CN114836797B - 一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺，解决现有技术中的填孔时间长且浪费铜材料等问题。该工艺，包括1)通过脉冲电镀搭桥工序在通孔中间位置电镀铜搭桥，形成双面盲孔；2)直流填孔电镀工序在双面盲孔中电镀铜将双面盲孔填平；其中，在脉冲段采用带相位移的脉冲波形实现通孔中的桥接，线路板两板面(A面和B面)的波形一致，但存在90％～180％的相位差，且搭桥波形均包含一个1‑6秒的直流段，在完成搭桥后，电镀模式切换为直流电镀模式完成后续的盲孔填孔。

Description

一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺

技术领域

本发明涉及印制线路板制作技术领域，特别涉及一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺。

背景技术

随着PCB板向轻、薄、小及高密度互联的方向发展，产品越来越倾向于小型化，高密度化及可视化。为在有限的表面填装更多的元器件，促使设计趋向于向小孔径方面的发展，小孔径的发展也促使填孔工艺不断革新。目前通孔的填孔介质主要有三种：导电胶、树脂、纯铜。导电胶塞孔工艺复杂，流程较长，加工成本较高；树脂塞孔因树脂与基板材料膨胀系数不同存在很多品质风险。通孔电镀填孔相比导电胶填孔、树脂填孔具有许多优点，比如有利于设计叠孔和盘中孔、具有良好的热传导性能，有助于散热、良好的抗热冲击性能、产品的可靠性高、加工成本低等。正因为通孔填孔电镀技术可以提高布线的密度、产品的可靠性及降低加工成本等优点，在多层板、HDI板方面应用越来越广泛。

高密度互连是制造具有通孔的印刷电路板中的重要设计。这些装置的小型化依赖于较薄芯材、较小的线宽以及较小直径通孔的组合。通孔的直径一般在75μm到200μm范围内，通孔的厚度一般在100um-500um范围内。目前采用传统的直流电镀方式对通孔进行填孔处理，已变得越来越困难，首先该填孔模式效率低，比如针对孔径100um，板厚400um的通孔，其填孔时间约5h，大大影响客户端的产能；然后这种填孔模式容易造成微导通孔封孔和孔内形成空洞，即填孔不实，孔内的空洞会造成诸多品质问题，例如电阻增大导通不良，高温条件下爆孔等问题。

现有技术中，专利CN106961806A介绍了一种脉冲架桥加直流填充的填通孔方法：首先通过脉冲电镀搭桥工序在金属化后的通孔中间位置电镀铜搭桥，形成双面盲孔；随后通过整板填孔电镀工序在双面盲孔中电镀铜将双面盲孔填平；其中脉冲电镀搭桥过程采用深镀能力为300-500％的特种脉冲整流器进行脉冲电流电镀，以28ASF的电流密度全板电镀180min，在金属化后的通孔中间位置电镀铜搭桥，使通孔形成双面盲孔；接下来使用普通直流电镀，以25ASF的电流密度填孔电镀120min，在双面盲孔中电镀铜将双面盲孔填平；经过整板填孔电镀后，最终生产板上的表铜厚75-80μm，整个填充过程电镀脉冲架桥以及直流填孔时间为300mins(分钟)，耗时过长，极大降低了生产效率；另外镀厚总厚度达到75-80μm，造成金属铜材料的浪费，且该工艺形成的镀铜层厚度较厚，不利于线路细化，需要额外工序将镀层铜厚减薄，造成额外工序和铜材料的浪费；第三，该现有技术中脉冲电镀和直流电镀的电流密度是不同的，也就是两个阶段需要调整电流密度，增加工艺操作难度。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在采用脉冲搭桥配合直流填孔的形式完成对通孔填孔，解决现有技术中的填孔时间长且浪费铜材料等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺，包括如下步骤：

1)通过脉冲电镀搭桥工序在通孔中间位置电镀铜搭桥，形成双面盲孔；

2)直流填孔电镀工序在双面盲孔中电镀铜将双面盲孔填平；

其中，在脉冲段采用带相位移的脉冲波形实现通孔中的桥接，线路板两板面(A面和B面)的波形一致，但存在90％～180％的相位差，且搭桥波形均包含一个1-6秒的直流段，在完成搭桥后，电镀模式切换为直流电镀模式完成后续的盲孔填孔。

本发明中，搭桥是通孔填孔电镀工艺中的关键步骤，其波形参数如表1所示。

表1

如上表所示，首先是1-6秒的直流段，电流密度设定1-5ASD，然后是脉冲段，时间为1秒，正反电流比1：1～1：7，正向脉宽(ms)为10～200，反向脉宽(ms)为0.5～20。A面和B面必须有一定的相位差，范围在90％～180％。

更优的正反电流比为1：1.5～1：5，正向脉宽(ms)为20～100，反向脉宽(ms)为1～10。

所述步骤2)中，在完成搭桥后，直流电镀的电流密度范围为1ASD-2.5ASD。

进一步地，本发明中，通孔填孔电镀工艺中用到的电镀液包括如下浓度的组分：200～220g/L五水硫酸铜，40～60g/L硫酸，50～70mg/L氯离子、填通孔光亮剂1.0～1.5ml/L、填通孔湿润剂5～15ml/L、以及填通孔整平剂15～25ml/L；此填孔整平剂可以为咪唑衍生物或胺类化合物等物质同缩水甘油醚的聚合产物，也可以为硫脲衍生物以及染料。整平剂的填孔性能直接影响架桥后直流填孔阶段的最终填孔效果，本发明的整平剂优选为硫脲的衍生物，如N-甲基硫脲、亚乙基硫脲、二甲基氨基硫脲等配成的溶液，更为优选为N-甲基硫脲，整平剂在镀液中的浓度为50-200ppm，优选为100-150ppm。

在镀液中添加整平剂后，能够在本发明的电镀工艺带来的技术效果上进一步减少直流填平盲孔所需要的电镀时间和电镀铜厚度。能够在较薄的电镀铜厚度下获得优异的填充效果。从而进一步减少电镀时间和电镀铜厚，增加生产效益。

本发明的通孔填孔电镀工艺中用到的电镀液中，所述光亮剂选自N,N-二甲基二硫代氨基磺酸钠、聚二硫二丙烷磺酸钠、3-巯基丙烷磺酸钠、3-(苯并噻唑-2-巯基)丙烷磺酸钠盐。优选为聚二硫二丙烷磺酸钠，其在镀液中的浓度为5-20ppm，优选为10-15ppm。

本发明的通孔填孔电镀工艺中用到的电镀液中，所述润湿剂选自环氧乙烷/环氧丙烷共聚物，分子量500～6000，分子量优选为500-3000；其在镀液中的浓度为500-1500ppm，优选为1000ppm。

脉冲搭桥段以及盲孔填孔段的全部时间设定由材料的板厚及孔径决定。

相位移技术可以抑制表面铜生产，极大加快通孔中间铜生长，电镀后通孔中间的铜厚远远大于面铜厚度，比值大于100％，深镀能力极为出色，因此，本发明采用带相位移的脉冲波形参数进行脉冲架桥，能够获得更高的深镀能力，极大减少架桥脉冲波形的电流密度和电镀时间，架桥过程仅需要15ASF电镀150分钟。因此，本发明可用更短的电镀时间和电镀铜厚实现通孔中心位置的桥接，极大增加了生产效率并节约了铜材料。

另外，本发明在电镀液中引入填孔整平剂组分，在后续直流填盲孔过程中，由于整平剂的存在，盲孔的填充效果得到进一步加强和改进，能够在更短的时间内完成填孔，同时由于填孔整平剂的作用，面铜厚度更薄，只有50μm左右，而且电镀厚盲孔凹陷只有0～15μm，盲孔填平度更高。这样就进一步减少了直流填孔的电镀时间，降低了总的表铜厚度，在增加生产效率，节约铜材料的同时减少了后续处理减铜生产工序，更加有利于精细线路的制作。

此外，本发明中，脉冲架桥阶段和填盲孔中用到的电镀液是不用更换的，因此整平剂可以在脉冲架桥阶段就添加到电镀液中，带来的优势是通孔在脉冲电镀阶段完成架桥以在通孔的两端形成两个盲孔后，直接转为直流填孔制程，不需要将工件取出再放入另外的填孔电镀液中电镀，所有架桥和填孔制程均在一个电镀液中连续完成，可以节省非常多的时间并省去了多配一种电镀液的操作，节省生产成本；其中架桥脉冲波形由商用高端整流器提供。

本发明具有的有益效果为：

1)只需一种电镀液即可实现脉冲搭桥和后续的盲孔填孔，省时省力省成本；

2)电流密度高，效率高，针对孔径100um，板厚400um的通孔，其填孔时间约2.5H即可完成通孔的填充；

3)该电镀模式不会产生空洞，避免了诸多品质异常；

4)在镀液中引入填孔整平剂组分，在直流阶段具有更强的整平效果，由于整平剂的作用，通孔完成桥接转入直流过程后，通孔表面在电镀过程中抑制效果强，面铜厚度更薄(低于50微米)，只需要在直流段电镀20μm左右的铜厚即可将盲孔填平，而且盲孔凹陷只有0～15μm，盲孔填平度更高。进一步减少了直流填孔的电镀时间，降低了总的表铜厚度，在增加生产效率，节约铜材料的同时减少了后续处理减铜生产工序，更加有利于精细线路的制作。

附图说明

图1为本发明通孔填孔电镀的填孔过程图；

图2为本发明的脉冲搭桥段的脉冲波形参数图；

图3为对比实施例1的填通孔效果图；

图4为对比实施例2的搭桥的效果图；

图5为对比实施例2的填通孔效果图；

图6为实施例1的搭桥的效果图；

图7为实施例1后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图；

图8为实施例2的搭桥效果图；

图9为实施例2后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图；

图10为实施例3的搭桥效果图；

图11为实施例3后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图；

图12为实施例4的搭桥效果图；

图13为实施例4后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图。

具体实施方式

为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面对本发明作进一步的说明。

通孔填孔电镀的填孔过程如图1所示，步骤Ⅰ→Ⅳ为脉冲搭桥段，步骤Ⅳ→Ⅴ为直流填孔段。其中脉冲搭桥段采用一种相位移脉冲波形来实现通孔中的桥接，即线路板两端波形一致，但存在一定的相位差，且搭桥波形均包含一个1-6秒的直流步骤，以及数个脉冲单元，如图2所示。这些波形在通孔中心通过选择性电镀实现桥接，在完成搭桥后，电镀模式切换为直流模式完成后续的盲孔填孔。

对比实施例1

按照表2配制电镀液。

表2

针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。采用直流模式，电流密度：1.2ASD，电镀时间300min，搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图3为填通孔效果图。

对比实施例2

按照表2配制电镀液，针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。电镀采用脉冲模式(无相位移)，电流密度：2.5ASD，电镀时间180min，具体参数如表3所示；然后进行直流填孔电镀：电流密度：2.5ASD，电镀时间60min搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图4为架桥效果图，5为架桥后进行直流填孔后的通孔效果。

表3

实施例1

按照表2配制电镀液，针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。电镀采用本发明的脉冲搭桥电镀工艺，电流密度：1.5ASD，电镀时间150min，具体参数如表4所示，搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图6为搭桥的效果图，图7为后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图。

表4

实施例2

按照表2配制电镀液，针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。采用本发明的脉冲搭桥电镀工艺，电流密度：1.5ASD，电镀时间150min，具体参数如表5所示，搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图8为搭桥的效果图，图9为后续盲孔填充后最终通孔填平的效果图。

表5

将对比实施例1，对比实施例2，实施例1，实施例2的测试结果汇总于表6。

表6

由实验结果可见，使用相位移波形相比直流和脉冲有着更为优异的填通孔性能。通过前期相位移波形可以在较短的时间实现通孔的完美桥接，而且没有空洞等缺陷的产生，大大缩短了填通孔耗费的时间以及降低了镀铜的厚度。在提高可靠性的同时可以极大增加生产效率并降低金属材料的耗用。

下面采用脉冲搭桥工艺使用不同整平剂的填通孔效果进行对比。

实施例3

药水参数如表7所示。

表7

填孔整平剂A的制备方法：根据专利CN112795962A提供的方法合成，在装有冷凝器和温度计的100mL三颈烧瓶中，加3.82g(29.00mmol)正辛胺、1.43g(12.40mmol)N-甲基环己胺、30mL去离子水、10.08g(49.60mmol)1,4-丁二醇二缩水甘油醚，经过油浴加热，在55℃下搅拌反应1小时，用50％的稀硫酸调节反应体系pH值为7，再升至90℃搅拌反应10小时，停止反应，冷却至室温，用50％的稀硫酸调节反应体系pH值为2，得琥珀色溶液，无需纯化即可作为填孔整平剂A。

针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。采用本发明的脉冲搭桥电镀波形，电流密度：1.5ASD，电镀时间150min；其中脉冲架桥时间为100min，直流填孔时间为50mins，具体参数如表8所示，搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图10为搭桥的效果图，图11为后续盲孔填孔的效果图。

表8

实施例4

药水参数如表9所示。

表9

针对孔径为100um，板厚为400um的通孔进行电镀实验。采用本发明的脉冲搭桥电镀波形，电流密度：1.5ASD，电镀时间150min；其中脉冲架桥时间为100min，直流填孔时间为50mins，具体参数如表10所示，搅拌：喷流+空气搅拌，温度：25℃。图12为搭桥的效果图，图13为后续盲孔填孔的效果图。

表10

将实施例1，实施例2，实施例4，实施例4的测试结果汇总于表11。

表11

由表11可见，含有不同整平剂的电镀液在同样使用相位异脉冲波形进行通孔桥接均能获得优异的桥接效果，证明本发明的电镀工艺的优越性。在完成通孔桥接后，可以在通孔的两端形成两个盲孔，通孔填充过程进入直流填孔阶段。不同的整平剂体系获得的填孔效果不同，本发明使用的整平剂在相同的电镀时间内能够完成填通孔的最终平坦化，有着更小的凹陷。通过整平剂体系同相位移脉冲波形的结合可以实现更完美的通孔填充效果，在提高了填充效果的情况下保证了更优异的可靠性表现。从实施例1-4可看出，桥接段无空洞产生，质量好，且盲孔凹陷更低，盲孔填平性好。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于脉冲搭桥的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过脉冲电镀搭桥工序在通孔中间位置电镀铜搭桥，形成双面盲孔；

2)直流填孔电镀工序在双面盲孔中电镀铜将双面盲孔填平；

其中，在脉冲段采用带相位移的脉冲波形实现通孔中的桥接，线路板A面和B面的波形一致，相位差90％～180％，且搭桥波形均包含一个1-6秒的直流段，在完成搭桥后，电镀模式切换为直流电镀模式完成后续的盲孔填孔；

该工艺针对的是板厚为400um，孔径为100um的高厚径比的线路板。

2.根据权利要求1所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，搭桥波形参数如下表：

首先是1-6秒的直流段，电流密度设定1-5ASD，然后是脉冲段，时间为1秒，正反电流比1：1～1：7，正向脉宽(ms)为10～200，反向脉宽(ms)为0.5～20。

3.根据权利要求2所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，正反电流比为1：1.5～1：5，正向脉宽(ms)为20～100，反向脉宽(ms)为1～10。

4.根据权利要求1所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述步骤2)中，在完成搭桥后，直流电镀的电流密度范围为1ASD-2.5ASD。

5.根据权利要求1～4任一项所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，工艺中用到的电镀液包括如下浓度的组分：200～220g/L五水硫酸铜，40～60g/L硫酸，50～70mg/L氯离子、填通孔光亮剂1.0～1.5ml/L、填通孔润湿剂5～15ml/L、以及填通孔整平剂15～25ml/L。

6.根据权利要求5所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述整平剂为咪唑衍生物或胺类化合物同缩水甘油醚的聚合产物，或者硫脲衍生物，或者染料。

7.根据权利要求6所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，整平剂为N-甲基硫脲。

8.根据权利要求6所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，整平剂在镀液中的浓度为50-200ppm。

9.根据权利要求8所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，整平剂在镀液中的浓度为100-150ppm。

10.根据权利要求5所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述光亮剂选自N,N-二甲基二硫代氨基磺酸钠、聚二硫二丙烷磺酸钠、3-巯基丙烷磺酸钠、3-(苯并噻唑-2-巯基)丙烷磺酸钠盐；

光亮剂在镀液中的浓度为5-20ppm。

11.根据权利要求10所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠。

12.根据权利要求10所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，光亮剂在镀液中的浓度为10-15ppm。

13.根据权利要求5所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述润湿剂选自环氧乙烷/环氧丙烷共聚物，分子量500～6000；

润湿剂在镀液中的浓度为500-1500ppm。

14.根据权利要求13所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述润湿剂的分子量为500-3000。

15.根据权利要求14所述的通孔填孔电镀工艺，其特征在于，所述润湿剂在镀液中的浓度为1000ppm。