多层次电路板(PCB)的电镀工艺研究

    随着表面黏装技术的蓬勃发展,印刷电路板未来的趋势必然走向细线、小孔、多层之高密度封装型态.然而制造此种高层次电路板其镀铜制程也将面临一些技术瓶颈,例如:如何使面板中央和边缘得到均匀之镀层,如何提高小孔孔壁之分布力、如何改善镀层之物性如延展性、抗拉强度等都是未来值得努力之课题,本文主旨即是以基本的原理来说明制程困难所在及谋求因应之道,希望个人的浅见能对电路板从业人员有所助益.近年来随着半导体及计算机工业的快速发展,印刷电路板的制作亦日益复杂,我们可由下列经验公式作为判断电路板困难程度之指针.

    电路板复杂程序指针=电路板层数*两焊点间导线数目/二焊点间距(吋)*导线宽度(mil)(1)

    举例而言,一个16层板,其焊点间距为0.1吋,导线宽度为5mils,二焊点间有三条导线则其复杂程度指标为96,自80年代起表面装技术的风行带动电路板工业朝向高层次之多层板迈进,因而使复杂指标快速上升,从传统电路板的20左右升高到目前的100或更高,在此种更新、产品演进的过程中,当然不免遇到的一些技术瓶颈,以镀铜制程为例,笔者尝试以巨观、微观及微结构等三方面来探讨其基本原理并谋求因应策略.

巨观方面

    指电路板之板面而言,通常一大板子板面大小约为24"*18",若要使中央和边缘镀层厚度均匀实非易事,根据法拉第电解定律,镀层的厚度与外加电流成正比,假设镀层的密度为一定值,则镀层厚度分布即为阴极电流之分布,影响电流分布的因素很多包括溶液中之电阻、电极之极化、镀件之几何形状、阴阳极之距离、外加电流大小、质量传迅速率等,我们将在以下各节分别讨论影响,当电流在电极上之分布没有产生极化或其它干扰因素的情况下称为一次电流分布其完全取决于镀槽之几何形状,当一定电压加于两电极上﹐镀浴中每一点亦有一定之电压存在,其大小介于两电极电压之间,因为金属电极导电性很强,我们可以假设电极表面每一点之电压均相等同理,在镀浴中亦可找出某些具有相等电位之假想平面,一般说,来靠近电极之位置,等电位平面与电极形状甚为类似但其形状却随着与电极之距离逐渐增大而改变,图一即说明等电位平面分布的状况,在等位面分布较密集的地方电流密度较大,反之则较小.由电场理论得知,等电位之平面和其对应力的平面是互相垂直的,而电极本身属于等电位平面,所以电流流进或流出电极某一点必与该点所在的平面互相垂直.图二即说明等电位平面及电流流向分布之关系.如果等电位平面被一定整的导体取代或是等电位面所对应力之平面为一绝缘体所替代将不致影响其电场.反之,若是等位面被任何替代物所切,断则整个电场将受到相等程度之干扰,电流分布亦将有所改变,以一为例,以A和BB当作电极和以A及C当作电极将会得到相同之电流分布,主要原因是BB平面恰好与等位面重合,因而不会影响电场,假设将图一之A与C略加移动,使其偏离中心位置,则等位线之分布将和原来有很大的不同,因为电极位置的更动影响了电场使得电流分布亦产生了变化.

a.改变一次电流分布的方法

    由前述电场基本理论得知,一次电流分布完全取决于镀槽之几何形状.亦即阴阳极之距离、大小、形状都会影响其电流分布.对电路板板面而言,其边缘部份等位面分布较密集,故镀层较厚而中央部份较薄.若要改善此种现象必须强调设计的概念.例如增加阴阳极之距离、加大阳极之面积、使用绝缘之屏蔽物来改变等位平面、采用辅助阳极来改善低电流区域之电流分布,使用辅助阴极来分散高电流区域之电流等都是可行的方法.

b.二次电流分布

    由于电极产生极化而改变了一次电流分布,此时,所得到之电流称为二次电流分布,在此,首先必须将极化的观念略加说明.简单而言,极化是因为电极附近发生电化学反应而增加了溶液中之电阻.若要使期望的反应能顺利产生,必须增加外加电压.如此一来,将产生额外的热及电力消耗.由于极化作用,电极电压将与平稀电位有所差异,此二者之差值称为过电压在阴极附近,离子因参与电极反应,消耗太快来不及补充,此时造成之过电压称为浓度过电压,若要使离子顺利通过某种能量障碍而达到电极参加反应所须要之过电压称为活化过电压,而总过电压是浓度过电压与活化过电压之总和,是用来测量电极极化程度之指标.由于电流大小和阴阳极间之距离成反比,在电术术化作用下,相当于增加了阴阳极之距离.此距离双称为特征长度因为此种效应,二次电流或多或少将可减少一次电流不均匀的现象.

c.极化参数

    由前述电场基本理论了解到电流之分布力实际受下列两种因素所左右,分别为溶液中之电阻及极化作用产生之电阻和ALKIRE曾经将极化参数P作了以下的定义.

    P=R/Rp=ａcFLj/RgTK(2)

    其中ａc是移转系数,F是法拉第常数,L是阴阳极距离,j是平均电流密度,Rg是气体常数,T是温度,K是溶液中之导电度.如果P<;<;1,代表极化作用远超过电场效应,则电流倾向于二次电流分布,将十分均匀.如果p>>1,则电流倾向于一次电流分布,完全取决于镀槽之几何形状,他们并以硫酸铜镀浴作多层板镀铜实验,各参数基本数据为ａc=0.5,Ma-sec/g-ep,L=30.5cm,j=26.9Ma/cm2,K=0.55(奥姆cm)-1, RgT/F=25.6Mv/(23℃)结果P=29.13>>1代表电流倾向于一次电流分布,其均匀与否完全决定于镀槽之设计,而溶液之导电度、极化反应之影响均不大,此外,光泽剂或添加剂对板面的巨观电流分布力均没有什么影响,若要得到均匀之电流分布可使用屏蔽物或辅助阴极.

微蚀方面

    这里是针对电路板之镀通孔(PTH)而言,近五年来,表面黏装组件的大量采用,使得电路板趋向细线、小孔、多层化的困难层次,因而在钻孔、除胶渣、镀铜等都面临了前所未有之挑战,举例来说,一个0.3吋厚之多层板如果钻上15mils的通孔,铡纵横比高达20:1,如此之小孔已经类似一根毛细管具有相当程度的表面张力,根据理论计算至少需要0.093psi之外加压力方能使液体顺利穿过此一细双深之孔,传统的吹气搅拌方式已经无法满足这种要求.因此镀槽势必要作特殊设计.

a.三次电流分布

    于通孔及其附近而言,影响电流分布的因素甚多包括镀槽几何形状、镀浴导电性、质量传迅速率、铜离子之浓度等.电流受这许多因素错综复杂的影响其分布称为三次电流分布,在此最值得一提的是小孔内质量传迅的问题.晚们知道,在纵横比甚高的小孔,内溶液穿过不易,再加上离子褵的速率远比离子消耗来得慢,所以在靠近孔壁及远离孔壁之区域间形成了扩散层.此扩散层将影响电镀的速率,如果希望增加电镀速率则必须提高外加电流,但电流增高将使镀层品质逐渐恶化.当电流上升至某一程度时,镀层呈粗糙、松散而无法接受,此时之电流称为极限电流密度,以Jlim=nFDCb/∮(3)

    其中n是电子数目,F是法拉常数,Cb为扩散层厚度.一般而言,外加电流密度如果保持极限电流密度如果保持极限电汉密度25%以内,将可得到品质良好的镀层,如果能设法提高极限电流密度则电镀速率亦将提高.由(3)式可看出提高极限电流密度的方法包括增加铜离子浓度、提高扩散常数、降低扩散层厚度等.升高温度亦有提高扩散常数之效果,而脉波电镀技术的采用则对减少扩散层的厚度有相当的成效.基本上,脉波电镀是一种借着不同波形的电流或电压将金属附着于底材的电镀技术,用的波形大致可分为三类分别为方形波、正弦波及三角形波.此外,针对各种物殊需要亦可由三种基本波形演出不同形状之波形,假若我们采用直流电作外加电流.

b.特殊搅拌方式之使用

    若要提高小孔内之电镀速率,必须使产生电极反应的金属离子迅速得到补充,通常有两种方式,一是藉助扩散作用,一是藉助对流,前者是由不孔内之铜离子往孔壁浓度低的地方运动,后者则是由镀液的快速流动使孔外的新鲜镀液流入孔内而褵消耗的铜离子,当小孔内毛细现象十分显著时,扩散层也具有一定的厚度使得扩散作有的进行受阻碍,如果孔内外对流良好,不但可降低扩散层之厚度亦可提高电镀的速率,亦即可使用高电流之快速电镀方式,至于采用何种搅拌方式以增强对流有以下两种可行的方法

    冲击喷射法,是用帮浦将镀液打时高压喷管直接垂直喷向通孔中,其优点是增加孔内质量传迅速率,但喷管的排列、孔径、喷射方向等均要作特殊设计,因而增加了设备制作、管理的费用.

    单向压力差法,其原理是以电路板把镀槽分成两个区域,且要加以对紧.然后用帮浦使此二区域产生一压力差,如此镀液将别无选择地被迫从小孔通过,此法的优点是免除高速喷嘴设计的麻烦但缺点是无法达到量产的目标.

c.镀槽设计的准则

    镀小孔由于牵涉的因素太多,使得镀槽设计相当困难,不过kessler和alkire提出一些基本法则作为设计的依据值得吾人参考.他们首先定义两个基本参数N和E,N代表平均电流参数,E代表电流分布力参数,以物理意义来说,

N=溶液中之电阻/质量传迅所产生之电阻(4)

E=溶液中之电阻/极化作用产生之电阻(5)

    如果N值很大,代表电流趋向于一次电流分布,比较不均匀,如果N值很小,有示趋向于质量传迅极限,亦即镀层的品质恶化,当E<;<;1时,极化作用的影响大于溶液中电阻的作用使电流趋向二次电流分布,将十分均匀,如果E>>1电流分布均匀度变差,如将N和E同时考虑归纳出下列两条准则:E<;1将同时使面板及孔内得到均匀之电流分布;N>=64E可在孔内电流分布均匀性及镀层品质此二关系间达成平衡.

微结构方面

    高层次的多层印刷电路板常被当作军事用途,其可靠性也必须物别讲究,需要通过美军规范如漂锡或温度循环的测试,因此镀层的物性如延展性、抗拉强度往往可以决定测试的成败,光泽和添加剂对改善镀层物性扮演相当重要的角色,在此特将其基本反应机构略加说明.

a.电镀之基本反应机构

    金属离子镀着于阴极底材上通常分两个步骤进行,第一步是溶液中之金属离子向阴极运动通过电双层亦即电荷移转反应,第二步是到达电极的离子互相结合或与原来的晶粒结,合此步骤称为结晶,由于金属离子在溶液中常被数个水分子所?形成错离子,水分子必须慢慢除去方可使金属离子和电子结,合因为底材表面之晶格平面形状不一,曲型的几种包括平面状、弯曲状、边缘空隙及孔,状所以错离子去水的电荷移转反应先由平面而阶梯而弯曲状,比其直接置入孔状的位置中列能节省能量,至于结晶的形成.

b.添加剂的作用

    在电镀时为使表面的粗糙度降低或啬镀层之延展性常需加入添加剂或光泽剂曾经提出表面平整之反应机构凸起的部分可以吸附较多的光泽剂,因此增加了电阻,由于电流始终都朝向电阻较低的部位,所以电流便顺利流向镀层凹陷的部份得粗糙降低.又因为光泽剂大多数于有机物,Bockris也提出一理论说明其吸附于电极表面之状况.当电极本身带过多的负电荷或正电荷时,水分子的电双极将呈现下落或上扬的形态,亦即增加和电极间之吸附力,如此一来有机分子的吸附力降低,反之,若电极本身不带电荷,水分子上扬与下落的趋势互相抵消,吸附力减少因而增强了有机分子的吸附力,由此基本理论将可针对不同性质的镀层研究其添加剂的地方.

c.脉波电镀对微结构的影响

    脉波电镀最显著的功能是其以物性的方式来改变镀层的微结构,根据许多数据显示,在脉波电流下得到的镀层延展性、附着力均比传统直流电的方式来得大,且粗糙度降低,于于经由何种机构产生此种效应呢?至今仍不十分明了.

结论

    本文就多层印刷电路板的镀铜制程以巨观、微观及微结构三种观点来分析其基本理论,所得结论归纳如下:

a.就电路板面板而言,其电流分布主要决定于镀槽之几何形状,比如阴阳极的距离、排列、大小等,光泽剂或添加剂对电流分布的影响甚小.若要改变电流分布不均的现象可使有辅助装置如屏蔽物或辅助阴极等.

b.就电路板通孔而言电流分布及镀层物性,主要受溶液之电阻、电极极化和质量传迅等复杂因素影响.若要得到品质优良且分布均匀的镀层、势必要强调设计的观念,比方说应用特殊的搅拌方式,采用脉波电镀技术等.

c.添加剂或光泽剂可改变镀层的物性如延展性、抗拉强度等,但如用量过多亦可能造成有机物对镀层品质的污染,此外也增加管理的不便.因此,以脉波电镀来改善镀层物性的方法是值得努力研究的.我国目前电路板工业一片蓬勃,产量高居世界第三位,然而在制作高层次的电路板时仍有许多颈尚待突破.镀铜制程方面未来的趋势是采用特殊设计的镀槽并在化学配上力求改进,以期提高技术水准再创光明远景.