PCB电镀铜知识（2）：电镀铜填孔

2023-11-02陈苑明肖龙辉黎钦源

印制电路信息 2023年10期

陈苑明肖龙辉何为黎钦源

（1.电子科技大学材料与能源学院，四川成都 610054；2.珠海方正科技高密电子有限公司，广东珠海 519175；3.广州广合科技股份有限公司，广东广州 510730）

0 引言

本文主要介绍印制电路板（printed circuit board，PCB）的电镀铜相关知识，重点介绍微孔内电镀铜填孔。铜具有良好的导电性、导热性及较好的力学性能，且与其他金属可以形成金属间的键合作用，从而获得结合力强的界面，因此电镀铜被广泛应用于PCB 制造中。为了强化PCB 层与层之间的连接，增加孔上可连接或安装面积，通过采用孔内电镀铜填孔技术，包括盲孔和通孔等镀铜进行填孔。

1 盲孔镀铜填充

盲孔是一种特殊结构的沟槽，其填充体系和机理都与通孔电镀有一定区别。盲孔填充主要采用高铜低酸的镀液体系，而且在填充过程中只有一面孔口与镀液接触，填充过程中很容易出现空洞等缺陷。

盲孔的填充需要在保证面铜厚度变化不大的前提条件下，实现对孔内的充分填充，因此相同条件下，与通孔电镀相比，盲孔填充的难度更高，如图1和图2［1］所示。

图1 盲孔填充示意

图2 盲孔填铜在初始时刻的x-y 方向电流密度模拟结果［1］

盲孔填充主要分为3 种形式，分别是亚等角填充、等角填充和超等角填充。与通孔电镀类似，盲孔填充中同样存在孔底电流密度低于孔面电流密度的现象，如图3（a）所示，导致当孔面铜沉积速率较大、孔壁和孔底还来不及沉积铜时，即亚等角填充，此时盲孔的孔口就会被封住形成空洞，如图3（b）所示；如孔口和孔内的沉积速率接近，即等角填充，此时孔内可能会出现缝隙，如图3（c）所示。这2 种填充模式都会严重影响电子电路互连的可靠性和电气性能。超等角填充能够实现盲孔自下而上的均匀填充，能够得到无孔隙、空洞且填充均匀致密的高质量填充。因此，在盲孔填充的过程中，要尽可能使其填充模式接近超等角填充，这样才能实现良好的电气互连功能。然而，盲孔填充也会出现凸起缺陷，如图3（d）所示。这一般是由于不断沉积的微孔内表面导致加速剂吸附密度提升，因此要把控盲孔填充的时间和添加剂中加速剂的浓度，如图4（a）［2］和4（b）［3］所示。

图3 盲孔的理想填充以及3种常见的缺陷

图4 2种盲孔填充缺陷的金相切片［2-3］

对于盲孔填充的性能表征，用盲孔的凹陷度（dimpled）和填孔性能（filling performance，FP）fFP来表示，如图5所示。

图5 凹陷度和填孔性能计算示意

式中：h2为从盲孔的孔底到面板镀铜层的厚度；h1为盲孔的孔底到镀铜层最凹处的厚度。

凹陷度值越低、FP 值越高，则盲孔的填充效果越好。一般来说，凹陷度值＜15 μm，FP 值＞80%，才能满足PCB盲孔互连可靠性的要求。

2 通孔镀铜填充

通孔填充的机理与盲孔类似，如图6 所示［4］。在没有电镀添加剂作用时，在镀液传质和电流密度不均匀分布的影响下，铜会优先沉积在孔口处，这种沉积模式会导致孔口提前封口而在孔内留下空洞缺陷。在电镀添加剂的作用下，就会发生如图6 所示的沉积过程，即铜会优先沉积在通孔中间，然后形成上下2 个盲孔，相当于同时进行了2个盲孔的填充，即进行自下而上的超等角填充，进而实现通孔的填充。通孔填充的金相切片如图7所示［5］。