CN111101174A - 一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将工件经预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀后得到处理后的工件。本发明所处理后的工件，具有通孔填孔效率高、可靠性强、面铜薄，避免了“包孔”现象，实现了材料节约以及高效生产，特别适合各种纵横比的通孔进行脉冲电镀填孔。
Description
技术领域
本发明涉及到印刷线路板以及半导体互连的电镀技术领域，具体涉及到一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法。
背景技术
随着电子产品朝着轻薄、短小的方向发展，电子芯片日趋小体积、大功率化；而作为芯片载体的PCB板也随之趋向于多层数、高密度、高厚径比，有限的装载表面积使得传统的导通孔互连无法满足高集成度、高频率、高精度的要求。HDI技术(High DensityInterconnector，高密度互连技术)已逐步取代常规的树脂塞孔、导电浆灌孔的工艺，以获取层数更多、精密度更高的逻辑线路以及封装载板。
目前常用直流电镀和1:20的正负脉冲来电镀实现HDI互连，但这两种工艺存在以下问题：1)对于高纵横比的通孔填孔，无论是常规直流或者1:20的正负脉冲电镀，都存在很高的“包孔”风险，即通孔两端封闭，中间留有空洞，信号在传输的过程会产生严重的衰减；2)高密度、高精度的线路意味着导电层需要薄的面铜，但这两种工艺电镀出来的PCB板往往还需要进一步的机械研磨或者化学减铜的方式来减薄表面铜层，既增加了繁琐的工艺步骤，又加大了材料的损耗、生产成品以及产品的报废率。因此，需要一种新型基于双相脉冲的脉冲电镀方法，以克服上述问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将工件经预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀后得到处理后的工件。
作为一种优选的技术方案，所述酸性电镀铜溶液包括：180～220g/L水溶性铜盐、80～110g/LH2SO4、60～80mg/LCl-、5.0～30mL/L润湿剂、1.0～10mL/L光亮剂、2.0～10mL/L整平剂、纯水。
作为一种优选的技术方案，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含若干个正向脉冲和1个反向脉冲。
作为一种优选的技术方案，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含1～50个正向脉冲和1个反向脉冲。
作为一种优选的技术方案，所述正向脉冲和反向脉冲的脉宽相同，且均为0.01～1.0秒。
作为一种优选的技术方案，所述正向脉冲的电流密度为0.2～4.0ASD。
作为一种优选的技术方案，所述反向脉冲的电流密度为-6.0～-0.2ASD。
作为一种优选的技术方案，所述元件面的正向脉冲的最大电流与焊接面的反向脉冲的最大电流同步。
作为一种优选的技术方案，所述元件面的反向脉冲的最大电流与焊接面的正向脉冲的最大电流同步。
作为一种优选的技术方案，所述脉冲电镀中每个脉冲周期还包含电流关断阶段。
有益效果：本发明所述基于双相脉冲的脉冲电镀方法，将工件经碱性化学预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的两面同步输入周期相同、波形不同的特定脉冲电流。本发明所处理后的工件，具有通孔填孔效率高、可靠性强、面铜薄，避免了“包孔”现象，实现了材料节约以及高效生产，特别适合各种纵横比的通孔进行脉冲电镀填孔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中元件面的一个脉冲周期示意图，其中1为正向脉冲；101为正向脉冲的最大电流阶段；2为反向脉冲；3为电流关断阶段。
图2为本发明实施例1中焊接面的一个脉冲周期示意图，其中4为正向脉冲；401为正向脉冲的最大电流阶段；5为反向脉冲；6为电流关断阶段。
图3为本发明实施例1中脉冲电镀方法过程示意图，其中A为经预镀铜处理后的工件；B为生成“蝶翼”状铜桥后的工件；C为脉冲电镀后的处理后工件；7为待填孔的通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明提供技术方案中的技术特征作进一步清楚、完整的描述，并非对其保护范围的限制。
本发明中的词语“优选的”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将工件经预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀后得到处理后的工件。
预镀铜处理
预镀铜处理是一种对待镀工件提前进行初步镀铜处理，提升后期电镀处理效率的处理手段。
在一种优选的实施方式中，所述预镀铜处理为碱性化学镀铜加工处理。
在一种更优选的实施方式中，所述预镀铜处理为无氰碱性化学镀铜加工处理。
本发明对所述工件的材质并没有特别的限制，可采用本领域技术人员熟知的各种PCB所用材质，例如陶瓷、玻纤。本发明所述工件未经预镀铜处理前可为无通孔的工件，也可为含若干通孔的工件，其中通孔的纵横比(孔深度与孔直径的比)为(2～12)：1，更优选为(3～6)：1，进一步优选为5：1。
本发明对所述无氰碱性化学镀铜加工处理方法并没有特别的限制，可采用本领域技术人员熟知的各种无氰碱性化学镀铜加工处理方法，例如将工件置于含11g/LCu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件。
酸性电镀铜溶液
在一种优选的实施方式中，所述酸性电镀铜溶液包括：180～220g/L水溶性铜盐、80～110g/LH2SO4、60～80mg/LCl-、5.0～30mL/L润湿剂、1.0～10mL/L光亮剂、2.0～10mL/L整平剂、纯水。
在一种更优选的实施方式中，所述酸性电镀铜溶液包括：200g/L水溶性铜盐、85g/LH2SO4、75mg/LCl-、10mL/L润湿剂、4.5mL/L光亮剂、2.0mL/L整平剂、纯水。
所述纯水指的是通过处理后几乎不含杂质的水，本发明对所用纯水并没有特别的限定，可采用本领域技术人员熟知的各种纯水，例如超纯水、去离子水。
所述水溶性铜盐指的是加入水中可全部溶解或部分溶解的阳离子为铜离子的盐类；
在一种优选的实施方式中，所述水溶性铜盐选自CuSO4·5H2O、甲磺酸铜、焦磷酸铜、氟硼酸铜、氨基磺酸铜中的一种或多种的组合。
在一种更优选的实施方式中，所述水溶性铜盐为CuSO4·5H2O。
本发明所述润湿剂是一种能使工件表面更易被水浸湿的物质；所述光亮剂是一种增加工件表面的光泽度和精光度的物质；所述整平剂是一种加入到电镀液中能改善镀层的平整性，使获得的镀层比基体表面更为平滑的物质。本发明对所述润湿剂、光亮剂、整平剂的具体选择没有特别的限制，可采用本领域技术人员熟知的各种润湿剂、光亮剂、整平剂，例如润湿剂可为聚乙二醇，光亮剂可为二甲基甲酰胺基磺酸钠、整平剂可为丁炔二醇。
在一种优选的实施方式中，所述脉冲电镀的阳极为磷铜球。
所述磷铜球，又名铜磷球、磷青铜，是一种含磷的铜球。本发明对所述磷铜球中磷含量并没有特别的限定，可采用本领域技术人员熟知的各种磷含量的磷铜球，例如磷含量为0.03～0.35wt％的磷铜球。
在一种优选的实施方式中，所述酸性电镀铜溶液的温度为22～28℃。
在一种更优选的实施方式中，所述酸性电镀铜溶液的温度为24℃。
在一种优选的实施方式中，在工件的元件面和焊接面进行的所述脉冲电镀的脉冲电流周期一致，波形不同。
在一种优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含若干个正向脉冲和1个反向脉冲。
在一种更优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含1～50个正向脉冲和1个反向脉冲。
在一种进一步优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含2～10个正向脉冲和1个反向脉冲。
在一种更进一步优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含6个正向脉冲和1个反向脉冲。
本发明所述正向脉冲和反向脉冲，指的是脉冲电流一直处于相同电流密度的脉冲阶段，即一个脉宽的脉冲。
在一种优选的实施方式中，所述正向脉冲和反向脉冲的脉宽相同，且均为0.01～1.0秒。
在一种更优选的实施方式中，所述正向脉冲和反向脉冲的脉宽相同，且均为0.1秒。
在一种优选的实施方式中，所述正向脉冲的电流密度为0.2～4.0ASD。
在一种优选的实施方式中，所述反向脉冲的电流密度为-6.0～-0.2ASD。
在一种更优选的实施方式中，所述反向脉冲的电流密度为-3.0ASD。
电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。电流密度所用单位ASD，即安培/平方分米，A/(dm)2。
在一种优选的实施方式中，所述元件面的正向脉冲的最大电流与焊接面的反向脉冲的最大电流同步。
在一种优选的实施方式中，所述元件面的反向脉冲的最大电流与焊接面的正向脉冲的最大电流同步。
所述元件面，即Component side，C面；所述焊接面，即Soldering side，S面。
在一种优选的实施方式中，所述脉冲电镀的时间为100～250min。
在一种更优选的实施方式中，所述脉冲电镀的时间为180min。
在一种优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期还包含电流关断阶段。
在一种更优选的实施方式中，所述脉冲电镀中每个脉冲周期还包含1个电流关断阶段。
本发明所述正向脉冲的电流密度可根据不同脉冲阶段进行调整。例如每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲、1个电流关断阶段，可优选为如下的电流密度：
0～0.1s元件面：正向脉冲，电流密度为0.5ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为0.5ASD；
0.1～0.2s元件面：正向脉冲，电流密度为1.0ASD；焊接面：电流关断阶段，电流密度为0ASD；
0.2～0.3s元件面：正向脉冲，电流密度为1.5ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为0.5ASD；
0.3～0.4s元件面：反向脉冲，电流密度为-3.0ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为3.0ASD；
0.4～0.5s元件面：正向脉冲，电流密度为1.5ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为1.5ASD；
0.5～0.6s元件面：正向脉冲，电流密度为3.0ASD；焊接面：反向脉冲，电流密度为-3.0ASD；
0.6～0.7s元件面：正向脉冲，电流密度为0.5ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为1.5ASD；
0.7～0.8s元件面：电流关断阶段，电流密度为0ASD；焊接面：正向脉冲，电流密度为1.0ASD。
在一种优选的实施方式中，所述电流关断阶段的脉宽与反向脉冲的脉宽相同。
在一种优选的实施方式中，所述元件面和焊接面的电流关断阶段不同步发生。
发明人在试验探索过程中发现，当将工件经碱性化学预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的两面同步输入周期相同、波形不同的特定脉冲电流时，所得处理后工件可以达到薄面铜、填满通孔的效果。发明人推测其可能的原因是，一方面当工件经碱性化学预镀铜处理后，通孔内壁表面初步沉积一层铜膜；另一方面，将经预镀铜处理后的工件置于酸性电镀铜溶液中，在两面同步输入周期相同、波形不同的特定脉冲电流，使工件表面即高电位区瞬间极化，电流集中在通孔中心孔壁处即低电位区，铜离子在低电位区沉积的速度远大于高电位区，从而得到通孔中心孔壁处的铜层快速增厚生成“蝶翼”状铜桥的工件，进而形成双面盲孔并向两端增长，而面铜缓慢增厚，得到的脉冲电镀后的处理后工件达到薄面铜、填满通孔的效果。
下面通过实施例对本发明进行具体描述，另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的。
实施例
实施例1
本发明的实施例1提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为5：1的陶瓷材质工件经置于含11g/L Cu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件；将预镀铜处理后的工件，置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.05wt％的磷铜球，24℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀180min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：200g/LCuSO4·5H2O、85g/LH2SO4、75mg/LNaCl、10mL/L聚乙二醇、4.5mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、2.0mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为0.1秒。如图1所示，为元件面的一个脉冲周期示意图，其中1为正向脉冲，101为正向脉冲的最大电流阶段，2为反向脉冲，3为电流关断阶段；如图2所示，为焊接面的一个脉冲周期示意图，其中4为正向脉冲；401为正向脉冲的最大电流阶段；5为反向脉冲；6为电流关断阶段。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表1所示：
表1实施例1中元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度
经测试可知，所得处理后的工件达到了薄面铜、填满通孔的效果，且无“包孔”现象的发生，通孔填满后的孔口镀层均匀、平滑。
实施例2
本发明的实施例2提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为3：1的陶瓷材质工件经置于含11g/L Cu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件；将预镀铜处理后的工件，置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.03wt％的磷铜球，22℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀100min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：180g/LCuSO4·5H2O、80g/LH2SO4、60mg/LNaCl、5.0mL/L聚乙二醇、1.0mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、2.0mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为0.01秒。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表2所示。
表2实施例2中元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度
经测试可知，所得处理后的工件达到了薄面铜、填满通孔的效果，且无“包孔”现象的发生，通孔填满后的孔口镀层均匀、平滑。
实施例3
本发明的实施例3提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为6：1的陶瓷材质工件经置于含11g/L Cu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件；将预镀铜处理后的工件，置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.35wt％的磷铜球，28℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀250min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：220g/LCuSO4·5H2O、110g/LH2SO4、80mg/LNaCl、30mL/L聚乙二醇、10mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、10mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为1.0秒。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表3所示。
表3实施例3中元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度
经测试可知，所得处理后的工件达到了薄面铜、填满通孔的效果，且无“包孔”现象的发生，通孔填满后的孔口镀层均匀、平滑。
实施例4
本发明的实施例4提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为5：1的陶瓷材质工件经置于含11g/L Cu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件；将预镀铜处理后的工件，置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.05wt％的磷铜球，24℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀180min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：200g/LCuSO4·5H2O、85g/LH2SO4、75mg/LNaCl、10mL/L聚乙二醇、4.5mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、2.0mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为0.005秒。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表4所示。
表4实施例4中元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度
经测试可知，所得处理后的工件达到了薄面铜的效果，但存在部分通孔未被填满，或出现“包孔”现象，通孔填满后的孔口镀层不均匀。
实施例5
本发明的实施例5提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为5：1的陶瓷材质工件经置于含11g/L Cu2+、145g/L三乙醇胺、6g/L NaOH、4g/L KNO3的碱性化学镀铜液中，在电流密度为1.5ASD，55℃下电镀30s后，得到预镀铜处理后的工件；将预镀铜处理后的工件，置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.05wt％的磷铜球，24℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀180min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：200g/LCuSO4·5H2O、85g/LH2SO4、75mg/LNaCl、10mL/L聚乙二醇、4.5mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、2.0mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为1.5秒。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表5所示：
表5实施例5中元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度
经测试可知，所得处理后的工件的面铜较厚、存在部分通孔未被填满。
实施例6
本发明的实施例6提供一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，包括以下步骤：将通孔纵横比为5：1的陶瓷材质工件置于酸性电镀铜溶液中，阳极为磷含量0.05wt％的磷铜球，24℃下在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀180min后，得到处理后的工件。
所述酸性电镀铜溶液包括：200g/LCuSO4·5H2O、85g/LH2SO4、75mg/LNaCl、10mL/L聚乙二醇、4.5mL/L二甲基甲酰胺基磺酸钠、2.0mL/L丁炔二醇、超纯水。
所述脉冲电镀的脉冲电流的周期一致，波形不同；每个脉冲周期包含6个正向脉冲、1个反向脉冲，1个电流关断阶段；所述正向脉冲、反向脉冲、电流关断阶段的脉宽相同，且均为0.1秒。所述元件面和焊接面的一个脉冲周期的电流密度如表1所示。
经测试可知，所得处理后的工件和通孔均无镀铜。
综合上述实验结果可见：通过本发明所述方法基于双相脉冲的脉冲电镀方法，将工件经碱性化学预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的两面同步输入周期相同、波形不同的特定脉冲电流，处理得到的工件达到了薄面铜、填满通孔的效果，且无“包孔”现象的发生，通孔填满后的孔口镀层均匀、平滑。此外，本发明所处理后的工件，具有通孔填孔效率高、可靠性强，实现了材料节约以及高效生产，特别适合各种纵横比的通孔进行脉冲电镀填孔。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于双相脉冲的脉冲电镀方法，其特征在于，包括以下步骤：将工件经预镀铜处理后，置于酸性电镀铜溶液中，在工件的元件面和焊接面进行脉冲电镀后得到处理后的工件。
2.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述酸性电镀铜溶液包括：180～220g/L水溶性铜盐、80～110g/LH2SO4、60～80mg/LCl-、5.0～30mL/L润湿剂、1.0～10mL/L光亮剂、2.0～10mL/L整平剂、纯水。
3.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含若干个正向脉冲和1个反向脉冲。
4.根据权利要求3所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述脉冲电镀中每个脉冲周期包含1～50个正向脉冲和1个反向脉冲。
5.根据权利要求3所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述正向脉冲和反向脉冲的脉宽相同，且均为0.01～1.0秒。
6.根据权利要求3所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述正向脉冲的电流密度为0.2～4.0ASD。
7.根据权利要求3所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述反向脉冲的电流密度为-6.0～-0.2ASD。
8.根据权利要求3所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述元件面的正向脉冲的最大电流与焊接面的反向脉冲的最大电流同步。
9.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述元件面的反向脉冲的最大电流与焊接面的正向脉冲的最大电流同步。
10.根据权利要求3～9任一项所述的脉冲电镀方法，其特征在于，所述脉冲电镀中每个脉冲周期还包含电流关断阶段。
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