脉冲电镀复合波形对孔铜和拐角铜深镀能力的影响.pdf

87PCB InformationMAR.2024 NO.2莫晓锰 陈正军(江西博泉化学有限公司，江西 吉安 3 3 1 6 0 3)孔生产板，提高电镀的深镀能力的重要办法是采用脉冲电镀技术。随着脉冲技术的应用发展，我们会发现生产板因脉冲波形的设置不合理会导致有孔中铜厚不足或孔口拐角铜厚不足产生的孔口凹陷、外层线路凸起问题，甚至出现因拐角铜厚偏薄导致热冲击测试有在印制电路板孔金属化工艺中，对于高厚径比通脉冲电镀复合波形对孔铜和拐角铜深镀能力的影响Effect of pulse electroplating composite waveform on deep plating ability of hole copper and corner copperMo Xiaomeng,Chen Zhengjun【摘要】本文介绍脉冲电镀复合波形参数对通孔板孔中铜厚和拐角铜厚深镀能力的影响，通过对单一波形和复合波形进行对比研究发现复合波形取得的深镀能力比单一波形更好。同时对复合波形中的反向电流和正反向脉冲宽度(时间)对通孔的镀通率做了详细探究，调整复合波形控制脉冲电镀过程中反向电流的大小和正反脉冲宽度(时间)，能够调节高厚径比通孔的孔中铜厚和拐角铜厚的深镀能力，其中随着反向电流的增大，孔中铜厚深镀能力逐渐提高，但拐角铜厚深镀能力会有所降低；而随着正反脉冲宽度增加，拐角铜厚深镀能力逐渐降低，但孔中铜厚深镀能力会呈现先增加再降低的抛物线趋势。A b s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e e f f e c t o f p u l s e e l e c t r o p l a t i n g c o mp o s i t e wa v e f o r m p a r a me t e r s o n t h e d e e p p l a t i n g a b i l i t y o f c o p p e r t h i c k n e s s a n d c o r n e r c o p p e r t h i c k n e s s i n t h r o u g h h o l e p l a t e.T h r o u g h c o mp a r a t i v e s t u d y o f s i n g l e wa v e f o r m a n d c o mp o s i t e wa v e f o r m,i t i s f o u n d t h a t t h e d e e p p l a t i n g a b i l i t y o f c o mp o s i t e wa v e f o r m i s b e t t e r t h a n t h a t o f s i n g l e wa v e f o r m.A t t h e s a me t i me,t h e r e v e r s e c u r r e n t a n d p o s i t i v e a n d n e g a t i v e p u l s e wi d t h (t i me)i n t h e c o mp o s i t e wa v e f o r m a r e s t u d i e d i n d e t a i l.B y a d j u s t i n g t h e r e v e r s e c u r r e n t a n d p o s i t i v e a n d n e g a t i v e p u l s e wi d t h (t i me)i n t h e p u l s e e l e c t r o p l a t i n g p r o c e s s,t h e d e e p p l a t i n g a b i l i t y o f t h e c o p p e r t h i c k n e s s i n t h e h o l e a n d t h e c o r n e r c o p p e r t h i c k n e s s c a n b e a d j u s t e d.Wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e r e v e r s e c u r r e n t,t h e c o p p e r t h i c k n e s s a n d d e e p p l a t i n g a b i l i t y i n t h e h o l e g r a d u a l l y i n c r e a s e s,b u t t h e c o p p e r t h i c k n e s s a n d d e e p p l a t i n g a b i l i t y a t t h e c o r n e r d e c r e a s e s.Wi t h t h e i n c r e a s e o f p u l s e wi d t h,t h e c o p p e r t h i c k n e s s a n d d e e p p l a t i n g a b i l i t y a t t h e c o r n e r d e c r e a s e d g r a d u a l l y,b u t t h e c o p p e r t h i c k n e s s a n d d e e p p l a t i n g a b i l i t y i n t h e h o l e s h o we d a p a r a b o l i c t r e n d o f f i r s t i n c r e a s i n g a n d t h e n d e c r e a s i n g.【关键词】脉冲电镀；复合波形；深镀能力；孔口凹陷；脉冲宽度K e y Wo r d s P u l s e e l e c t r o p l a t i n g c o mp o s i t e wa v e f o r m;D e e p p l a t i n g a b i l i t y;C o r n e r c o p p e r t h i c k;P u l s e wi d t h.第一作者简介：莫晓锰，出生于 1991 年，广东石油化工学院本科毕业，担任于江西博泉化学有限公司工程师，主要研究方向为 PCB 电镀相关技术。0 前言2024年3月第2期88孔角断铜和裂纹的严重可靠性异常。脉冲波形指脉冲电镀时出现正向电流和反向电流周期。在正向电流周期，光亮剂和承载剂吸附于镀铜板表面，在反向电流周期，高电位的光亮剂会从镀铜板表面回归电镀液。在下一个正向电流周期，光亮剂再吸附于镀铜板表面，因承载剂的能增加极化效果，导致低电流密度区域光亮剂浓度增加，镀铜速率加快，结果令低电位区电镀速度增加和表面铜厚减小，使得高纵横比孔内厚度增加，深镀能力提升。在施加强大的反向电流后，板子带正电荷，从而导致载体分子的负电荷面向板面，在高电流区域(如孔拐角)，载体分子极化更多且吸附更厚，因此在高电流区域产生强烈的极化作用。反向电流完成后，整流器重新回到正向电流，板面和孔角被极化为带负电荷，特别是高电流区域。由于载运剂分子体积和重量大，它能够使高电流区域在停留较长一段时间极化状态。实际结果便是在孔内和低电流密度区的电镀速度被加快，在表面和高电流密度区的电镀速度被减慢，进而使高厚径比通孔的孔中铜厚度接近甚至超过表面镀铜层的厚度。1.1实验条件测试是在一个 200L 的脉冲电镀中试槽线上实施的，试验板尺寸为 250mm*250mm，采用三种不同的板厚，分别为1.6mm、2.0mm、2.4mm；厚径比分别对应为6.4:1、10:1、12:1。测试槽模拟龙门线脉冲铜缸装有温度自动控制系统，两面侧喷循环量为 18L/min，副槽配置打气和搅拌装置，配置脉冲整流机，脉冲添加剂使用“博泉化学脉冲电镀 PCP365 系列产品”，镀铜缸各成份药水浓度控制如下表 1 所示。计算方式为：孔中 TP=(B3+B4)2/(A1+A2+A3+A4)4100拐角TP=(C1+C2+C3+C4)4/(A1+A2+A3+A4)4100表 1 镀铜缸各成份药水浓度控制表 2 单一波形脉冲参数铜缸各成份硫酸铜/(g/L)硫酸/(g/L)氯离子/p p m3 6 5 A承载剂/(ml/L)3 6 5 B光亮剂/(ml/L)控制值7 02 4 07 01 6.00.9第一波段第二波段第三波段第四波段工作时间/mi n电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms第一阶段2.700000005.0 第二阶段2.74 0-5.420000 5 5.0 第三阶段2.700 00000 1 0.0 1实验部分1.2孔铜深镀能力和拐角深镀能力的说明采用金相切片的方法测量脉冲电镀试验板的深镀能力，如图 1 所示。本文用孔中 TP 表征通孔孔中铜厚的深镀能力，拐角 TP 表征孔口拐角铜厚的深镀能力，图 1电镀试验板深镀能力取点示意图图 2 单一脉冲波形正反向电流作用示意图1.3单一波形与复合波形设计说明传统脉冲波形设置为单一波形形式，化铜流程板第一阶段起镀用直流镀铜 5min，第二阶段用脉冲正反电流比 1:2，正反脉冲宽度时间比 40ms:2ms，镀铜55min，第三阶段用直流镀铜10min结束，如下表2所示；单一脉冲波形正反向 xz 电流作用示意图如下图 2 所示。89PCB InformationMAR.2024 NO.2复合波形的形式则是由两个或两个以上单一波形组合而成，在第二阶段用脉冲正反电流比 1:2、正反脉冲宽度时间比 40ms:2ms 和正反电流比 1:1.6 正反脉冲宽度时间比 16ms:0.8ms，镀铜 55min。如下表 3 所示，复合波形脉冲正反向电流作用示意图如下图 3 所示。图 4单一波形与复合波形脉冲深镀能力变化图从表 5 单一波形和复合波形脉冲对比结果数据可以看出，在相同电流密度和镀铜时间下：(1)板厚 1.6mm 使用单一波形脉冲，孔中 TP 值92.85%，拐角 TP 值 85.74%；使用复合波形脉冲，孔中 TP 值 101.78%，拐角 TP 值 102.95%。(2)板厚 2.0mm 使用单一波形脉冲，孔中 TP 值93.40%，拐角 TP 值 85.43%；使用复合波形脉冲，孔中 TP 值 105.93%，拐角 TP 值 101.16%。(3)板厚 2.4mm 使用单一波形脉冲，孔中 TP 值78.46%，拐角 TP 值 87.10%；使用复合波形脉冲，孔中 TP 值 112.68%，拐角 TP 值 100.54%。综上所述，三种不同板厚的孔中 TP 值和拐角 TP值在使用复合波形脉冲镀铜时取得深度能力均比单一波形脉冲更高。2.6 不同反向电流大小和不同正反脉冲宽度(时间)对深镀能力的影响实验测试脉冲电镀过程中复合波形脉冲在不同反向电流大小和不同正反脉冲宽度(时间)下提升深镀能力的作用。采用固定脉冲电流密度 2.7A/dm2和脉冲镀铜时间 55min，设计板厚为 2.0mm，厚径比 10:1，对复合波形脉冲电镀参数中不同反向电流大小和不同正反脉冲宽度(时间)进行对比测试见表 6。对比结果数据见表 7，深镀能力变化见图 5。从表 7 复合波形正反向电流比和正反脉冲宽度对比结果数据可以看出：1.4单一波形与复合波形脉冲对深镀能力的影响实验测试脉冲电镀过程中单一波形和复合波形在提升深镀能力的作用，同时评估通孔拐角铜厚，防止出现孔口凹陷不良问题或直流电镀中的“狗骨头”现象，因此将孔中 TP 和拐角 TP 做到 100%时可得到较佳的镀铜效果。采用固定脉冲电流密度 2.7A/dm2和脉冲镀铜时间 55min，设计板厚为 1.6mm、2.0mm、2.4mm 三种不同板厚对单一波形和复合波形脉冲进行对比研究，设计如表 4 的单一波形和复合波形脉冲对比实验方案。对比结果数据见表 5，深镀能力变化见图 4。图 3 脉冲复合波形反向电流作用示意图表 3 复合波形脉冲参数表 4 单一波形和复合波形脉冲对比实验参数第一波段第二波段第三波段第四波段工作时间/mi n电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms电流/(A/d m2)脉宽/ms第一阶段2.700000005.0 第二阶段2.74 0-5.4 022.71 6-4.3 2 0.8 5 5.0 第三阶段2.700 00000 1 0.0 序号板厚/mm第一波段第二波段备注正向电流/(A/d m2)反向电流/(A/d m2)正向时间/ms反向时间/ms正向电流/(A/d m2)反向电流/(A/d m2)正向时间/ms反向时间/ms1 1.62.74.8 62 010000单一波形2 2.0 2.75.42 010000单一波形3 2.42.76.2 12 010000单一波形4 1.62.74.8 62 012.74.3 21 6 0.8复合波形5 2.0 2.75.42 012.74.3 21 6 0.8复合波形6 2.42.76.2 12 012.74.3 21 6 0.8复合波形2024年3月第2期90表 7 复合波形正反向电流比和正反脉冲宽度对比结果数据序号类型板厚/mmA R表面铜厚/m孔内铜厚/m孔中 T P值/%拐角铜厚/m拐角 T P值/%A 1-A 4B 3-B 4C 1-C 4ma xa v gmi nma xa v gmi na v gma xa v gmi na v g7降低正反电流比2.0 1 03 6.1 33 3.9 4 3 1.7 53 3.7 13 3.1 7 3 2.6 39 7.7 34 1.5 93 6.5 8 3 1.5 61 0 7.7 68参照组2.0 1 03 5.6 33 4.3 5 3 3.0 63 7.1 53 6.3 8 3 5.6 11 0 5.9 33 7.1 83 4.7 5 3 2.3 11 0 1.1 69提高正反电流比2.0 1 03 3.5 93 2.3 3 3 1.0 63 7.8 73 6.7 2 3 5.5 71 1 3.6 03 2.1 53 0.0 1 2 7.8 79 2.8 41 0减少一段脉宽2.0 1 03 3.7 73 2.1 4 3 0.5 12 9.9 52 8.8 4 2 7.7 38 9.7 33 7.1 13 3.2 4 2 9.3 61 0 3.4 11 1增加一段脉宽2.0 1 03 4.1 93 2.7 1 3 1.2 33 4.7 43 3.1 4 3 1.5 41 0 1.3 13 3.8 73 1.8 0 2 9.7 29 7.2 01 2增加一段脉宽2.0 1 03 2.1 13 0.3 5 2 8.5 93 0.7 72 9.6 2 2 8.4 69 7.5 93 2.2 72 9.2 0 2 6.1 29 6.2 11 3增加两段脉宽2.0 1 03 2.8 63 2.0 8 3 1.2 93 0.5 62 9.5 5 2 8.5 49 2.1 33 1.2 92 6.9 1 2 2.5 38 3.9 0表 5 单一波形和复合波形对比结果数据序号板厚/mmA R表面铜厚/m孔内铜厚/m孔中T P值/%拐角铜厚/m拐角T P值/%类型A 1-A 4B 3-B 4C 1-C 4ma xa v gmi nma xa v gmi na v gma xa v gmi na v g11.66.43 3.2 13 1.6 7 3 0.1 22 9.7 52 9.42 9.0 59 2.8 52 9.8 92 7.1 52 4.4 18 5.7 4单一波形21.66.43 5.8 53 3.7 6 3 1.6 73 4.83 4.3 63 3.9 21 0 1.7 83 8.8 83 4.7 63 0.6 31 0 2.9 5复合波形321 03 3.0 23 2.0 3 3 1.0 33 0.8 92 9.9 12 8.9 39 3.4 03 1.4 52 7.3 62 3.2 78 5.4 3单一波形421 03 5.6 3 3 4.3 5 3 3.0 63 7.1 53 6.3 83 5.6 11 0 5.9 33 7.1 83 4.7 53 2.3 11 0 1.1 6复合波形52.41 23 0.8 32 9.1 1 2 7.3 92 4.4 32 2.8 42 1.2 57 8.4 62 9.7 62 5.3 62 0.9 58 7.1 0单一波形62.41 23 4.6 73 2.2 5 2 9.8 23 7.4 13 6.3 43 5.2 61 1 2.6 83 5.3 33 2.4 22 9.5 11 0 0.5 4复合波形表 6 复合波形正反向电流比和正反脉冲宽度对比实验参数序号第一波段第二波段备注正向电流/(A/d m2)反向电流/(A/d m2)正向时间/ms反向时间/ms正向电流/(A/d m2)反向电流/(A/d m2)正向时间/ms反向时间/ms72.75.1 32 012.74.3 21 60.8降低反向电流比82.75.42 012.74.3 21 60.8参照组92.75.9 42 012.74.3 21 60.8增加反向电流比1 02.75.41 60.82.74.3 21 60.8降低一段脉宽1 12.75.43 01.52.74.3 21 60.8增加一段脉宽1 22.75.44 022.74.3 21 60.8增加一段脉宽1 32.75.44 022.74.3 22 01增加两段脉宽(1)第 7 组至第 9 组在脉冲宽度不变情况下，反向电流密度由 5.13A/dm2、5.4A/dm2、5.94A/dm2逐渐提高，孔中 TP 值由 97.73%、105.93%、113.60%逐渐提高，而拐角 TP 值由 107.76%、101.16%、92.84%逐渐降低。说明复合波形中反向电流密度大小影响孔中铜厚深镀能力，随着反向作用电流的增大孔中铜厚深镀能力逐渐提高，但拐角铜厚深镀能力会有所降低。(2)第 10 组至第 13 组在反向电流密度不变的情况下，增加一段脉宽 16ms:0.8ms、30ms:1.5ms，40ms:2ms 和增加两段脉宽 40ms:2ms、20ms:1ms。拐角 TP值由 103.41%(参照组 101.16%)、97.20%、96.21%、83.90%逐渐降低，而孔中 TP 值分别为 89.73%，(参照91PCB InformationMAR.2024 NO.2组 105.93%)、101.31%、97.89%、92.13%，呈现先提高再降低趋势。说明调整复合波形正反脉冲宽度达到孔中 TP 值和拐角 TP 值接近 100%平衡时，会出现随着正反脉冲宽度增加，拐角铜厚深度能力逐渐降低，但孔中铜厚深镀能力会呈现先增加再降低的抛物线趋势。图 5 深镀能力变化图切片图类型单一波形脉冲复合波形脉冲图 6 热冲击图3 可靠性测试4 总结对单一波形与复合波形脉冲镀铜后结晶进行对比，测试条件为 6 次漂锡，温度为 2885，孔壁与孔角镀铜层无裂纹，使用单一波形和复合波形脉冲追踪其可靠性测试情况，结果显示镀铜结晶正常，可靠性满足要求。切片如图 6 所示，可靠性满足要求。在脉冲电镀中反向电流和正反脉冲宽度对通孔镀通率有着重要的影响作用。本文通过对单一波形和复合波形进行对比测试，以及复合波形中的反向电流和正反向脉冲宽度(时间)展开测试。研究发现复合波形取得的深镀能力比单一波形更好，调整复合波形控制脉冲电镀过程中的反向电流大小和正反脉冲宽度，会直接影响镀铜板的孔中铜厚和拐角铜厚的深镀能力。其中随着反向电流的增加，孔中铜厚深镀能力逐渐提高，但拐角铜厚深镀能力会有所降低；而随着正反脉冲宽度增加，拐角铜厚深镀能力逐渐降低，但孔中铜厚深镀能力会呈现先增加再降低的抛物线趋势。当孔中铜深镀能力与拐角深镀能力均接近 100%平衡时，能避免通孔孔口凹陷或孔口凸出的不良问题。参考文献1 高泉涌,赵国鹏,胡耀红.酸性镀铜添加剂研究进展 J.电镀与涂饰,2010,29(1):26-29.2 黄鹏飞.脉冲电镀的正向电流密度对深镀能力的影响团.印制电路信息,2006(1):30.3 刘云志,战勇,郑威,陈露,夏林光亮剂和载体对脉冲图形电镀效果的影响 J.印制电路信息,2013(6):22.4 向国朴,陈高文,邱训高.反向脉冲电流对镀层表面粗糙度的影响 J.电镀与环保,1992，12(5):2.(责任编辑 张立煌)