印制电路板镀液贯穿式通孔电沉积铜的行为研究

发布时间：2017-08-01 07:53

  本文关键词：印制电路板镀液贯穿式通孔电沉积铜的行为研究

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【摘要】：电子产品功能集成与高性能要求,牵引着其元器件支撑体印制电路板的发展趋于小型化、功能化和高集成度化。通孔电镀铜是高性能印制电路板实现层间互连的方法之一,其质量将直接影响电子产品的电气可靠性、寿命等。在印制电路板对集成度和布线密度逐渐增加的趋势下,印制电路板互连所用的通孔厚径比随之提高,进而造成微孔镀液交换速率低下,孔内镀层厚度不均匀以及通孔均镀能力值减小。因而,通孔电镀铜均镀能力的提高对促进印制电路板技术的发展具有重要意义。本论文围绕印制电路板微通孔电镀铜均镀能力的提高开展系统研究,发明了一种高厚径比新型通孔电镀装置,并在该装置基础上考察印制电路板通孔的铜电沉积行为。提升微孔电镀技术的电镀均匀性和均镀能力是获得优良层间互连的基础,电镀过程的传质行为与多物理场因素控制是获得优质镀层的基本条件。本文发明的新型通孔电镀装置利用重力作用使微孔内镀液产生强制对流,从根本上改变电镀过程中镀液的传质过程,并且通过改进电极放置方式形成了新型通孔电镀装置施镀过程中均匀分布的电场、流场、温度场和磁场等多物理场效应,从而提升微孔电镀均匀性和均镀能力。与哈林槽相比,使用新型通孔电镀装置实现通孔电镀的研究结果表明:通孔厚径比为10.6(3.2:0.3)的均镀能力提升29.8%,通孔厚径比为12.8(3.2:0.25)的均镀能力提升32.7%且各厚径比通孔均镀能力差值小,最小值为0.7;增加施镀的电流密度,得到一致的实验结果,通孔厚径比为10.6的均镀能力提升18.1%,通孔厚径比为12.8的均镀能力增加22.4%。根据电化学原理,微孔中铜的电沉积行为不仅受到镀液传质、电场分布等因素的影响,同时也与镀液中添加剂存在形态、浓度等息息相关。对于要求具有优良电气性能铜镀层的印制电路板微孔电镀来说,添加剂的影响更为重要。论文采用正交实验设计方法优化新型通孔电镀装置电镀液添加剂浓度、电流密度和电镀液流量等影响条件,并研究了其对均镀能力的影响。结果获得了通孔电镀液的最佳电镀液添加剂浓度值与施镀电流密度;电镀内外槽的最佳电镀液面差为2 cm,即最佳电镀液流量为0.5 L/min,此时,通孔的均镀能力为79%,镀层平整致密,铜晶粒择优取向为(220)晶面。另外,在无整平剂体系中,新型通孔电镀装置的均镀能力明显高于哈林槽,并且能够保证良好的镀层形貌、结构和晶粒生长取向。印制电路板工业制造是一个连续过程,镀液中金属离子等杂质离子的积累效应会对工艺稳定性产生影响,其中铁离子的积累与行为最受关注。近年来随着不溶性阳极钛网的使用,钛离子和铵离子等杂质离子的积累与行为也引起人们的关注。在该新型通孔电镀装置的基础上研究杂质离子对通孔电沉积铜的影响,研究表明:铁离子电对会提升通孔均镀能力,厚径比为6.4(1.6:0.25)的通孔均镀能力从70.9%增加到76.0%,此外,镀液中加入铁离子电对可改善镀层平整性,降低镀层铜晶粒粒径尺寸且不会改变镀层成分和抗热冲击能力,但是会显著降低电流效率,增加电镀过程的电能消耗;电镀液中加入钛离子会小幅度提升电流效率;电镀液中加入铵离子并不会影响电流效率;此外,电镀液中含有钛离子和铵离子并不会影响均镀能力和镀层的抗热冲击能力且还可改善镀层的平整性。为探究铁离子电对加入电镀液后影响通孔电镀的原因,应用循环伏安测试方法考察铁离子电对加入电镀液的电化学行为。实验结果表明:电镀液中引入铁离子电对后在阴极发生还原反应并成为铜沉积的竞争反应,从而会导致电流效率下降,但是铁离子电对的存在会提升均镀能力;此外,电镀液中的铁离子电对并不会影响添加剂的电化学行为。
【关键词】：印制电路 通孔互连 电镀铜 电镀装置
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 印制电路板电镀铜技术11-15
• 1.1.1 印制电路板的定义、分类和互连结构11
• 1.1.2 电镀铜技术11-13
• 1.1.3 印制电路板常用电镀铜体系13-15
• 1.1.3.1 焦磷酸盐电镀铜体系13
• 1.1.3.2 氰化物电镀铜体系13-14
• 1.1.3.3 硫酸盐电镀铜体系14-15
• 1.1.3.4 其他电镀铜体系15
• 1.2 印制电路板电镀铜技术研究进展15-21
• 1.2.1 印制电路板镀铜装置研究15-20
• 1.2.2 电镀液中杂质离子对电沉积铜的影响研究20-21
• 1.3 论文的选题意义和研究内容21-23
• 1.3.1 选题意义21
• 1.3.2 研究内容21-23
• 第二章 镀液贯穿式通孔电沉积铜的行为研究23-46
• 2.1 镀液贯穿式结构设计和电镀方法23-24
• 2.1.1 镀液贯穿式结构23-24
• 2.1.2 镀液贯穿式电镀方法24
• 2.2 镀液贯穿式对通孔电沉积铜的影响24-32
• 2.2.1 实验仪器及药品24-25
• 2.2.2 镀液贯穿式通孔电沉积铜实验25-26
• 2.2.3 镀液贯穿式通孔电沉积铜研究结果与讨论26-32
• 2.2.3.1 镀液贯穿式对均镀能力的影响26-30
• 2.2.3.2 镀液贯穿式对铜镀层表面形貌和择优取向的影响30-32
• 2.3 镀液贯穿式电镀液配方的优化研究32-36
• 2.3.1 电镀液配方优化实验32
• 2.3.2 电镀液配方优化研究结果与讨论32-36
• 2.3.2.1 电镀液添加剂及电流值的优化32-34
• 2.3.2.2 电镀液流量的优化34-36
• 2.4 镀液贯穿式中整平剂对通孔电沉积铜的影响36-44
• 2.4.1 整平剂对通孔电沉积铜的影响实验37
• 2.4.2 整平剂对通孔电沉积铜的影响研究结果与讨论37-44
• 2.4.2.1 整平剂浓度对通孔电沉积铜的影响37-41
• 2.4.2.2 无整平剂镀液体系对通孔电沉积铜的影响41-44
• 2.5 本章内容小结44-46
• 第三章 杂质离子对通孔电沉积铜的影响研究46-60
• 3.1 实验仪器及药品46
• 3.2 杂质离子对通孔电沉积铜的影响实验46-48
• 3.3 杂质离子对通孔电沉积铜的影响研究结果与讨论48-58
• 3.3.1 杂质离子对电流效率的影响48-49
• 3.3.2 杂质离子对均镀能力的影响49-52
• 3.3.3 杂质离子对镀层形貌的影响52-58
• 3.3.4 杂质离子对镀层抗热冲击能力的影响58
• 3.4 本章内容小结58-60
• 第四章 Fe~(2+)/Fe~(3+)对电镀液性能的影响研究60-77
• 4.1 实验仪器及药品60
• 4.2 Fe~(2+)/Fe~(3+)对电镀液性能的影响实验60-61
• 4.3 Fe~(2+)/Fe~(3+)对电镀液性能的影响研究结果与讨论61-76
• 4.3.1 Fe~(2+)/Fe~(3+)对基础镀液的影响62-64
• 4.3.2 Fe~(2+)/Fe~(3+)对整平剂的影响64-66
• 4.3.3 Fe~(2+)/Fe~(3+)对抑制剂的影响66-69
• 4.3.4 Fe~(2+)/Fe~(3+)对光亮剂的影响69-71
• 4.3.5 Fe~(2+)/Fe~(3+)对电镀铜液的影响71-74
• 4.3.6 Fe~(2+)/Fe~(3+)对镀层厚度、电流效率及均镀能力的影响74-76
• 4.4 本章内容小结76-77
• 第五章 结论77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-84
• 攻读硕士学位期间取得的成果84-85

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