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摘要：電鍍填孔技術(shù)是實(shí)現(xiàn)封裝基板高密度互連的一種方法。傳統(tǒng)導(dǎo)電膠、樹脂都可以用來填孔，但電鍍填孔技術(shù)由于其工藝流程短、基板可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，正迅速用于CSP(芯片級封裝)、SIP(系統(tǒng)級封裝)等大規(guī)模集成電路封裝用封裝載板上。本文討論不同電鍍設(shè)備、操作條件和添加劑條件對填孔效果的影響。
關(guān)鍵詞：電鍍填孔 添加劑
前言
高端電子產(chǎn)品件短、薄、輕、小及高性能要求，使封裝載板在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上都發(fā)生了巨大變化。由于微孔電鍍填孔工藝提高了載板布線密度和運(yùn)行頻率，減少了信號延遲及失真，避免了采用樹脂、導(dǎo)電膠填孔造成的凹陷以及不同材料漲縮不勻造成的開裂及應(yīng)力現(xiàn)象，最終增加了載板的可靠性。電鍍填孔技術(shù)已成為業(yè)界熱門話題，下面將從影響填孔效果的諸多因素進(jìn)行分析，并從實(shí)驗(yàn)研究中得出一些結(jié)論供同行參考。
1 電鍍填孔影響因素
影響電鍍填孔質(zhì)量的因素很多，主要包括藥水組分、添加劑類型、電鍍設(shè)備及被填孔的幾何參數(shù)、孔的先期沉銅處理效果等。
1.1 槽液基本組分
填孔用電鍍槽液中。正是由于高濃度的銅含量，銅離子可以非常容易地?cái)U(kuò)散到孔底部位。同時，表面的銅離子與吸收劑和整平劑都導(dǎo)致孔底部銅的快速沉積。
圖1 硫酸鹽濃度與銅沉積速度關(guān)系
圖1比較了不同硫酸鹽濃度與銅沉積速度的關(guān)系。左圖示出當(dāng)酸的濃度降低時微孔底部沉積率會更大，而酸的濃度對板表面銅的沉積率沒有影響。右圖示出CU2+在不同酸離子濃度中的分布率。正是因?yàn)镠+強(qiáng)大的擴(kuò)散能力，當(dāng)增加H+濃度時，它取代了部分CU2+離子，因而使電鍍填孔的能力有所下降。
1.2 電流密度和槽液溫度
較小電流密度和較低槽液溫度可以抑制載板表面鍍銅的沉積，如果此時孔底部有充足的CU2+離子和光亮劑交換，則電鍍填孔能力將會更好，但在該種條件下生產(chǎn)將降低電鍍效率。
1.3 設(shè)備類型
電鍍填孔對設(shè)備的配置非常敏感。當(dāng)采用可溶性電極時，陽極會與添加劑產(chǎn)生副反應(yīng);而采用不可溶性電極時，由于水的電解將產(chǎn)生大量的氧，這又將耗費(fèi)大量添加劑;當(dāng)然，設(shè)備的攪拌必須穩(wěn)定和始終如一，不恰當(dāng)?shù)臄嚢枰矊?dǎo)致填孔品質(zhì)下降。
1.4 監(jiān)控添加劑產(chǎn)生的副產(chǎn)物
電鍍槽液的填孔能力下降表明鍍液中的副產(chǎn)物堆積過多。通過監(jiān)控添加劑的作用，并適時除去添加劑分解過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物非常重要。
2 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果
采用不同添加劑進(jìn)行電鍍填孔比較實(shí)驗(yàn)，得出了不同填空效果，如圖2所示。
圖2添加劑影響電鍍填孔(18ASF/60min)
其中：
?圖2(a)無添加劑。載板表面鍍層結(jié)晶結(jié)構(gòu)粗糙、厚度增大，微孔中有空洞產(chǎn)生。
?圖2(b)無光亮劑。載板表面鍍層有針孔，同時微孔中有空洞產(chǎn)生。
?圖2(c)無吸收劑。沒有從孔底部逐漸向上覆蓋電鍍銅的現(xiàn)象。
?圖2(d)無整平劑。表面鍍層粗糙有小鍍瘤，但電鍍填孔能力好。
?圖2(e)槽液中采用了各組分的合理匹配。很到完成了電鍍填孔。
再采用DOE方法，用孔直徑為4mil(約100微米)，深為2.5mil的孔分析相關(guān)因素對電鍍填孔能力(填孔率F/P)的影響(表1所示)。
表1 各因子的DOE實(shí)驗(yàn)結(jié)果
結(jié)果表明：
?CU2+/H+比。銅離子濃度在25～55g/l，酸的濃度在50～200g/l范圍，則更高的銅離子濃度和更低的酸濃度可得到更大的填孔率F/P。
?氯離子影響(CL-)。當(dāng)氯離子濃度在30～90ppm范圍時，F(xiàn)/P幾乎沒有什么變化。但光亮劑和吸收劑的作用，離開氯離子的參與就不能起到加速和抑制電鍍的作用，就不能完成電鍍填孔。
?攪拌影響。當(dāng)厚徑比小于1時，F(xiàn)/P填孔率幾乎不變，假如攪拌不恰當(dāng)，添加劑被吸收不均勻，則不良的電鍍結(jié)果將會出現(xiàn)在板的有孔那面。
?光亮劑影響。光亮劑的功能是去掉極性增加電鍍的交換電流密度，增加光亮劑的濃度將得到更好的填孔率F/P，光亮劑的主要功能是加速小電流密度處(比如孔底)的電鍍填孔效果。(因?yàn)楣饬羷┑臄U(kuò)散作用，在底部的濃度通常比在表面的濃度高)
?吸收劑影響。吸收劑和氯離子可以在陰極表面構(gòu)成一阻擋膜，它能抑制銅沉積的速度，但過量的吸收劑會影響其它添加劑作用，反而得到不良的電鍍效果。
?整平劑影響。主要的功能是提高電鍍結(jié)晶的晶粒結(jié)構(gòu)，但過量的整平劑將影響電鍍填孔。
?電流密度影響。小的電流密度將得到更好的填孔效果。
圖3電鍍填孔空洞研究
圖3示：電鍍填孔中的空洞研究結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中采用了不溶性電極。
圖3左圖表明從孔底逐漸上填的效果非常好。孔底部的沉積率(B)大于孔周邊沉積率(S)，B>S時，可以得到U形微切片效果。在恰當(dāng)?shù)臈l件下可以得到非常好的填充率(F/P)。
圖3中圖表明從孔底逐漸上填的效果正好處于關(guān)鍵點(diǎn)。孔底部的沉積率(B)幾乎等于孔四周沉積率(S)，得到了V形微切片效果。條件不恰當(dāng)時，可能會出現(xiàn)孔中空洞。
圖3右圖表明從孔底逐漸上填的機(jī)制消失了。此時，孔底部的沉積率(B)小于孔四周(S)，孔中出現(xiàn)空洞，孔口角落處出現(xiàn)狗骨頭形狀。此時，根本沒有填孔能力，銅在孔口角落的沉積速度比孔底部更快。
圖4反向脈沖電鍍(沒有添加劑)
圖4所示，在沒有添加劑但采用脈沖反向電流波形作用，同樣可以得到效果良好的電鍍填孔效果。如果使用了添加劑，則可以得到更好的銅沉積結(jié)果和更好的填充率F/P。無論如何，填孔所需的時間比正常電鍍所需的時間要長，采用特殊波形在沒有添加劑情況下，也能得到非常好的填孔效果。
