正反向脈沖電鍍在通信背板通孔互連中的應用

陳雪麗 王 翀

（電子科技大學材料與能源學院，四川 成都 610054）

何 為 張偉華 陳苑明

（珠海方正科技高密電子有限公司 珠海方正科技多層電路板有限公司，廣東 珠海 519175）

陶應國

（四川海英電子科技有限公司，四川 遂寧 629000）

0 引言

隨著5G商用時代的來臨，5G基站等網絡基礎設施建設正在加速推進，對通信印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的要求更高、需求量更大，極大地推動了PCB行業的快速發展。在5G基站中，通信背板是移動基站中面積最大的線路板，通信背板的發展趨勢是承載子板的數量不斷增加、信號損耗不斷減少，推動背板朝著尺寸更大、層數更多、板厚更厚、孔徑更小、布線更密的方向發展。多層通信背板的板厚/層數（多達10 mm/56層）不斷增加，而孔徑卻不斷減?。ǖ椭?00 μm～500 μm），導致板的厚徑比（Aspect Ratio，AR）不斷增加[1]-[3]，這使得微小通孔鍍銅的難度不斷增加，這對通信背板通孔互聯技術提出了更大地挑戰。高厚徑比通孔電鍍銅是實現多層通信背板層間互連互通的關鍵技術，也是PCB行業研究人員長期以來關注的技術難點。

關于高厚徑比通信背板通孔電鍍銅技術，一般可以從電鍍設備和電鍍添加劑兩方面來研究。對于高厚徑比的微小通孔，電鍍過程中存在歐姆電阻與邊緣效應。在傳統的直流電鍍中，歐姆效應與邊緣效應產生的孔口/孔中心電流密度分布不均勻，往往會使微小通孔出現從孔口到孔中心鍍層厚度逐漸減小的現象，導致孔口/孔中心銅沉積地極度不均勻，形成狗骨形鍍層[4]，嚴重時甚至出現封孔[5][6]，難以實現層間良好的互聯互通。正反向脈沖電鍍是用于高厚徑比通孔電鍍的實用技術之一，由于其具有特殊的關斷時間，能有效補充孔中心的物質消耗，在一個電鍍周期內，短時高電流密度的反向脈沖可再溶解孔口鍍層的凸起，減小孔口與孔中心鍍層厚度差異，避免“狗骨”形鍍層的產生。正反向脈沖電鍍能有效提高鍍層均勻性，使其在高厚徑比通信背板通孔互連方面迅速得到重視。

工程初步擬定為固結灌漿施工方案。后經洞口部位開挖揭露地層條件看，表層崩積體下方為古河道沖積物，主要為泥沙層夾雜部分碎石、卵石等，且泥砂結合緊密，但無膠結情況。為進一步確定該部位地層情況，經在洞頂上方1m處探孔施工情況分析，主要為泥砂層。為取得較好的施工效果，調整該部位灌漿采用管棚灌漿方案，管棚為主，灌漿加固為輔。此種類型的管棚灌漿可采用花管灌漿工藝，在管棚管上間距0.5m打設一環出漿孔。同時由于為水平孔施工，孔斜不易保證，鉆孔灌漿可按開挖段循環進行。每循環灌漿孔孔深為20m。

高校管理“機關化”。行政凌駕于學術、教學之上，“官本位”盛行于校園，“學者爭相入仕”。隨著我國高校獨立法人地位的確立，高校在招生錄取、經費使用、機構設置、建設項目安排、設備物資采購、干部聘任和獎金分配等方面擁有的自主權越來越多，高校領導干部和職能部門的權力也越來越大。而且高校黨政“一把手”多為廳級或副部級干部，其任免根據隸屬關系多由上級黨委組織部門實施。但如此一來，監督往往鞭長莫及，形同虛設。一方面高校內部的紀檢監察部門無法監督自己的黨政領導；另一方面同級和上級黨委紀檢監察部門的監督，往往是在“東窗事發”之后才介入調查，這個時候已經晚了“半拍”。

老版《梅葛》一書的后記，也印證上述工作原則。“在整個調查和搜集過程中，我們都堅持與勞動人民同吃、同住、同勞動，參加了大戰鋼鐵和秋收秋種、辦人民公社等運動，大力向群眾宣傳黨的政策，因而很快地與勞動人民打成一片，逐步熟悉了他們的生活、風俗習慣和思想。”

本文以孔徑200 μm、厚徑比18∶1通孔板為研究對象，對比了直流電鍍和正反向脈沖電鍍對微小通孔金屬化的影響；設計了正交實驗方法對脈沖電鍍參數進行優化，探究了正反向脈沖電鍍的電流幅值比、正反向脈沖時間比等關鍵操作對小孔鍍層均勻性的影響，為高厚徑比通信背板通孔互連的研究提供了技術指導。

1 實驗部分

1.1 通孔測試板制備

1.3.2 鍍層性能測試

1.2 通孔電鍍銅

直流電鍍電流密度為1.6 A/dm2，脈沖電鍍平均電流密度為1.6 A/dm2，電鍍后結果如圖2。圖2中（a）和（d）分別為直流和正反向脈沖電鍍后通孔的截面圖，（b）和（c）為直流電鍍后孔口面銅和孔中心鍍層的切片圖，（e）和（f）為正反向脈沖電鍍后孔口面銅和孔中心鍍層的切片圖。根據式（1）計算均鍍能力TP，直流電鍍下TP只有約30%，而相同平均電流密度的正反向脈沖電鍍下TP卻可達63%，從切片圖可看到，脈沖電鍍明顯增加了孔中心銅厚，同時削減了孔口面銅厚度，故正反向脈沖電鍍較直流電鍍能顯著提高鍍層均勻性。

從極差分析結果可知，正反向脈沖電流幅值比和正向電流密度對通孔鍍層均勻性影響都較大，正反向脈沖時間比影響較小。從均值分析可知，使鍍層均勻性較好的較優組合為正反向脈沖電流幅值比為1∶3.5，正反向脈沖時間比為100∶5，正向電流密度為1.5 A/dm2。

1.3 性能測定

1.3.1 通孔均勻性評價

固定基礎鍍液不變。以均鍍能力TP為指標，按L9（33）正交表對脈沖電鍍參數（正反向脈沖電流幅值比、正反向脈沖時間比、正向電流密度）進行優化，實驗結果見表1、圖3和圖4。

采用漂錫熱沖擊試驗檢測測試板鍍層的可靠性，主要步驟為：將電鍍后的樣板置于120 ℃的恒溫干燥箱中烘烤4 h后冷卻至室溫，用自動切片取樣機取需測試孔區域切片，隨即將其置于288 ℃的無鉛錫爐中進行熱沖擊，經過熱沖擊后的切片需冷卻至常溫再進行下一次沖擊，一共沖擊5次，每次10 s。最后將切片灌膠，研磨、拋光、微蝕后，采用金相顯微鏡放大200倍觀察是否有孔裂、銅層斷層、分離等不良現象。

圖1 通孔鍍層均勻性表征示意圖

將依次經開料、層壓、鉆孔得到的通孔板經過等離子體（plasma）除膠后，直接進入水平化學沉銅線（線速：1.5 m/min，時間：40 min），為能較長時間保存，測試板采用板電鍍線工藝在0.55 A/dm2電流密度下電鍍45 min，鍍層約5 μm。孔徑200 μm，板厚3.6 mm，尺寸46 cm×61 cm基板，用垂直連續電鍍（VCP）產線電鍍槽制作測試板，將部分基板銑為尺寸15 cm×5 cm的小板用哈林槽制作測試板。

取電鍍后的測試板做成切片，用磨拋機研磨、拋光至200 μm通孔孔中心處，用微蝕液咬蝕出晶界，采用奧林巴斯BX-51金相顯微鏡觀察通孔橫截面，測量不同部位的鍍層厚度。按式（1）六點法計算均鍍能力TP[7][8]，如圖1所示，a、b、c、d是鍍層的面銅厚度，e、f為孔中心的鍍層厚度。

2 實驗結果與討論

2.1 直流電鍍與正反向脈沖電鍍對比結果

兩種電鍍基礎鍍液均為CuSO4·5H2O（95 g/L）、H2SO4（240 g/L）、Cl-（70 mg/L）；添加劑為羅門哈斯PPR-II系列，包括鍍銅光澤劑XB（2 mL/L）、PPR-II鍍銅輔助劑XC（15 mL/L）、穩定劑R（0.4 mL/L）、補充劑（3 mL/L）。

測試板電鍍前需進行預處理，具體步驟為：除油（H2SO4：92 g/L，45 ℃±5 ℃，5 min）、水洗（去離子水）、酸洗（H2SO4：210 g/L，常溫，1 min）。采用東莞市力源電器設備有限公司的HPNF-2*Z50 AF150 A/10 V高頻正負脈沖電源，在VCP電鍍槽和1.5 L哈林槽進行實驗。將46 cm×61 cm測試板夾在產線電鍍夾上作為電鍍陰極，可溶性磷銅球（含磷0.05%）裝入鈦籃作陽極。將15 cm×5 cm測試板夾在哈林槽中間作為電鍍陰極，可溶性磷銅板作為哈林槽陽極。采用直流電鍍和正反向脈沖電鍍兩種電鍍方式?；A鍍液（VMS）為：CuSO4·5H2O、H2SO4、Cl-，添加劑為：羅門哈斯PPR-II系列（光澤劑XB、輔助劑XC、穩定劑R、補充劑）；MPS（3-巰基-1-丙烷磺酸鈉）、SPS（聚二硫二丙烷磺酸鈉）、EO（環氧乙烷）-PO（環氧丙烷）。

圖2 直流電鍍（左）和正反向脈沖電鍍（右）后通孔切片圖

2.2 脈沖參數優化結果

二是一些項目監理、施工單位對石漠化治理工程建設工作的認識、重視不夠、組織乏力，部分工作人員責任心不強，具體工作存在缺位、失位情況，對工作中存在和出現的問題未能及時發現并采取有效解決措施，對相關單位作出的整改要求不認真落實，導致部分措施施工質量不高，建設進度緩慢。

由于互聯網的快速普及和發展，中國正成為全球奢侈品牌打破傳統的破冰之地，更成為創新營銷的先行戰場，中國消費者的購物行為和生活習慣成為了全球奢侈品牌們研究的典型樣本。據華麗志發布的《2017年度中國時尚消費調查報告》顯示，2017年8090后高端時尚消費者中，34.8%的人消費的最貴單品價格在萬元以上，其中有16.75%的男性消費者購買的最貴單品是腕表。這在一定程度上說明了，中國8090后正在成長為鐘表品牌們的潛在客戶。

使用上述正交實驗分析所得較優脈沖參數組合進行驗證實驗，進行三次平行實驗，實測TP值分別為：71.5%、70.6%、72.5%，平均TP為71.5%，鍍層均勻性低于試驗1的脈沖參數組合，可見最優的脈沖參數組合為：正反向脈沖電流幅值比1∶3、正反向脈沖時間比20∶1、正向電流密度1.5 A/dm2，均鍍能力TP可達78%，圖5為最佳脈沖參數下的面銅、孔口、孔中心切片圖。

我們以羅哈PPR-II作為對照組，采用上述最佳脈沖參數在哈林槽中對自研正反方向脈沖添加劑配方進行了實驗，以同樣的測試板在哈林槽中進行三次平行實驗，實測TP值為78.5%、77.6%、78.9%，平均TP為78.3%，電鍍后通孔截面圖見圖6。與羅哈PPR-II系列鍍液相比，自研正反向脈沖添加劑鍍液配方對孔徑200 μm、厚徑比18∶1的通孔能達到類似的電鍍效果。

表1 正交試驗結果

圖3 脈沖參數的均值主效應圖

圖4 在不同脈沖參數下電鍍后通孔的截面圖例

圖5 最佳組合參數下電鍍后切片圖（a）面銅、（b）孔口、（c）孔中心

圖6 自研鍍液配方電鍍后通孔截面圖

2.3 鍍層可靠性

使用自研鍍液配方電鍍后的測試板經過漂錫熱沖擊試驗，從圖7可以看出，鍍層未出現孔裂、銅層斷層、分離等不良現象，說明銅鍍層的可靠性良好，符合印制電路板相關標準的要求。

圖7 漂錫后通孔金相照片

3 結論

（1）對孔徑200 μm、厚徑比18∶1通孔，電流密度相同時，在正反向脈沖電鍍下鍍層均勻性遠高于直流電鍍，說明正反向脈沖電鍍適用于高厚徑比微通孔的電鍍。

（2）通過正交試驗得到高厚徑比通孔電鍍銅的最優脈沖參數組合為：正反向脈沖電流幅值比1∶3、正反向脈沖時間比20∶1、正向電流密度1.5 A/dm2，該參數組合下鍍液均鍍能力TP可達78%。將該參數用于自研鍍液配方，可達到類似的電鍍效果，且漂錫實驗測試后無爆板、氣泡、孔裂、銅層斷裂等不良現象，抗熱沖擊性能良好，符合PCB可靠性的要求。

4 致謝

本項目的工作得到廣東省重點領域研發計劃項目（No.2019B090910003）、珠海市引進創新團隊項目（No.ZH0405190005PWC）、珠海市科技項目（No.ZH01084702180040HJL）和四川省科技計劃項目（No.2019ZHCG0020）的資助。