刘佳，陈际达,*，陈世金，郭茂桂，何为，李松松

（1.重庆大学化学化工学院，重庆 400044；2.博敏电子股份有限公司，广东 梅州 514000；3.电子科技大学，四川 成都 610054）

印制电路板电镀填盲孔的影响因素

刘佳1，陈际达1,*，陈世金2，郭茂桂2，何为3，李松松3

（1.重庆大学化学化工学院，重庆 400044；2.博敏电子股份有限公司，广东 梅州 514000；3.电子科技大学，四川 成都 610054）

以某公司电镀填盲孔的电镀液体系为研究对象，在500 mL哈林槽中模拟电镀线，系统地考察了电镀液配方(硫酸铜、硫酸、湿润剂、光亮剂、整平剂和氯离子的浓度以及添加剂相互作用)、电镀参数(电流密度和电镀时间)以及盲孔几何尺寸(深径比 0.6∶1和1.07∶1)等化学和物理因素对FR-4基材盲孔电镀填孔的影响。以盲孔填孔率、凹陷度、表层镀铜厚度等指标综合评价盲孔填孔效果并用金相显微镜观察孔的横截面。结果表明，在适宜的电镀条件下，该电镀液体系对印制电路板盲孔的填孔效果良好。但是，适宜的电镀参数和电镀液配方与盲孔几何尺寸显著相关。

印制电路板；盲孔；填孔；电镀；影响因素；凹陷度；厚度；尺寸

First-author’s address:Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 40044, China

电子产品向微型化、多功能化发展，要求印制电路板(PCB)必须可靠性好，密度化高。盲孔电镀填孔是实现印制电路板高可靠、高密度互连的重要技术之一，备受关注，研究广泛[1]。其基本原理是利用超等角(supper-filling)电沉积方式，即 bottom-up沉积模式对盲孔进行填充[1-2]。在此模式下，铜在盲孔底部的沉积速率大于其在板面上的沉积速率，从而实现无空洞、低凹陷度与低表层镀铜厚度的填充效果。虽然电镀填盲孔已广泛应用于印制电路板制造领域，但是如何实现高可靠、高密度印制电路板的盲孔电镀填孔，仍然是国内外的研究热点。

大量研究表明，影响盲孔填孔效果的因素很多，如电镀液配方(组成、浓度)[3-4]、电镀工艺参数[3-4]以及盲孔的几何尺寸[5-6]。本文以某公司电镀填盲孔的电镀液体系为研究对象，分析了影响填孔效果的主要因素，研究了该品牌电镀液体系对PCB盲孔填孔的有效性和适应性，为PCB生产线电镀填盲孔工艺提供指导。

1 实验

1. 1 材料与仪器

CuSO4·5H2O，分析纯；硫酸(96%)，分析纯；盐酸(36% ～ 38%)，分析纯；某公司电镀填盲孔的电镀液添加剂(包括光亮剂、湿润剂、整平剂)；FR4覆铜箔板，市售；蒸馏水，自制。

ML605GTWII-H CO2激光钻孔机，环球电路板设备有限公司；JH-PJA805219化学沉铜线，佳辉工业国际有限公司；PT-I-I垂直连续电镀线，富莱得科技；哈林槽，东莞产；RS13110直流整流器，JLINKE；ASIDA-YM22C金相切片研磨机，爱思达；ASIDA-JX22C金相显微镜，爱思达。

1. 2 填孔样板的制备

在介质层厚度分别为60 μm和80 μm的双面板上，用CO2激光钻机制作了孔径分别为75、100和125 μm的盲孔，经化学沉铜和闪镀，镀铜层厚度达到5 ～ 8 μm。将其裁成115 mm × 60 mm的试验板，经脱脂、水洗、微蚀、水洗、酸浸后备用。

1. 3 电镀

在500 mL的哈林槽中模拟电镀线对试验板进行盲孔填孔电镀。采用直流电镀，空气搅拌，阳极为不溶性阳极，阴阳极距离为10.5 cm。采用高铜低酸体系，镀液温度为23 °C。电镀配方为：CuSO4·5H2O 200 ～ 260 g/L，H2SO420 ～ 60 g/L，整平剂5 ～ 25 mL/L，光亮剂0 ～ 2 mL/L，湿润剂2 ～ 22 mL/L，Cl-30 ～ 70 mg/L。通过单因素试验考察了各因素对盲孔填孔效果的影响。

1. 4 盲孔填充效果表征

用金相显微镜观察抛磨后微盲孔的横截面。参照文献[7]，根据填孔电镀后盲孔是否有空洞等缺陷，以及凹陷度、表层镀铜厚度(简称铜厚)、填孔率3个参数表征填孔效果。一般要求控制凹陷度在15 μm以内[8]。在保证凹陷度满足生产要求的前提下铜厚尽量小[9]。

2 结果与讨论

2. 1 镀液配方对填孔效果的影响

以孔径100 μm、孔深60 μm的盲孔(深径比0.6∶1)为研究对象，考察电镀液成分及其浓度对填孔效果的影响。

2. 1. 1 硫酸铜的影响

硫酸铜是电镀液中铜离子的主要来源。在电镀填孔中，通常采用高铜低酸体系。硫酸铜浓度过低时，铜沉积速率较慢；浓度过高时，结晶颗粒增大并影响镀液的分散能力[10]。在H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-50 mg/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，考察了硫酸铜浓度与盲孔填孔效果的关系，见图1。由图1可见，凹陷度随硫酸铜质量浓度增加而降低。其从210 g/L增至260 g/L，填孔效果都很好，凹陷度约为零。增大到245 g/L和260 g/L时，填孔有凸出，出现过填孔现象，且CuSO4·5H2O易结晶析出。另一方面，铜厚几乎与硫酸铜浓度无关，为23 ～ 26 μm，说明在实验范围内，硫酸铜浓度几乎不影响铜厚。可见CuSO4·5H2O质量浓度在215 ～ 230 g/L为宜。

2. 1. 2 硫酸的影响

硫酸浓度是影响填孔效果的重要因素之一。增加硫酸浓度可提高电镀液的导电能力和分散能力，但浓度过高会使整平剂快速发生质子化作用而影响电镀效果，且会降低镀铜层的延展性[11]。而当硫酸浓度过低(＜30 g/L)时，盲孔填充模式为等角沉积，也不利于盲孔的填充。在CuSO4·5H2O 215 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-50 mg/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，硫酸浓度与盲孔填孔效果的关系如图2所示。由图2可见，当硫酸质量浓度大于30 g/L时，随其增加，铜厚的变化幅度不大，而凹陷度逐渐增大；当硫酸质量浓度为30 ～ 40 g/L时，凹陷度与镀铜层厚度均较小。故硫酸质量浓度在30 ～ 40 g/L最为合适。

2. 1. 3 湿润剂的影响

湿润剂是一种聚醇类的高分子化合物，作用是降低界面的表面张力，让溶液更容易进入孔内，增加传质效果[10]。但当其浓度过高时，阴极对其吸附过多将阻碍铜离子与阴极接触，使电沉积过程受阻[12]。同时，湿润剂与氯离子的协同作用会增加阴极极化度，从而降低沉积速率，故又称其为抑制剂。在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，光亮剂1.0 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-50 mg/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，湿润剂浓度与盲孔填孔效果的关系如图3所示。由图3可见，随湿润剂含量增加，凹陷度先减小后增大，当用量为12 mL/L时，凹陷度最小。而铜厚几乎与其浓度无关，均为23 ～ 25 μm，说明在实验范围内，湿润剂的用量几乎不影响铜厚。故湿润剂的用量在10 ～ 15 mL/L较为合适。

图1 硫酸铜浓度对凹陷度及铜厚的影响Figure 1 Effect of copper sulfate concentration on dimple and surface thickness of plated copper

图2 硫酸浓度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 2 Effect of sulfuric acid concentration on dimple and surface thickness of plated copper

2. 1. 4 光亮剂的影响

光亮剂是一种含硫的小分子化合物，作用是加速晶核形成，使晶核的产生速率大于晶粒的成长速率，促使结晶变细，从而提高镀层表面的光滑性[13]。同时，在氯离子的协助下它可以与铜离子形成配合物，降低表面阻抗，有利于铜在阴极表面电沉积。故光亮剂又被称为加速剂。增大光亮剂浓度对镀铜层表面的光亮度有一定提高，但含量过高将影响有机添加剂在盲孔内的分布规律[10]。在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-50 mg/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，光亮剂浓度与填孔效果的关系如图4所示。当光亮剂体积分数为0 mL/L，即电镀液中没有光亮剂时，凹陷度虽小于15 μm，但镀层表面粗糙。在0 ～ 2 mL/L时，凹陷度均小于8 μm，填孔效果都很好。当体积分数为1 mL/L时，凹陷度最小。而铜厚几乎与光亮剂用量无关，均在23 ～ 25 μm间，说明在实验范围内，光亮剂用量几乎不影响铜厚。所以，光亮剂体积分数在0.8 ～ 1.2 mL/L较合适。

图3 湿润剂浓度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 3 Effect of wetting agent concentration on dimple and surface thickness of plated copper

图4 光亮剂浓度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 4 Effect of brightener concentration on dimple and surface thickness of plated copper

2. 1. 5 整平剂的影响

整平剂是一种含氮的大分子杂环化合物，带正电，在阴极高电流密度区的孔口处与铜离子竞争电荷，从而抑制该处的电沉积，达到整平效果[13]。但当其浓度过高时，将阻碍光亮剂进入孔内，降低电流效率，增加生产成本。在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，Cl-50 mg/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，整平剂浓度与盲孔填孔效果的关系如图5所示。由图5可见，整平剂用量从5 mL/L增至15 mL/L时，凹陷度减小，从15 mL/L增至25 mL/L时，凹陷度增大。另一方面，铜厚几乎与整平剂的浓度无关，均为22 ～ 25 μm，说明在实验范围内，整平剂用量几乎不影响铜厚。故其用量在12 ～ 18 mL/L较合适。

2. 1. 6 Cl-的影响

在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，整平剂15 mL/L，电流密度1.7 A/dm2，电镀时间60 min的条件下，Cl-浓度与盲孔填孔效果的关系如图6所示。由图6可见，随Cl-质量浓度增加，凹陷度先减小后增大，Cl-质量浓度为60 mg/L时，凹陷度最小。事实上，Cl-浓度过高将导致在板面和孔底均出现抑制作用，无法实现盲孔填充。这可解释为：Cl-在铜离子与两电极的双电层间形成稳定的电子传递桥梁，同时其与湿润剂协同作用，增加了阴极极化度，抑制了铜离子的电沉积[10]。另一方面，氯离子协助光亮剂与铜离子形成配合物，降低表面阻抗，有利于铜在阴极表面电沉积。因此存在一个适宜的 Cl-浓度。另外，铜厚几乎与Cl-的浓度无关，均为23 ～ 26 μm，说明在实验范围内，其含量几乎不影响铜厚。所以，Cl-含量为55 ～ 65 mg/L较合适。

图5 整平剂浓度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 5 Effect of leveler concentration on dimple and surface thickness of plated copper

图6 Cl-浓度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 6 Effect of Cl-concentration on dimple and surface thickness of plated copper

2. 1. 7 添加剂间的相互协调作用

由单因素试验结果可知，在电镀填盲孔镀液体系中，湿润剂、光亮剂和整平剂分别具有“滋生”的功能，而Cl-与光亮剂、整平剂之间存在一定的协调作用[8,10]。以CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L为基础，采用电流密度1.7 A/dm2电镀60 min，考察了添加剂之间的协调作用。

表1为不同添加剂配方的电镀结果。只有配方2与配方5可使盲孔实现bottom-up填充，其他配方均不能实现盲孔超等角填充。使用配方2虽然可以实现盲孔超等角填充，但因缺失光亮剂，镀层表面较粗糙。当加入1 mL/L光亮剂时(配方5)，镀层表面变光滑，表明光亮剂可使结晶变细，提高镀层表面的光滑性。电镀液为配方3时，因缺失整平剂，盲孔填充为半超等角沉积，当加入15 mL/L整平剂时，盲孔填孔模式变为超等角沉积，表明整平剂可以增强光亮剂的加速作用与湿润剂的抑制作用。电镀液为配方4时，因缺失Cl-致使填充模式为等角沉积，且表面粗糙。当加入60 mg/L Cl-时，盲孔填孔模式变为超等角沉积，镀层表面变光滑，表明光亮剂和湿润剂必须在Cl-存在时才能发挥作用。电镀液为配方1时，因缺失湿润剂而导致盲孔的填充模式为亚等角沉积，且出现封孔现象。当加入12 mL/L湿润剂时，盲孔填孔模式变为等角沉积，表明湿润剂具有降低界面表面张力的作用，使溶液更容易进入孔内发挥各组分的作用。由此说明，盲孔超等角填充方式是通过各种添加剂的协同作用实现的，每一种添加剂都必不可少。

表1 不同电镀液添加剂配方下所得填充效果Table 1 Filling performances obtained with different additive formulations of bath

2. 2 电镀参数对填孔效果的影响

影响盲孔填孔效果的电镀参数包括电流密度、电镀时间、搅拌速率、镀液温度、设备类型等。鉴于哈林槽对模拟电镀条件的限制，本文只考察电流密度和时间这2个因素对填孔效果的影响。

2. 2. 1 电流密度的影响

电流密度对填充效果有重要的影响。在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-60 mg/L，电镀时间60 min的条件下，电流密度与盲孔填孔效果如图7所示。由图7可见，随电流密度增加，凹陷度减小，逐渐达到平衡。但是，当电流密度过高时，镀层的结晶松散，添加剂的作用削弱，甚至出现空洞[14]。这是因为在高电流密度下，孔内铜和添加剂的消耗速率大于更新速率，在镀液来不及补充的条件下，铜已快速沉积在板面而封口。另外，铜厚随电流密度的增大而增加。电流密度较小可避免产生空洞，但所需时间较长，效率显著降低。在实际生产中，一般要求在保证凹陷度满足生产要求的前提下铜厚尽量小。综合这2项指标和生产效率，最佳电流密度为1.6 ～ 1.8 A/dm2。

2. 2. 2 电镀时间的影响

镀铜填孔所需时间与电流密度密切相关。电流密度越大，对应的时间越短，效率越高。在CuSO4·5H2O 215 g/L，H2SO440 g/L，湿润剂12 mL/L，光亮剂1 mL/L，整平剂15 mL/L，Cl-60 mg/L，电流密度1.7 A/dm2的条件下，时间对盲孔填孔效果的影响如图8所示。随电镀时间延长，铜厚以0.4 μm/min的速率线性增大。凹陷度随时间增加而减小，当电镀时间为60 min时，凹陷度达到最小值，时间继续延长，凹陷度变化幅度不大。综合这2项指标及生产效率，最佳电镀时间为55 ～ 75 min。

图7 电流密度对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 7 Effect of current density on dimple and surface thickness of plated copper

图8 电镀时间对凹陷度及镀铜厚度的影响Figure 8 Effect of plating time on dimple and surface thickness of plated copper

基于上述单因素试验结果，对孔径100 μm、孔深60 μm的盲孔，其适宜的电镀工艺和配方(电镀条件1)为：电流密度1.6 ～ 1.8 A/dm2，电镀时间55 ～ 75 min，CuSO4·5H2O 215 ～ 230 g/L，H2SO430 ～ 40 g/L，湿润剂10 ～15 mL/L，光亮剂0.8 ～ 1.2 mL/L，整平剂12 ～ 18 mL/L，Cl-55 ～ 65 mg/L。

2. 3 不同尺寸盲孔的填孔效果

根据填孔电镀配方，在各因素的不同水平下，分别对孔径100 μm、孔深60 μm的盲孔1和孔径75 μm、孔深80 μm的盲孔2(深径比1.07∶1)进行填孔，其各自的填孔率变化如图9所示。由图9可见，对于孔径100 μm、孔深60 μm的盲孔，其电镀填盲孔的适宜工艺和镀液配方与上述单因素实验结果一致。对于孔径75 μm、孔深80 μm的盲孔，其电镀填盲孔的适宜条件(电镀条件2)为：电流密度1.4 ～ 1.7 A/dm2，电镀时间60 ～ 75 min，CuSO4·5H2O 215 ～ 230 g/L，H2SO440 ～ 50 g/L，湿润剂12 ～ 18 mL/L，光亮剂0.8 ～ 1.2 mL/L，整平剂12 ～ 20 mL/L，Cl-55 ～ 65 mg/L。

另外，2种尺寸的盲孔填孔率随各影响因素的变化总体趋势相似，但因厚径比存在差异，在各因素不同水平下其填孔率不相同，表明不同尺寸的盲孔所需电镀液各组分的浓度不同，电镀条件也不一样。为更好地说明这一点，分别在电镀条件1和电镀条件2下对不同几何尺寸的盲孔进行填孔电镀，结果见表2。由表2可见，电镀条件1和2均能较好地填充不同尺寸的盲孔，表明该电镀液体系适用于印制电路板盲孔填孔电镀。但在同一电镀条件下，不同尺寸的盲孔填孔效果不同。采用电镀条件1时，孔径100 μm、孔深60 μm的盲孔填孔效果最佳。而采用电镀条件2时，孔径75 μm、孔深80 μm的盲孔填孔效果最佳。当孔尺寸较小时，盲孔表面有凸起现象，填孔过度；当孔尺寸较大时，盲孔表面有凹陷，盲孔未填满，在相同的电镀条件下，控制板面铜厚的同时，越大的孔越不容易填充。这是因为盲孔体积的增大不利于添加剂在孔内外的平衡分布，且所需铜沉积量增加[5]。当盲孔孔径相同时，介质层厚度越大越难填充，这是因为电镀液在深孔中难以及时进行传递交换而影响填孔效果。盲孔的体积对药水的扩散交换和添加剂的浓度分布均会产生一定的影响[5]。不同尺寸的盲孔需要的电镀条件不同，盲孔的尺寸变化时，镀液中的组分浓度也应相应地变化。因此，在对盲孔进行填充时，应根据孔的几何尺寸选择合适的电镀条件，才能得到优良的填孔。

图9 填孔率随各个因素不同水平的变化Figure 9 Variations of filling rate at different levels of different factors

表2 不同尺寸的盲孔在不同电镀条件下的填孔效果Table 2 Filling performances of the blind microvias with different sizes under different electroplating conditions

3 结论

在电镀填盲孔过程中，除电镀参数与镀液配方对填孔效果有较大影响外，盲孔几何尺寸也有一定的影响。故针对不同尺寸的盲孔，在电镀过程中必须控制合适的电镀参数和各组分浓度才能获得良好的盲孔品质。

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[ 编辑：杜娟娟 ]

Influencing factors of blind via filling by electroplating in printed circuit board

LIU Jia, CHEN Ji-da*, CHEN Shi-jin, GUO Mao-gui, HE Wei, LI Song-song

The influences of physical and chemical factors such as bath formulation (concentrations of copper sulfate, sulfuric acid, wetting agent, brightener, leveling agent, and chloride ion, and interaction among additives), operation parameters (current density and plating time), and ageometric size (depth-to-diameter ratio 0.6：1 and 1.07：1) on blind via filling on FR-4 substrate were discussed systematically based on a company’s electroplating electrolyte in a 500 mL Haring cell simulating the electroplating production line. The filling performance was evaluated comprehensively with respect to filling rate, dimple, and thickness of surface copper layer. The cross sections of the holes were observed by metallographic microscope. The experimental results showed that good filling performances of blind vias can be obtained with this electroplating electrolyte under suitable conditions. However, appropriate electroplating parameters and bath formulation are significantly related to the geometric size of blind microvias.

printed circuit board; blind via; filling; electroplating; influential factor; dimple; thickness; dimension

TN41; TQ153.1

A

1004 - 227X (2015) 15 - 0839 - 07

2015-06-04

2015-06-25

广东省教育部产学研结合项目（2012A090300007）。

刘佳（1989-），女，山西忻州人，在读硕士研究生，主要研究方向为PCB新技术。

陈际达，博士，教授，(E-mail) chencqu@cqu.edu.cn。