CN107313085B - 一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子产业中电路板制造的应用领域，具体地说是一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，适用于高密度电路板铜电镀及相关电镀设备制造。该方法通过调整电镀液对流方式以达到添加剂最佳的吸附效果，将喷流器安装在具有程序化控制功能的转动装置上，通过控制喷射角度及对应时间来调节电镀液对流方式，从而建立与电镀液相匹配的对流方式，以达到最佳的电镀填充效果。本发明可以降低电镀工艺中电镀液成分的复杂性和依赖性，减少电镀液成本，同时降低添加剂监控、分析和补加的难度，提高工艺的可控性和稳定性。

Description

一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法
技术领域
本发明涉及微电子产业中电路板制造的应用领域，具体地说是一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，适用于高密度电路板铜电镀及相关电镀设备制造。
背景技术
集成电路元件的接点距离缩小，信号传送的速度则相对提高，随之而来的是接线数量的提高、点间配线的长度缩短，这就需要应用高密度线路配置及微孔技术来达成目标，即高密度电路板(HighDensity Interconnection，HDI)。BGA、CSP、DCA等零件组装方式的出现，更加促使印刷电路板推向前所未有的高密度程度。相对比传统的多层板，这种高密度电路板也被称为“增层式多层板”(Build Up Multilayer Board，BUM)。这类产品所制作出来的孔结构比以往的孔都要小很多，因此称这类产品的制作技术为“微孔制程”(Micro ViaProcess，MVP)。与传统的PCB板相比，HDI降低了成本，增加了线路密度，减小了封装尺寸，可靠度更佳。
微孔铜电镀填充是高密度电路板制造中最重要的工艺之一，其对电镀技术要求较高，填充组织不仅要避免孔洞、缝隙等缺陷，而且表面厚度和凹槽深度都要被严格限制在一定范围内，传统的镀铜技术无法达到工艺要求。一般而言，抑制剂、光亮剂和整平剂的选择以及合理配比通常成为解决问题的关键要素。另一方面，传统的垂直连续电镀(VCP)是最常见的电路板生产线，其中的喷流装置是满足孔内电镀填充的重要模块，因为它能够使药液在孔内充分对流，从而保证孔内铜离子得到及时补充，减小孔洞等缺陷的发生率。添加剂在孔内壁选择性和竞争性吸附可致使铜在微盲孔内“自底向上”沉积生长，这是实现“超填充”无孔洞化填充的根本条件。事实证明，对流条件对添加剂吸附行为具有决定性的作用，从而直接影响实际电镀填充效果。鉴于此，本发明提出一种通过程序化控制对流条件以达到添加剂最佳吸附效果，从而达到最佳填充效果的电镀方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，该方法可以实现“自底向上”电镀沉积模式，达到完全无孔洞化填充效果，具有最低的表面铜厚度和凹槽深度，电镀填充速度快和镀层均匀。
为了实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，包含如下步骤：
步骤1，配制电镀液的具体过程为：先配制包含100～300g/L的五水硫酸铜或甲基磺酸铜，10～100g/L的硫酸或甲基磺酸，以及20～100mg/L的氯离子、其余为水的基础镀液；再加入添加剂，添加剂为100～300mg/L的抑制剂、1～20mg/L的光亮剂和1～20mg/L的整平剂之一种或两种以上，搅拌均匀；
步骤2，电镀前，电路板的盲孔内进行化学镀和闪镀铜处理，形成的薄铜层作为电镀导电籽层，薄铜层的厚度为1～10μm；
步骤3，脱泡和预润湿处理；将电路板样品放入电镀槽内固定，使其完全浸泡在镀液中，并使样品正对喷射口，开启喷流装置进行喷流，以驱除盲孔内空气，使镀液进入盲孔内和对盲孔壁充分润湿；
步骤4，设定喷流装置的运转程序、喷射速度、电流密度，然后开始正式电镀，电流密度为1～10A/dm2，温度为：20～30℃，电镀时间为30～70min；
步骤5，电镀结束后，将电路板用去离子水冲洗干净，吹干；利用金刚石低速锯切割样品，环氧树脂包封样品后细磨和抛光，然后利用光学显微镜观察电镀填充效果。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，该方法对孔径为50～150μm，深度为30～120μm的盲孔电镀填充。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，抑制剂包含分子量为2000～20000的聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇中的一种或两种以上的组合，光亮剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、N,N-二甲基-二硫代氨甲酰丙基磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠、硫醇基丙烷磺酸钠的含硫化合物中的一种或两种以上的组合，整平剂包含健那绿B、硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物中的一种或两种以上的组合。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，步骤2化学镀和闪镀铜处理之前，首先利用除油剂进行清洗，随后用去离子水冲洗后烘干；然后再利用10wt％的稀盐酸溶液处理1～2分钟，除去氧化层，以避免镀层与电镀导电籽层间产生缺陷。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，将喷流装置的喷流器装配在转动装置上，该转动装置由伺服电机和控制模块组成，实现运转动作的程序化控制。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，喷流装置包括：电镀槽、联轴器、电机、喷流器、镀液出口管、镀液入口管、可溶性或不可溶性阳极、阴极、电机运转控制系统，具体结构如下：
喷流器的一端插设于电镀槽，喷流器的另一端通过联轴器与电机的输出端连接，电机的输入端与电机运转控制系统连接，由联轴器、电机、电机运转控制系统构成喷流器的转动装置，电机在电机运转控制系统的控制下，带动喷流器转动；阴极设置于电镀槽中，可溶性或不可溶性阳极设置于喷流器中，喷流器的下端设置镀液入口管，电镀槽的下端设置镀液出口管。
所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，控制电镀液对流方式，以达到电镀液添加剂的吸附效果，电镀液对流方式主要决定于喷流器的喷射速度和运转动作，喷射速度为0.5～1m/s，喷流装置的运转程序为：一个循环周期内的运转程序是由参量组成的单个或两个以上程序段组成，所编订的运转程序满足阴极板面喷射的对称性和均匀性；其中，代表喷射角度，t代表停滞时间。
本发明的设计思想是：
本发明将喷流器安装在具有程序化控制功能的转动装置上，通过控制喷射角度及对应时间来调节药水(电镀液)对流方式，从而建立与电镀液相匹配的对流方式，以达到添加剂的最佳吸附效果和最佳电镀填充效果。该技术可以降低电镀工艺中电镀液成分的复杂性和依赖性，减少电镀液成本，同时降低添加剂监控、分析和补加的难度，提高工艺的可控性和稳定性。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明通过调整喷流装置运转程序，从喷射角度和时间等方面改变电镀液在微孔中的喷流模式，从而建立与电镀液匹配的对流条件，有效提高HDI电镀填充效果。
2、本发明通过调整对流条件以适应电镀液的方法，可以拓宽电镀液添加剂的选择范围和使用条件，使电镀工艺降低对价格昂贵的特制电镀液的依赖性，大大降低电镀液成本。
3、本发明可以减少电镀液中添加剂种类或组合的复杂性，减小添加剂监控、分析和补加的难度，提高电镀工艺的可控性和稳定性。
4、本发明在生产中具有容易实现、成本低、可操作性强等优点。
附图说明
图1为本发明高密度电路板微孔电镀填铜喷流装置示意图；图中，1-电镀槽；2-联轴器；3-电机；4-喷流器；5-镀液出口管；6-镀液入口管；7-可溶性或不可溶性阳极；8-阴极；9-电机运转控制系统；10-喷流管；11-喷流孔。
图2为实施例1所采用的喷流器运转控制程序示意图；其中，横坐标t代表停滞时间，纵坐标代表喷射角度。
图3为实施例1获得的高密度电路板微孔电镀填铜的光学显微照片；
图4为实施例2所采用的喷流器运转控制程序示意图；其中，横坐标t代表停滞时间，纵坐标代表喷射角度。
图5为实施例2获得的高密度电路板微孔电镀填铜的光学显微照片；
图6为实施例3所采用的喷流器运转控制程序示意图；其中，横坐标t代表停滞时间，纵坐标代表喷射角度。
图7为实施例3获得的高密度电路板微孔电镀填铜的光学显微照片；
图8为实施例4所采用的喷流器运转控制程序示意图；其中，横坐标t代表停滞时间，纵坐标代表喷射角度。
图9为实施例4获得的高密度电路板微孔电镀填铜的光学显微照片。
具体实施方式
如图1所示，本发明高密度电路板微孔电镀填铜喷流装置，主要包括：电镀槽1、联轴器2、电机3(伺服电机)、喷流器4、镀液出口管5、镀液入口管6、可溶性或不可溶性阳极7、阴极8(预镀试件)、电机运转控制系统9(控制模块)等，具体结构如下：
喷流器4的一端插设于电镀槽1，喷流器4的另一端通过联轴器2与电机3的输出端连接，电机3的输入端与电机运转控制系统9连接，由联轴器2、电机3、电机运转控制系统9构成喷流器4的转动装置，电机3在电机运转控制系统9的控制下，带动喷流器4转动。阴极8设置于电镀槽1中，可溶性或不可溶性阳极7设置于喷流器4中，喷流器4的下端设置镀液入口管6，电镀槽1的下端设置镀液出口管5。喷流器4两侧倾斜、平行设置喷流管10，喷流管10上均布喷流孔11。
在具体实施过程中，本发明用于高密度电路板的微孔电镀填铜方法，包含如下步骤：
步骤1，配制电镀液的具体过程为：先配制包含100～300g/L的五水硫酸铜或甲基磺酸铜，10～100g/L的硫酸或甲基磺酸，以及20～100mg/L的氯离子、其余为水的基础镀液，再加入添加剂：100～300mg/L的抑制剂、1～20mg/L的光亮剂和1～20mg/L的整平剂，搅拌均匀。
抑制剂起到润湿和抑制镀层沉积的作用，同时起到细化晶粒的作用，在电场作用下能够抑制高电流密度区的铜沉积速率，该抑制剂包含分子量为2000～20000的聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇中的一种或两种以上的组合。光亮剂起到加快低电位区铜沉积速率、光亮和细化晶粒的作用，该光亮剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、N,N-二甲基-二硫代氨甲酰丙基磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠、硫醇基丙烷磺酸钠的含硫化合物中的一种或两种以上的组合。整平剂包含健那绿B、硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物中的一种或两种以上的组合。硫脲类化合物为硫脲、亚乙基硫脲、烯丙基硫脲、苯基硫脲、甲苯基硫脲或氯苯基硫脲或硫代乙酰胺，烷基吡啶类化合物为氯化十六烷基吡啶、4-吡咯烷基吡啶或溴化十四烷基吡啶。在不同的喷流条件下，抑制剂、光亮剂和整平剂协同作用，在孔内壁和表面发生选择性和竞争性的吸附行为，由此得到不同的孔电镀填充效果(从孔洞率、表面铜厚度及凹槽深度等方面评定)，从而建立起适应于该电镀液添加剂吸附的对流方式。
步骤2，电镀前，电路板的盲孔内已经进行化学镀和闪镀铜处理，形成的薄铜层作为电镀导电籽层；首先利用除油剂进行清洗，随后用去离子水冲洗后烘干；然后再利用10wt％的稀盐酸溶液处理1～2分钟，除去氧化层，以避免镀层与种子层(电镀导电籽层)间产生缺陷。
步骤3，脱泡和预润湿处理。将HDI样品放入电镀槽内固定，使其完全浸泡在镀液中，并使样品正对喷射口，开启高速喷流，以驱除孔内空气，使镀液进入孔内和对孔壁充分润湿。
步骤4，设定喷流装置的运转程序、喷射速度、电流密度等条件，然后开始正式电镀，电流密度为1～5A/dm2，温度为：20～30℃，电镀时间为30～70min。
步骤5，电镀结束后，将HDI用去离子水冲洗干净，吹干；利用金刚石低速锯切割样品，环氧树脂包封样品后细磨和抛光，然后利用光学显微镜观察电镀填充效果。
以上电镀方法适用于孔径为50～150μm，深度为30～120μm的微盲孔电镀填充；并且，可以根据不同添加剂的类型和孔的几何尺寸，选择相匹配的镀液对流模式，以达到最佳的电镀填充效果。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，电路板盲孔几何尺寸：100μm(直径)×50μm(深度)；如图2所示，以为参量的喷流装置运转程序，具体如下：喷射角度90°，持续10min。一个周期为10min，总电镀时间为1h。
预处理条件：在25L/min喷流条件下，浸泡5min。
基础镀液配比：200g/L的五水硫酸铜50g/L的硫酸，以及99mg/L的氯化钠，其余为水。
添加剂包括抑制剂、光亮剂和整平剂，抑制剂：光亮剂：整平剂＝100ppm:10ppm:5ppm。本实施例中，抑制剂为聚乙二醇、光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠、整平剂为健那绿B。
实验条件：温度＝25℃，流量＝15L/min，电流密度＝2A/dm2，电镀时间＝60min。
结果：如图3所示，实现完全填充，表面厚度约为25μm，凹槽深度为15μm。
实施例2
本实施例中，电路板盲孔几何尺寸：100μm(直径)×50μm(深度)；如图4所示，以为参量的喷流装置运转程序，具体如下：喷射角度45°，持续1min；喷射角度90°，持续2min；喷射角度135°，持续1min；喷射角度180°，持续1min；喷射角度-180°，持续1min；喷射角度-135°，持续1min；喷射角度-90°，持续2min；喷射角度-45°，持续1min。一个周期为10min，总电镀时间为1h。
预处理条件：在25L/min喷流条件下，浸泡5min。
基础镀液配比：200g/L的五水硫酸铜，50g/L的硫酸，以及99mg/L的氯化钠，其余为水。
添加剂包括抑制剂、光亮剂和整平剂，抑制剂：光亮剂：整平剂＝100ppm:10ppm:5ppm。本实施例中，抑制剂为聚乙二醇、光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠、整平剂为健那绿B。
实验条件：温度＝25℃，流量＝15L/min，电流密度＝2A/dm2，电镀时间＝60min。
结果：如图5所示，完全填充，内部无孔洞等缺陷，表面厚度约为15μm，凹槽深度为7μm。
实施例3
本实施例中，电路板盲孔几何尺寸：150μm(直径)×80μm(深度)；如图6所示，以为参量的喷流装置运转程序，具体如下：喷射角度0°，持续1min；喷射角度90°，持续3min；喷射角度180°，持续1min；喷射角度-180°，持续1min；喷射角度-90°，持续3min；喷射角度0°，持续1min。一个周期为10min，总电镀时间为1h。
预处理条件：在25L/min喷流条件下，浸泡5min。
基础镀液配比：200g/L的五水硫酸铜，50g/L的硫酸，以及99mg/L的氯化钠，其余为水。
添加剂包括抑制剂、光亮剂和整平剂，抑制剂：光亮剂：整平剂＝100ppm:10ppm:8ppm。本实施例中，抑制剂为聚丙二醇、光亮剂为苯基二硫丙烷磺酸钠、整平剂为硫脲。
实验条件：温度＝25℃，流量＝15L/min，电流密度＝2A/dm2，电镀时间＝70min。
结果：如图7所示，完全填充，内部无孔洞等缺陷，表面厚度约为20μm，凹槽深度为8μm。
实施例4
本实施例中，电路板盲孔几何尺寸：150μm(直径)×80μm(深度)；如图8所示，以为参量的喷流装置运转程序，具体如下：喷射角度90°，持续5min；喷射角度180°，持续5min。一个周期为10min，总电镀时间为1h。
预处理条件：在25L/min喷流条件下，浸泡5min。
基础镀液配比：200g/L的五水硫酸铜，50g/L的硫酸，以及99mg/L的氯化钠，其余为水。
添加剂包括抑制剂、光亮剂和整平剂，抑制剂：光亮剂：整平剂＝100ppm:10ppm:8ppm。本实施例中，抑制剂为聚丙二醇、光亮剂为苯基二硫丙烷磺酸钠、整平剂为硫脲。
实验条件：温度＝25℃，流量＝15L/min，电流密度＝2A/dm2，电镀时间＝70min。
结果：如图9所示，未实现完全填充，表面厚度约为20μm，凹槽深度为40μm。
以上实施例的详细描述，旨在便于理解本发明的技术方案的实质性特点，但上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域的技术人员阅读了以上内容之后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1，配制电镀液的具体过程为：先配制包含100～300g/L的五水硫酸铜或甲基磺酸铜，10～100g/L的硫酸或甲基磺酸，以及20～100mg/L的氯离子、其余为水的基础镀液；再加入添加剂，添加剂为100～300mg/L的抑制剂、1～20mg/L的光亮剂和1～20mg/L的整平剂之一种或两种以上，搅拌均匀；
步骤2，电镀前，电路板的盲孔内进行化学镀和闪镀铜处理，形成的薄铜层作为电镀导电籽层，薄铜层的厚度为1～10μm；
步骤3，脱泡和预润湿处理；将电路板样品放入电镀槽内固定，使其完全浸泡在镀液中，并使样品正对喷射口，开启喷流装置进行喷流，以驱除盲孔内空气，使镀液进入盲孔内和对盲孔壁充分润湿；
步骤4，设定喷流装置的运转程序、喷射速度、电流密度，然后开始正式电镀，电流密度为1～10A/dm2，温度为：20～30℃，电镀时间为30～70min；
步骤5，电镀结束后，将电路板用去离子水冲洗干净，吹干；利用金刚石低速锯切割样品，环氧树脂包封样品后细磨和抛光，然后利用光学显微镜观察电镀填充效果；
将喷流装置的喷流器装配在转动装置上，该转动装置由伺服电机和控制模块组成，实现运转动作的程序化控制；
喷流装置包括：电镀槽、联轴器、电机、喷流器、镀液出口管、镀液入口管、可溶性或不可溶性阳极、阴极、电机运转控制系统，具体结构如下：
喷流器的一端插设于电镀槽，喷流器的另一端通过联轴器与电机的输出端连接，电机的输入端与电机运转控制系统连接，由联轴器、电机、电机运转控制系统构成喷流器的转动装置，电机在电机运转控制系统的控制下，带动喷流器转动；阴极设置于电镀槽中，可溶性或不可溶性阳极设置于喷流器中，喷流器的下端设置镀液入口管，电镀槽的下端设置镀液出口管；
控制电镀液对流方式，以达到电镀液添加剂的吸附效果，电镀液对流方式主要决定于喷流器的喷射速度和运转动作，喷射速度为0.5～1m/s，喷流装置的运转程序为：一个循环周期内的运转程序是由参量组成的单个或两个以上程序段组成，所编订的运转程序满足阴极板面喷射的对称性和均匀性；其中，代表喷射角度，t代表停滞时间。
2.按照权利要求1所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，其特征在于，该方法对孔径为50～150μm，深度为30～120μm的盲孔电镀填充。
3.按照权利要求1所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，其特征在于，抑制剂包含分子量为2000～20000的聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇中的一种或两种以上的组合，光亮剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、N,N-二甲基-二硫代氨甲酰丙基磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠、硫醇基丙烷磺酸钠的含硫化合物中的一种或两种以上的组合，整平剂包含健那绿B、硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物中的一种或两种以上的组合。
4.按照权利要求1所述的高密度电路板中微细盲孔的铜电镀填充方法，其特征在于，步骤2化学镀和闪镀铜处理之前，首先利用除油剂进行清洗，随后用去离子水冲洗后烘干；然后再利用10wt％的稀盐酸溶液处理1～2分钟，除去氧化层，以避免镀层与电镀导电籽层间产生缺陷。
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