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2023春季国际PCB技术/信息论坛196电镀涂覆 Electroplating and coating基于仿真模型的多层互连深微孔产品电镀能力研究 Paper Code:S-025 王康磊 宋伟伟 焦小山（无锡深南电路有限公司，江苏 无锡 214412）摘 要 深微孔蟹脚及镀层结晶异常是电镀过程中常见的缺陷，其对PCB产品的可靠性具有重大的影响。文章采用有限元分析的方法，对侧喷时PCB板面及孔内的镀液流动状态进行了数值计算，得到了不同喷流速度、不同厚径比时镀液在深微孔底部的速度分布数据；另外通过试验研究了电流密度、波形时间比、正反电流比等电镀参数对深微孔电镀效果的影响，结果显示当电镀参数与喷流频率进行协同作用时，深微孔产品的蟹脚、结晶异常类缺陷能够得到有效改善。关键词 深微孔；蟹脚改善；有限元分析；喷流模型 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0196-11 Research on plating capability of multi-layer interconnect deep microvia products based on simulation modelWang Kanglei Song Weiwei Jiao Xiaoshan Abstract Deep microporous crab legs and abnormal crystallization of coating are common defects in the electroplating process,which have significant impact on the reliability of PCB products.The article uses the method of finite element analysis to numerically calculate the flow state of the plating solution on the PCB surface and in the hole during side spraying,and obtains the velocity distribution of the plating solution at the bottom of the deep microhole under different jet velocities and different thickness-to-diameter ratios data.In addition,the influence of electroplating parameters such as current density,waveform time ratio,positive and negative current ratio on the effect of deep microporous electroplating is studied through experiments.The results show that when electroplating and jet flow parameters are synergistic,these defects can be effectively improved.Key words Deep Micro-Holes;Crab Feet Improvement;Finite Element Analysis;Jet Model0 前言随着5G通讯时代的来临，电子产品高速发展，其对应的线路板产品也在快速的更新迭代，我们需要在尺寸固定的PCB产品上安装更多的元器件，因此提高布线密度，并实现多层次互通互连显得十分必要。近年来，由于多层互连的高厚径比深微孔工艺克服了传统叠孔工艺多次压合带来的板件变形、尺寸涨缩以及电镀凹陷等一系列问题，因此采用深微1972023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating孔工艺的线路板产品越来越多，其在通信、医疗、数据中心等终端产品上应用非常广泛，具有广阔的市场前景12。但是，深微孔产品在电镀加工过程中经常出现盲孔蟹脚和镀层结晶异常等缺陷，其对PCB产品的可靠性具有重大的影响，故此类问题亟待研究与改善。1 机理分析电镀过程一般由以下三个主要步骤组成3：反应粒子向电极表面的扩散传递（液相传质）、在电极表面得到电子变成吸附原子（电化学反应）、吸附原子向晶格内嵌入形成沉积层（新相生成步骤）。在电镀过程中，造成高厚径比深微孔板件电镀效果较差的原因有很多45，其中溶液交换存在差异是造成盲孔内部铜厚分布不均的主要原因。盲孔蟹脚的产生主要是由于盲孔底部孔角位置的镀液交换速度明显比盲孔内其他位置弱，孔角位置的铜离子浓度更小，在电流密度相同的情况下，孔角位置的铜沉积厚度明显低于孔底中间部位，因此呈现出孔底中间部位铜层厚，孔角位置铜层较薄甚至断裂的现象（如图1所示）。图1 盲孔蟹脚、结晶异常缺陷朱凤鹃、陈于春等人研究报道67，镀铜反应从Cu2+2eCu这个过程中，对镀层结晶状态及形貌影响的因素有很多，特别在采用脉冲电镀工艺时，由于正反向电流交替作用，阴、阳极不断变化会增加电极状态的复杂程度，并且在反向电流作用时，阴极区的铜离子浓度会迅速上升，这也会改变局部溶液的扩散状态，从而导致镀层结晶异常。因此，采用脉冲电镀时，电流密度、正反电流比、正反时间比等电镀参数，硫酸、硫酸铜浓度等药水参数以及镀液扩散速度等都对镀层的结晶状态及盲孔蟹脚存在影响。2 实验部分2.1 工艺流程开料图形压合机械钻孔激光钻孔去钻污沉铜电镀烘干测试2.2 试验设备本测试是在我司VCP脉冲电镀线进行，所采用的电镀参数如下：电流密度范围为10 ASF20 ASF，正反电流比范围为1:2/1:2.4/1:3，正反电流时间比范围为20:1/80:4/100:5；电镀波形为分段波形，电镀时间为80 min/次。深微孔蟹脚与结晶形貌采用金相显微镜进行观察与测量。2.3 试验板设计首先在板厚4 mm的板件上设计出不同孔径、Pitch和密集度的深微孔BGA矩阵，其具体规格如表1所示。待试验板经过电镀、烘干流程后，在BGA密集孔区域中间位置取样后制作金相切片，并用金相显微镜对深微孔蟹脚与结晶形貌进行观察与测量。2023春季国际PCB技术/信息论坛198电镀涂覆 Electroplating and coating表1 不同规格深微孔规格表3 镀液侧喷流动模型与仿真分析电镀铜是一个复杂的电化学过程，涉及电场、流场、化学反应、物质传递等多个物理场的交互耦合作用。特别是对于高厚径比板件电镀来讲，镀液的流动方式会严重影响孔内镀液的流动速度以及边界层厚度，从而对通孔深镀能力及盲孔造成影响。目前业界常用的循环方式有三种：（1）鼓气：利用鼓气对溶液进行循环，加快铜离子的扩散速率，同时垂直于阳极的摇摆能够给板面施加一个正压力，强迫溶液穿过孔内，从而起到溶液交换的作用。（2）底喷：平行于板面的喷流，通过通孔两端的压力差迫使镀液流过通孔进行镀液循环，提高通孔电镀铜均匀性。（3）侧喷：垂直于板面方向的喷流，业内水平电镀线和垂直电镀线在新线体的设计上大多数使用喷流，用以增强孔内流动。我司脉冲VCP线体采用的是侧喷的方式进行镀液循环，但是目前关于镀液侧喷流动的相关研究较少，可以参考的文献寥寥无几，因此本文拟通过有限元分析的方法对工厂脉冲VCP线体的实际镀液流动状态进行模型建立和仿真模拟，从而对侧喷时镀液的流动情况进行分析，对实际生产进行指导。3.1 脉冲VCP侧喷物理模型与仿真计算模型假设：（1）电解质为牛顿流体；（2）镀槽中的电解质的扩散系数、密度、粘度等传输特性以及动力学参数在铜沉积过程中保持不变；（3）与扩散和对流传输相比，电活性物质的电迁移可忽略不计；（4）镀液中的温度分布时均匀的；（5）流动控制方程为Navier-Stockes方程。对于酸洗镀铜电镀液来说，密度1150 kg/m3，动力学粘性系数1.710-3 PaS。图3 电镀侧喷系统的物理模型与计算网格编号 孔径/m Pitch/m 矩阵密度 1 196 784 3030 2 196 784 5050 3 245 833 3030 4 245 833 5050 5 294 882 3030 6 294 882 5050 7 343 931 3030 8 343 931 5050 1992023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating基于上述模型假设，取一个喷嘴的喷流作为研究对象，镀液从喷嘴出口以初速度U垂直于板面喷射。空间离散采用有限体积法，计算域的设定如图3（b）所示：D/E/F为喷管一侧，总体为计算域的左边界；E为单根喷管的模型位置，高度为4 cm，其内径为2 mm，设置为计算模型的速度和压力入口。A/C分别为计算域的上下边界，边长皆为11 cm，模拟喷管出口至板面的距离。B为PCB板件表面，忽略密集孔的影响，将其视为光板，设置为计算模型的速度和压力出口。边界条件为：板面取速度无滑移条件，喷嘴入口取速度条件，其余边界取远场速度条件，并在主流区和板面进行局部网格加密。图4 不同喷嘴出口流速时板面的流速分布图当我们将喷嘴的流速分别设置为1 m/s、2 m/s、5 m/s、20 m/s时，板面附近的流体状态仿真如图4所示，流速分布数据见表1。由此可知，喷嘴的流速在粘性流体中进行扩散时速度损失较大，几乎都大于50%以上，所以喷嘴出口速度的改变对喷流效果的影响非常显著。表1 不同出口流速下板面的流速3.2 镀液流速理论计算与实际测量为了更清楚地了解在不同喷流频率下，脉冲VCP线体镀液实际的流动状态，我们记录了在单位时间内单个喷嘴的实际喷流流量，并通过理论计算得到了不同喷流频率时镀液在板面的实际流速数据。其中，脉冲VCP线体镀液侧喷系统的设备参数如表2所示，喷嘴出口实际流速测量值如表3所示。从图5可知，随着喷流频率的增大，喷嘴出口的流速逐渐增加，当喷流频率分别为35 HZ、50 HZ、60 HZ时，喷嘴上端出口的流速分别为5.3 m/s、8.1 m/s、9.5 m/s，喷嘴下端出口的流速分别为5.6 m/s、8.6 m/s、9.6 m/s。由此可知，在编号 喷嘴出口流速（m/s）PCB板面流速（m/s）流速衰减率 a 1 0.41 59%b 2 0.85 58%c 5 2.01 60%d 20 9.19 54%2023春季国际PCB技术/信息论坛200电镀涂覆 Electroplating and coating相同的喷流频率下，喷嘴上、下端的镀液流速存在一定的差异，但其流速差值比例小于5%，可近似认为同一根喷管上不同喷嘴的出口流速相同。另外，结合本文3.1所述镀液在粘性流体中的仿真数据结果，我们以流速损失50%为基础进行计算，可知当喷流频率设置为35 HZ、50 HZ时，板面附近的镀液流速为2.8 m/s、4.3 m/s。小结：（1）在脉冲VCP喷流流场内，从喷嘴到板面的喷流流速衰减为50%左右。（2）在当前设备条件下，当喷流频率设置为35 HZ、50 HZ时，板面附近的镀液流速为2.8 m/s、4.3 m/s。表2 镀液侧喷系统设备参数（脉冲VCP线体）编号 项目 参数 1 单根喷管总长度 92 cm 3 相邻喷嘴间距 4 cm 4 单根喷管喷嘴数量 16/15个 5 单根喷管主管道内径 2.5 cm 6 单个喷嘴内径 2 mm 7 单个喷嘴长度 3 cm 8 单台泵控制喷管数量 24根 9 单台泵额定功率 5P 表3 镀液侧喷系统喷嘴出口实际流速（脉冲VCP线体）喷嘴位置 喷流频率 流量均值/（L/min）流速均值/（m/s）上端 35 HZ 0.99 5.3 50 HZ 1.53 8.1 60 HZ 1.79 9.5 下端 35 HZ 1.05 5.6 50 HZ 1.63 8.6 60 HZ 1.82 9.6 图5 镀液侧喷系统喷嘴上下端实际流速对比（脉冲VCP线体）2012023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating3.3 盲孔电镀物理模型与仿真分析盲孔电镀的基本理论模型假设同3.1所述，本试验将选取孔径为12 mil，厚径比分别为0.6:1、1:1、1.5:1类型的盲孔作为研究对象，分别设置其入口流速为0.5 m/s、2 m/s、5 m/s、20 m/s对盲孔内部镀液流动状态进行仿真模拟。其空间离散也采用有限体积法，盲孔孔口上部1/2长度为速度和压力入口，盲孔孔口下部1/2长度为速度和压力出口。盲孔底部和两侧边界为计算域边界，边界条件同上述通孔模型：板面取速度无滑移条件，喷嘴入口取速度条件，其余边界取远场速度条件，并在主流区和板面进行局部网格加密，盲孔的物理模型与计算网格如图6所示。图6 盲孔电镀的物理模型与计算网格3.4 不同喷流速度对盲孔的影响当盲孔的孔径为12 mil（300 m），介厚为180 m，厚径比为0.6:1，产品板面流速设置为0.5 m/s、2 m/s、5 m/s、20 m/s时，其孔内的流速分布模拟见图7，流速计算数值见图8。图7 厚径比0.6:1时不同流速下盲孔内部流动状态模拟图8 厚径比0.6:1时不同流速下盲孔内部镀液的数值分析2023春季国际PCB技术/信息论坛202电镀涂覆 Electroplating and coating由上述可知，当盲孔的厚径比为0.6时，盲孔底部的镀液在中间部位流速最高，且从中间位置向孔角流速呈不均匀减小趋势，在底部孔角位置镀液的流速降低最大，这种流速的分布不均匀可能是造成蟹脚最主要的原因。当入口流速设置为0.5 m/s5 m/s时，孔角位置的流速为0 m/s1.3 m/s，意味着镀液在孔角位置流动很慢。为了将理论分析数值与盲孔实际电镀加工效果进行匹配，我们测试了在不同喷流频率、不同电流密度下盲孔的加工效果。如图9所示，盲孔孔径12 mil，厚径比0.6，电流密度15 ASF/25 ASF，喷流频率分别为35 HZ/50 HZ，盲孔电镀后均无镀层结晶及蟹脚等缺陷。图9 厚径比0.6:1时不同频率下盲孔电镀切片图小结：由此可知，10 mil/12 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为35 HZ（板面喷流速度需达到2.8 m/s）时，盲孔厚径比0.6类型的板件在电流密度25 ASF可以正常加工。序号线体喷流方式厚径比孔径喷流频率电镀参数盲孔图片判定结果1PVCP侧喷0.612 mil35HZ15ASFOK2PVCP侧喷0.610 mil35HZ15ASFOK3PVCP侧喷0.612 mil50HZ15ASFOK4PVCP侧喷0.610 mil50HZ15ASFOK5PVCP侧喷0.612 mil35HZ25ASFOK6PVCP侧喷0.612 mil50HZ25ASFOK 2032023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating3.5 不同厚径比时流体状态仿真如图10所示，我们选取了孔径为12 mil，厚径比分别为0.6/1.0/1.5的盲孔模型进行对比，并将盲孔的入口流速都设置为2 m/s。由表5所示，在相同的入口流速下，当盲孔的厚径比由0.6、1.0、1.5逐渐增大时，盲孔孔角的流速逐渐变小。当入口流速设置为2 m/s（35 HZ）时，厚径比0.6/1.0/1.5孔角的最大流速分别为0.9/0.19/0 m/s，由此说明在该喷流条件下，随着盲孔厚径比增大，孔底的镀液很难发生交换。图10 相同流速下不同厚径比盲孔流动状态对比表5 不同厚径比时盲孔内部流速分布为了观察增大喷流强度对提高AR1的盲孔孔角镀液交换是否有效，我们拟采用AR=1.5的盲孔模型，并将入口流速初始值设置为20 m/s进行计算，结果显示即使喷流初始速度增大至20 m/s，盲孔孔角位置的镀液流动没有得到较大的改善（见图11）。并且由图11（右图）可知，当AR=0.6时，孔内环流可以影响到孔底，但是随着厚径比增大，环流区不再增大，因此对于厚径比大于l的盲孔，孔底的镀液很难发生交换，这是AR1的盲孔镀通率很低的一个重要原因。由此可见，对于AR1的盲孔，如果通过增强喷流来提高其镀通率行不通时，须借助其他手段，如高频振动、高频声波等来增强孔内的扰动，从而达到促进孔内镀液交换的目的。图11 厚径比1.5:1时盲孔流动状态模拟为了将理论分析数值与盲孔实际电镀加工效果进行匹配，我们测试了不同孔径时盲孔的加工效果。如图12所示，盲孔孔径814 mil，厚径比1：1，电流密度25 ASF，喷流频率为50 HZ，测试结果如下图所示。在该电镀加工参数下，编号 孔径 介厚 厚径比 盲孔进口流速m/s 盲孔底部中间流速m/s 盲孔底部孔角流速m/s 1 12 mil 7.2 mil 0.6 2 1.22.5 0.30.9 2 12 mil 12 mil 1 2 0.51.2 00.19 3 12 mil 18 mil 1.5 2 0 0 4 12 mil 18 mil 1.5 20 02 0 2023春季国际PCB技术/信息论坛204电镀涂覆 Electroplating and coating孔径8 mil/10 mil/12 mil的盲孔电镀效果良好，没有出现镀层结晶和蟹脚缺陷。但是，在相同的电镀参数下，同样厚径比为1:1，孔径为14 mil的盲孔出现了孔角镀层断裂现象，并且由图12可知该镀层断裂部位全部位于孔角右侧，其朝向为靠近夹点方向，说明电镀加工时孔底下侧位置的镀液交换效果比上侧更强，同时这种溶液交换差异会因盲孔厚径比增大、介质厚度增加被放大，从而造成镀层断裂。针对此类型厚径比高、介质厚度大的盲孔板件时，我们可以采用降低电流密度，将1次电镀流程改成2次电镀流程，并且第二次电镀时将夹点倒置进行加工，从而减少上下孔底溶液交换差异对盲孔可靠性的影响。图12 厚径比1:1时盲孔加工效果小结：（1）812 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为35 HZ（板面喷流速度需达到2.8 m/s）时，盲孔厚径比0.6的板件能够在25 ASF大电流条件下加工。（2）812 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为50 HZ（板面喷流速度需达到4.3 m/s）时，盲孔厚径比1:1的板件能够在25 ASF大电流条件下加工。14 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为50 HZ（板面喷流速度需达到4.3 m/s）时，盲孔厚径比1:1的板件在25ASF大电流条件下出现盲孔蟹脚以及镀层不连续的缺陷。由此说明，在调整单一喷流模型的情况下，无法得到良好的盲孔镀层，还需要对电镀参数与盲孔厚径比进行参数匹配。3.6 电镀参数的影响从前面的仿真分析和测试结果可知，在厚径比较低的条件下，针对孔径为196 m29 m的盲孔，可以通过调整喷流速度，使用20 ASF的高电流密度参数进行加工，但是对于孔径为343 m，厚径比1:1的盲孔，仍存在蟹脚等缺陷，说2052023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating明电镀参数组合对深微孔加工结果具有重要影响，故本试验拟对电流密度、波形时间比、正反比等电镀参数进行研究，其结果如表5所示。从试验1/2/3可知随着正反比、波形时间比的增加，当电流密度设置为25 ASF，电流密度较大时，盲孔会出现蟹脚、结晶异常等问题。从试验4可知，将电流密度设置为20 ASF，波形时间比为20:1，正反比为1:2.4时，盲孔的电镀效果较好，由此可知电流密度的降低可以对盲孔的电镀效果进行改善。因此在接下来的试验中，我们尝试将电流密度降低为15 ASF，并通过将正反比调整为1:3/1:2/1:1梯度降低的方式来改善盲孔部分结晶异常的问题，发现该方案中盲孔的电镀效果良好。且在该电镀参数下，如试验6所示，厚径比为1:1的1-4层互连的深微孔板件也具有较好的加工效果，未出现蟹脚及镀层结晶异常缺陷。表5 电镀参数对盲孔电镀能力的影响4 总结综上，我们对试验结果进行总结如下：（1）812 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为35 HZ（板面喷流速度需达到2.8 m/s）时，盲孔厚径比0.6的板件能够在25 ASF大电流条件下加工。试验序号厚径比电流密度/ASF正反比正反时间比 喷流频率/HZ盲孔图片蟹脚缺陷结晶缺陷判定结果10.7:1251:220:150有无NG20.7:1251:2.420:150有无NG30.7:1251:3100:550有有NG40.7:1201:2.420:150无无OK50.7:1151:3/1:2/1:1100:550无无OK50.7:1151:3/1:2/1:1100:550无无OK61:1151:3/1:2/1:1100:550无无OK2023春季国际PCB技术/信息论坛206电镀涂覆 Electroplating and coating（2）812 mil的盲孔板件，当喷流频率设置为50 HZ（板面喷流速度需达到4.3 m/s）时，盲孔厚径比1的盲孔镀通率很低的一个重要原因。对AR1的盲孔，如果通过增强喷流来提高其镀通率行不通时，需进一步研究高频振动、高频声波等来增强孔内的扰动，从而达到促进孔内镀液交换的目的。参考文献1 何立发.5G通讯对移动通讯终端用电路板技术的新挑战J.电子元器件与信息技术,2019,8(3):43-45.2 曾红.高密度互连(HDI)印制电路板技术现状及发展前景J.工程技术,2018,31:13-15.3 李荻.电化学原理(第三版)M.北京航空航天大学出版社,2008,05.4 彭佳.PCB 电镀铜添加剂作用机理研究进展J.电镀与精饰,2016,38(12):15-22.5 李亚冰.印制线路板微孔镀铜研究现状J.电镀与精饰,2007,29(1):32-35,39.6 陈于春.印制电路板电镀深镀能力影响因素的研究D.硕士论文,2009,10.7 朱凤鹃.通孔电镀铜添加剂的筛选及其作用机理的探讨D.硕士论文,2008,06.第一作者简介王康磊，大连理工大学硕士，主要负责湿法制程相关工作。