臺灣博碩士論文加值系統

本論文係探討在先進的水平電鍍系統中，於其他電鍍條件相同下，改變鐵離子濃度、幫浦頻率及反脈衝電鍍時間對於盲孔及通孔的填孔電鍍銅層性能之影響。由光學顯微鏡量測盲孔及通孔表面鍍層厚度、粗糙度及填孔後孔內鍍銅凹陷值的大小，藉以探討電鍍操作參數對於電鍍效率與孔內凹陷值及填孔能力的影響，並利用掃描式電子顯微鏡(SEM)及聚焦離子束(FIB)輔助觀察電鍍條件改變對電鍍銅層之晶格及電鍍銅層的機械性質之影響。
當硫酸銅電鍍液中的鐵離子濃度在操作範圍3~10g/l時，發現電鍍效率會隨著Fe3+濃度上升而下降，盲孔及通孔的填孔能力隨著鐵離子濃度上升而下降，而表面粗糙度與銅晶格也隨Fe3+濃度增加而變大。銅層的延展性則在鐵離子7g/L時最大約23％。不同幫浦頻率下進行盲孔及通孔之填孔電鍍，填孔能力隨著幫浦頻率上升而下降，但表面粗糙度與銅晶格並無太大的變化，銅層延展性變化亦不大約為20%。改變反脈衝電鍍時間，則填孔能力、表面粗糙度與銅晶格皆隨著反脈衝時間的增加而上升，相對地在較長的反脈衝時間(例如8毫秒)進行盲孔及通孔之填孔電鍍，由於填孔能力太強，孔內易造成包孔現象，銅層延展性以反脈衝時間4毫秒(ms)為最大，約24%。
在反脈衝電鍍中，兼顧鍍銅品質與填孔能力的情況下，發現在電鍍週期為80毫秒(ms)、反脈衝衝時間為4毫秒(ms)、實際板面平均電流密度為5ASD、反脈衝平均電流密度為40ASD、幫浦頻率35Hz (99L/min) 及Fe3+濃度7 g/l為盲孔及通孔填孔的最佳參數。

An advanced horizontal pulse-reverse plating system was employed to study the operation parameters i.e. concentration of ferric ion, electrolyte pumping frequency (pumping rate), and reverse plating time on the copper-plating performance of via in the PCB (plated circuit board).The plating efficiency, throwing power, via filling ability, mechanical properties, and surface morphology of the plating layer were tested and calculated by various instruments.
In the Fe3+ concentration range of 3~10 g/l, plating efficiency and throwing power are decreased with the increase of Fe3+ concentration; however, surface roughness and copper lattice size are increased with the increase of Fe3+ concentration. The elongation reaches maximum of 23% as the Fe3+ concentration is 7%.
For the pumping frequency in the range of 35~55Hz, corresponding the pumping rate of 99~165 l/min, plating efficiency and via filling ability are decreased with the increase of pumping frequency, but the surface roughness and the morphology of copper filling are little effected by the pumping rate of electrolyte.
The period of pulse plating fixed in 80ms, via filling ability, surface roughness, and lattice size are increased with the increase of reverse plating step. Hole inclusion may occurs for the blind via filling as the reverse plating step is set at 8ms, it is found the elongation reach maximum of 24% for the reverse plating time 4ms.
The optimum operation parameters of the horizontal pulse-reverse plating system studied in this work are summarized as the following: concentration of Fe3+ 7 g/l, pumping frequency 35 Hz, and time of the reverse pulse 4 ms.

致謝...................................................i
中文摘要...............................................ii
英文摘要...............................................iv
目錄...................................................v
圖目錄................................................. ix
表目錄.................................................xiii
第一章 緒論............................................1
1.1. 前言..........................................1
1.2. 填孔電鍍的發展................................1
1.3. 印刷電路板的種類..............................5
1.4. 印刷電路板的製程簡介..........................10
1.5. PC板微孔之製作方法............................16
1.6. 印刷電路板金屬化基本製程......................18
1.6.1. 整孔......................................18
1.6.2. 微蝕......................20
1.6.3. 酸洗 ..........................20
1.6.4. 活化......................................20
1.6.5. 還原......................................20
1.6.6. 化學銅....................................21
1.7. 研究目的......................................22
第二章 微孔的填孔電鍍原理..............................23
2.1.電鍍基礎.......................................23
2.1.1.法拉第定律.................................23
2.1.2.電鍍效率...................................24
2.1.3.分佈力的定義...............................25
2.1.4.填孔能力的定義.............................26
2.1.5 電鍍槽液的組成.............................26
2.2.極化原理.......................................27
2.3.電鍍反應機制...................................30
2.3.1.傳統電鍍反應機制...........................30
2.3.2.新一代水平電鍍反應機制.....................31
2.4.反脈衝電鍍原理.................................33
第三章 實驗器材與方法..................................37
3.1.實驗器材.......................................37
3.2.實驗方法.......................................41
3.2.1.電鍍槽液濃度與溫度.........................41
3.2.2.試片製作...................................42
3.2.3.實驗步驟...................................43
第四章 結果與討論 ....................................47
4.1.鐵離子濃度對盲孔及通孔填孔電鍍的影響..........47
4.1.1.鐵離子濃度對電鍍效率的影響...............47
4.1.2.鐵離子濃度對填孔能力的影響...............48
4.1.3.鐵離子濃度對電鍍銅層晶格結構的影響.......55
4.1.4.鐵離子濃度對電鍍銅層物理性質的影響.......60
4.2.幫浦頻率對盲孔及通孔填孔電鍍的影響...........62
4.2.1.幫浦頻率對電鍍效率的影響.................62
4.2.2.幫浦頻率對填孔能力的影響.................63
4.2.3.幫浦頻率對電鍍銅層晶格結構的影響.........65
4.2.4.幫浦頻率對電鍍銅層物理性質的影響.........67
4.3 反脈衝電鍍時間對盲孔及通孔填孔電鍍的影響.....69
4.3.1.反脈衝電鍍時間對填孔能力的影響...........69
4.3.2.反脈衝電鍍時間對電鍍銅層晶格結構的影響...71
4.3.3.反脈衝電鍍時間對電鍍銅層物理性質的影響...72
第五章 結論...........................................75
參考文獻..............................................80
附錄一 不同鐵離子濃度的電鍍效率.......................82
附錄二 不同鐵離子濃度的平均粗糙度之實驗數據...........83
附錄三 不同鐵離子濃度的延展性與抗拉強度之實驗數據.....84
附錄四 不同幫浦頻率的電鍍效率之實驗數據...............85
附錄五 不同幫浦頻率的平均粗糙度之實驗數據.............86
附錄六 不同幫浦頻率的延展性與抗拉強度之實驗數據.......87
附錄七 不同反脈衝時間的平均粗糙度之實驗數據...........88
附錄八 不同反脈衝時間的延展性與抗拉強度之實驗數據.....89


圖目錄
圖1-1 單面板剖面示意圖................................7
圖1-2 雙面板剖面示意圖................................8
圖1-3 導孔剖面示意圖..................................9
圖1-4 多層板剖面示意圖................................9
圖1-5 軟性印刷電路板..................................10
圖1-6 PCB一般製作主流程簡介 .........................11
圖1-7 機械鑽孔示意圖..................................18
圖1-8 盲孔整孔前後孔型差異比較........................19
圖1-9 錫鈀膠體結構....................................21
圖1-10 導孔金屬化背光測試方法.........................21
圖1-11 整流器波形產生突波所電鍍出不同的銅晶格.........22
圖2-1 簡易電鍍銅槽反應示意圖..........................23
圖2-2 分佈力示意圖....................................25
圖2-3 填孔能力計算示意圖..............................26
圖2-4 電鍍槽中銅離子游離示意圖........................29
圖2-5 水平電鍍主副槽反應示意圖........................32
圖2-6 PCB電鍍流程.....................................34
圖3-1 水平電鍍設備剖面示意圖..........................39
圖3-2 水平電鍍設備簡介................................40
圖3-3 電鍍試片製作示意圖..............................42
圖3-4 反脈衝電鍍實驗流程圖............................43
圖4-1 幫浦頻率為35Hz時，不同鐵離子(Fe3+)濃度下的電鍍
效率...........................................47
圖4-2 反脈衝電鍍波形示意圖............................49
圖4-3 導孔電鍍前切片圖................................50
圖4-4 在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，盲孔及通孔填孔電鍍的
填孔能力比較圖..................................51
圖4-5 在鐵離子(Fe3+)濃度4g/l下，PCB表面產生粗糙現象..52
圖4-6 在鐵離子(Fe3+)濃度10g/l的咬蝕現象..............52
圖4-7 通孔填孔時，銅離子在通孔孔內析出的情形..........53
圖4-8 通孔填孔電鍍初期形成上下兩盲孔之微蝕圖..........54
圖4-9 通孔電鍍完全填孔後之微蝕圖......................54
圖4-10在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，盲孔及通孔填孔電鍍後
之電子顯微鏡銅晶格圖...........................56
圖4-11在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，盲孔孔中心的聚焦離子
束顯微鏡(FIB)銅晶格圖..........................58
圖4-12在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，通孔孔中心的聚焦離子
束顯微鏡(FIB)銅晶格圖..........................59
圖4-13在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，平均粗糙度的表現圖....60
圖4-14在不同鐵離子(Fe3+)濃度下，延展性與抗拉強度的表
現圖...........................................61
圖4-15鐵離子(Fe3+)濃度7g/l時，不同幫浦頻率下的電鍍
效率...........................................62
圖4-16在不同幫浦頻率下，通盲孔填孔電鍍的填孔能力比較
圖.............................................64
圖4-17在不同幫浦頻率下，電子顯微鏡於盲孔及通孔中心拍
攝取得銅晶格圖.................................65
圖4-18在不同幫浦頻率下，盲孔孔中心的聚焦離子束顯微鏡
(FIB)銅晶格圖..................................66
圖4-19在不同幫浦頻率下，通孔孔中心聚焦離子束顯微鏡(FIB)
銅晶格圖.......................................67
圖4-20在不同幫浦頻率下，填孔電鍍的平均粗糙度.........68
圖4-21在不同幫浦頻率下， 填孔電鍍的延展性與抗拉強度..68
圖4-22在不同反脈衝時間下，盲孔及通孔填孔電鍍的填孔能
力.............................................70

圖4-23在不同反脈衝時間下，電子顯微鏡於盲孔與通孔填孔
電鍍的銅晶格圖.................................72
圖4-24平均粗糙度與不同反脈衝時間對應圖...............73
圖4-25延展性及抗拉強度與不同反脈衝時間對應圖.........74
圖6-1埋入式線路製作的流程圖..........................77
圖6-2埋入式線路填溝渠步驟的流程圖....................77
圖6-3埋入式線路銅層與基材的結合力與傳統方式比較示意圖..............................................78
圖6-4埋入式線路綠漆使用與傳統方式比較示意圖..........79
圖6-5埋入式線路綠設計與傳統方式比較示意圖............79








表目錄
表3-1 實驗所用藥品...................................37
表3-4 實驗所使用設備.................................38
表3-3 電鍍槽液濃度與溫度管控範圍.....................41
表3-4 幫浦頻率與體積流量對照表.......................44
表3-5 不同鐵離子(Fe3+)濃度的電鍍參數..................45
表3-6 不同幫浦頻率的電鍍參數.........................45
表3-7 反脈衝電鍍時間的電鍍參數.......................46

1. 林水春，“印刷電路板設計與製作”，全華科技圖書股份有公司，
149-173，1999。
2. ATOTECH，“Level 1 Training Paper ”，1999。
3. Coombs, C.F. Jr. Printed Circuits Handbook, 4th ed.,
1996, McGraw-Hill, New York.
4. 蘇葵陽，“實用電鍍理論與實際”，復文書店，P.96-102，1981。
5. 葉成鏡、藍國興，“電鍍銅填孔技術之探討”，電路板會刊，第19 期，
P.52-63，1988。
6. ATOTECH，“Level 2 Training Paper ”，2005。
7. Pearson .T and J. K. Dennis, J. Appl. Electrochem., 20,
196, 1990。
8. Puippe. J. Cl. and N. Ibl, “Influence of charge and
discharge of electric double layer in pulse plating”,
Journal of applied electrochemistry, 10, 775-784, 1980.
9. Allardyce. G, M. Lefebvre, H. Tsuchida, M. Kusaka, and
S. Hayashi,“Copper Electroplating Technology for
Microvia Filling”, Circuitree,1-12, March 2004.
10. Hofland Ronald van't Wout, “ The Theory behind Pulse
Plating Reversal Current ”, Circuitree, 1-8, Oct. 2001.
11. Bergman. D, “ Going in reverse, ” Printed Circ.
Fabric., 66–72, 2001.
12. Takahashi. K, in The 1st Annual Meeting on Electronic
SI Technologies, 23, Tokyo, 2000.
13. Mattsson. E and J. O'M. Bockris, Trans. Faraday, Soc.,
54, 1586, 1958.
14. Tseung. H.K. Ng, C. C and D. B. Hibbert, J.
Electrochem. Soe., 127, 1035, 1980.
15. Fujinami. T, T. Kobayashi, A. Maniwa, H. Honma, J.
Surf. Finish, Soc., 48 (6), 660, 1997.
16. Luo Jen Tsung, Wen Bing Lin, Laurence Shang,“ The
Effect of Pulse-Reverse Plating Time on Blind Micro Via
Filling, Taoyuan, Taiwan,R.O.C, 328 ,2008
17. ATOTECH，“ Road Show Paper ”，2009。