入则会阻碍整平性，一般设定为100 g/L以下。 3.1添加剂的种类和作用原理 填充镀铜液的添加剂有Cl-，称为抑制剂的以聚乙二醇(PEG)为代表的聚醚化合物(聚合物)，成为光亮剂或者增速剂的有机硫系化合物(光亮剂)和称为整平剂的四级胺化合物。 聚合物采用醚基捕捉团之色图形状的镀液中的Cu+，成为聚阳离子的状态，由于与铜表面上特异吸附的Cl-的静电作用而形成单分子膜。聚合物的单分子膜提高了成为电沉积抵抗膜的阴极极化，广泛的抑制铜的析出，缓和贯通孔角部等引起的电流集中而提高均镀性能。 光亮剂在Cl-和聚合物存在下使析出粒子微细化，赋予镀层以光亮性和柔软性的效果。此外光亮剂对于CuSO4镀铜的优良整平作用也起着重要的作用。被镀物品浸渍于镀液时，光亮剂均匀吸附于镀件的平坦部和凹凸部，即使电镀开始的镀层上也没有取消，仍然残留在镀层表面上。结果随着镀层的成长，凹部的表面积变小而使光亮剂的吸附密度，平坦部与凹部产生吸附密度的产别。由于光亮剂具有电沉积促进作用，吸附密度高的凹部比平坦部促进了电沉积反应，从而获得了整平作用。 整平剂的吸附作用受到扩散的支配，不能获得充分扩散效果(扩散层厚)的凹部的整平剂吸附量少。搅拌效果高(扩散层薄)的凸部或者平坦不的整平剂吸附量变多。由于整平剂具有电沉积抑制作用，所以抑制了搅拌效果强的吸附量变多的凸部或者平坦的电沉积反应，从而获得了整平作用。综上所述，CuSO4电镀时这些添加剂的组合特别是光亮剂和整平剂的叠加效果，可以获得非常优良的整平性能，利用这种特征实现了镀层填充导通孔。
在半加成法所用的图形电镀中由于电路的大小和疏密而使电流分布不均匀，容易产生镀层厚度的波动。随着高密度化和小型化半导体IC的发展而使封装基板的线路微细化。根据高频传输特性的观点，改善图形电镀的镀层厚度分布性能是非常重要的课题。 3.2导通孔填充 导通孔填镀铜时，利用添加剂的作用抑制基板表面层(高电位部)的镀层析出，同时从导通孔底部(低电位部)优先析出镀层，如图3所示。导通孔镀层填充机理同样适应于贯通孔镀层填充。关于镀层填充的详细机理曾经有几何学说，扩散学说和记忆学说等各种说法，但是到目前为止尚无完全证明。根据经验添加剂对填充电镀技术的作用是显而易见的。
如上所述，填充镀铜用的添加剂大致由抑制剂和促进剂整合而成。抑制剂有2个系统，一是：以聚乙二醇(PEG)为代表的聚醚类，称为聚合物，二是以Janus Green B(JGB)为代表的阳离子系化合物，为区别起见，可以称为整平剂。促进剂有以双(3-磺基丙基)二硫醚?2Na盐(SPS，bis(3-Sufopropyl)disulfide?2Na)为代表的硫系化合物。镀铜层填充导通孔的性能取决于由这些添加剂的组合和适当的电镀条件。 3.3贯通孔填充 贯通孔填充的机理与导通孔填充的机理大致相同，即抑制表面层(高电位部)的镀层析出，促进低电位部的镀层析出，从而完成填充。所谓贯通孔的低电位部相当于贯通孔内部的中心附近。一般的贯通孔填充镀铜液中的抑制剂多于促进剂。由于基板表面层的添加剂浓度高于贯通孔内部，利用这种原理就会从贯通孔内的中央部(低电位部)优先析出镀层。如果从贯通孔内的中央部优先析出镀层，那么从相至孔壁成为的镀层表面就会相碰接触。这时的贯通孔正好形成上下面方面上的2个导通孔。以后的镀层填充机理与导通孔填充的自下而上(Bottomup)的原理相同，朝向开口部填充。这时所担心的事项就是贯通孔内的空洞化(Viod)。这是由于从贯通孔的上下面不能稳定的形成导通孔时而引起的不良现象，适当的管理基板表面层和中心部的添加剂浓度非常重要。因此除了添加剂浓度以外，搅拌的控制也是重要的因素。 图4表示了搅拌量的强弱时贯通孔填充的影响。由图4可知，当搅拌弱时，由于表面层附近的抑制剂供给不足，上下面形成导通孔以前开口部已经关闭而发生空洞，尤其是使用空气供给量较少的弱搅拌时更加如此。另一方面当强搅拌时，抑制剂的作用过度，从贯通孔的上下面上形成导通孔以后抑制了自下而上的填充，结果使镀层填充不能到达开口部。尤其是搅拌特别强时，更加抑制了贯通孔中心部的促进作用，以致于不能形成上下面的导通孔，成为敷形(Conformal)镀层析出。
由此可见，贯通孔填充时的管理比导通孔填充还要仔细。现在各个添加剂制造商发表了许多填充工艺，其中包括使用PR脉冲电源的特殊工艺。 3.4 PR脉冲电镀 为了提高添加剂的性能，有必要改善电镀方法等，例如周期性反脉冲(PPR，Periodic Pulse Reverse)电镀就是其中之一。在贯通孔电镀时，PR脉冲电镀具有提高均镀性的效果，有效的改善图形电镀的镀层厚度分布，尤其是改善电路截面的形状。然而当PPR电镀的反转电镀侧的条件强化时，由于蚀刻量的增加而有损于镀层外观，降低镀层的物理性能。 为了解决PPR电镀中镀层外观改善和防止镀层物理性能降低的课题，在PPR电镀时添加Cu+溶解促进成分而得以解决。图5表示了PPR电镀和Cu+溶解促进成分对图形电镀的镀层厚度分布的效果。由图5可见，随着PPR电镀的进行，镀层厚度分布比直流(DC)电镀大幅度改善。其中反转电镀时间为0.5毫秒(Msec)时获得了最佳的镀层厚度分布(图5(6))，但是在该反转电镀条件下镀层外观下降，这时如果添加剂Cu+溶解促进成分，则可恢复镀层外观(图5(7))，这就是说，反转脉冲电镀条件越强化，就越能发挥Cu+溶解促进成分的效果。
图6表示了Cu+溶解促进成分对导通孔填充性的效果。由图6可知，导通孔填充添加剂在直流电镀时表现出良好的导通孔填充性(图6(左))，但是实施PPR电镀时导通孔填充性有降低的倾向(图6(中))，当添加Cu+溶解促进成分进行PPR电镀时可以获得与直流电镀时几乎同等的导通孔填充性(图6(右))。 综上所述，Cu+溶解促进成分和导通孔填充用添加剂与PPR电镀的组合可以兼备镀层厚度分布改善，镀层外观良好和导通孔填充性优良的性能，是最有希望实现下一代封装基板用的导通孔填充电镀技术。 3.5添加剂的管理 填充镀铜液的添加剂管理一般采用电化学测量，即采用循环优安测量法(CVS，CyclicVoltammetric Stripping)分析添加剂的浓度，根据分析数值实施添加剂的现场管理，与一般酸性镀液或者高均镀性镀液相比，填充镀铜液要求非常严格的管理。填充镀铜液容易受到杂质等的影响，还受到DFR等从基板溶出的物质的影响。现在对填充镀铜的机理尚未充分认识的现状中往往有赖于经验的层面，除了CVS以外还兼用高性能液体色谱法(HPLC，High Performace Liquid Chromatography)或者总有机碳量(TOC，Total Organic Varbon)等的仪器分析法持续进行镀液的管理和不良解析。 3.6镀层填充的效果 图7表示了使用导电胶的内层制造方法。由图7可知，一般的芯层有6道制造工程，其中的“导电胶填充”和“研磨”工程中所需要的成本高，工程量也较多，所以不良的风险也较高。另外由于需要在敷形镀层(Conformal Plating)进行盖子镀(TentPlating)，使得铜的总厚度变厚，因此在后道的电路形成时存在着损害线路微细化等问题。如果使用省略图7的2~4工程的贯通孔填充电镀，则可解决上述问题。贯通孔镀铜填充时的优点如下。 (1)提高导电性和散热性。 (2)优于传统制造方法。 ①工程缩短。 (A)设备空间缩小; (B)制造成本降低。 ②省略覆盖镀的要求。 (A)微细线路形成; (B)减轻半蚀剂的负担。 ③流水线化(in line)。 (A)缩短由设计到产品形成的过程时间(Leadtime); (B)降低生产成本。 ④无须研磨工程。 (A)稳定尺寸精度; (B)提高合格率。 (3)适应于导通孔填充电镀。 具有对贯通孔和导通孔的电镀工艺共有的优点。 综上所述，利用镀铜(Cu)层填充技术的导通孔和贯通孔填充电镀是下一代PCB产业界降低成本和提高品质的重要工程方式。 4·今后的展望 近年来的填充镀铜中，导通孔填充镀铜的需要日益增长，特别是BGA(Ball Grid Array)基板中的叠层导通孔构造的增长，智能电话或者平板PC基板中的任意层(Any Layer)构造的增长尤为迅速。另外基带(Base Band)CPU等使用的CSP(Chip SizePackage)基板中，由于使用比BGA基板等尺寸小的贯通孔，所以贯通孔填充电镀的采用正在扩大。在这种背景下，随着多功能终端的世界性普及，今后必须解决下面的课题。 (1)表层的薄膜化：适应降低成本和细线化需要。 (2)面均性的提高：适应细线化和多层化需要。 (3)高生产化：降低成本和提高生产效率。 (4)提高可靠性和合格率：减低实发性凹陷比例，提高连接可靠性。 (5)与半导体领域的融合：嵌入，TSV和图块镀。 (6)散热对策：改善基板构造和图形设计。 5·结语 镀铜技术的发展对电子设备的性能提高贡献很大，今后还将期望着适应降低成本，环境友好和小型化的镀铜技术。今后的市场中，要求适应“高集成性”的存储器产业和适应“散热性”的LED和电动汽车产业的需要，因此导通孔和贯通孔的填充电镀技术将会要求添加剂的高级化和高性能化。 参考文献：略 |
