技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明涉及一種用來在襯底上電鍍金屬(例如銅)的方法和設(shè)備。這種方法和設(shè)備可用于對將用作電氣裝置的器件進(jìn)行電鍍的領(lǐng)域,該器件比如為印刷電路板、芯片載體(包括多芯片載體)或任何在其上具有電路的其他載體。
這種電氣裝置的制造是眾所周知的。其制造工藝包括多個步驟,包括用于在其上產(chǎn)生電路的金屬沉積步驟。這些工藝步驟需要在裝置的外表面上以及該電氣裝置的孔或其他凹部中進(jìn)行金屬化。例如,將用銅來電鍍具有多個電路層并且還具有多個孔(即通孔和盲孔)的印刷電路板以產(chǎn)生銅沉積物,其厚度需要盡可能地均勻。此外,孔中的銅沉積也應(yīng)該均勻。具體而言,在電氣裝置的外側(cè)和其孔中的銅沉積都應(yīng)是一致的,以避免在外側(cè)上的鍍銅已經(jīng)獲得所需的沉積物厚度時孔還不具有足夠的銅厚度。
已經(jīng)大體證明脈沖電鍍適合于滿足上述目的。更具體地,反向脈沖電鍍已被認(rèn)定是特別適合的。反向脈沖電鍍指的是包括將陰極和陽極電流脈沖交替施加到電氣裝置的工藝。
例如,us6,524,461b2教導(dǎo)了一種用于在其表面中具有小凹部的襯底上沉積連續(xù)金屬層的方法。該方法包括將調(diào)制的反向電流施加到所述襯底,該反向電流包括相對于所述襯底為陰極的脈沖和相對于所述襯底為陽極的脈沖,其中所述陰極脈沖的接通時間為約0.83μs至約50ms,而所述陽極脈沖的接通時間大于所述陰極脈沖的接通時間,范圍為約42μs至約99ms。在調(diào)制反向電流序列的典型示例中,使用包括跟隨以陽極(反向)脈沖的陰極(正向)脈沖的波形。在陰極和陽極脈沖之一或二者之后,可以跟隨有弛豫周期的間歇期間。
另外,us2006/0151328a1教導(dǎo)了一種將脈沖反向電流施加到具有高縱橫比孔(即其長度比其直徑大的孔)的工件的方法。具有高達(dá)10:1的縱橫比和3mm或甚至更大孔長的孔應(yīng)受到有效地處理。要施加到工件上的脈沖電鍍序列被教導(dǎo)為包括陰極和陽極脈沖,并且以至多約6赫茲的頻率來使用。正向電流脈沖與反向電流脈沖的持續(xù)時間分別指示為至少100ms(正向)或至少0.5ms(反向)。正向電流脈沖的峰值電流密度進(jìn)一步指示為至少3a/dm2和至多15a/dm2,而反向電流脈沖的峰值電流密度進(jìn)一步指示為至少10a/dm2和至多60a/dm2。在該文件所述的工藝的優(yōu)選實(shí)施例中,工作件是板狀的,比如印刷電路板或任何其他板狀電路載體。在該優(yōu)選實(shí)施例中,該方法包含(a)在工件的第一側(cè)和至少一個第一陽極之間施加電壓,以便在工件的第一側(cè)上提供第一脈沖反向電流,其中所述第一脈沖反向電流具有在在每個周期中流動的至少一個第一正向電流脈沖以及至少一個第一反向電流脈沖,以及(b)在工件的第二側(cè)與至少一個第二陽極之間施加第二電壓,以便在工件的第二側(cè)上提供第二脈沖反向電流,其中第二脈沖反向電流具有在每個周期中流動的至少一個第二正向電流脈沖以及至少一個第二反向電流脈沖。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中,一個周期的第一正向電流脈沖和第一反向電流脈沖分別相對于一個周期的第二正向電流脈沖第二反向電流脈沖偏移。這種偏移可以有利地為約180°。要進(jìn)一步指出的是,為進(jìn)一步改善勻鍍能力,在每個周期時間中,電流可包括一個正向電流脈沖、隨后是一個反向電流脈沖、之后是一個零電流斷開。
已證實(shí),對于實(shí)現(xiàn)銅沉積的良好勻鍍能力、即在工件的外側(cè)上和包含在其中的孔的壁上形成均勻的銅層,上述方法是特別有用的。
然而,如果要電鍍的襯底同時設(shè)置有一方面每單位面積有許多孔的區(qū)域以及另一方面每單位面積沒有或只有幾個孔的區(qū)域,則該目的不能以所描述的電鍍條件實(shí)現(xiàn)。使用us2006/0151328a1中所述的方法,無法一致地金屬化這些區(qū)域:在沒有或只有幾個孔的那些區(qū)域中,銅的厚度與每單位面積有許多孔的區(qū)域相比將會很大。
此外,這種已知的孔壁電鍍方法在板的不同區(qū)域的孔中導(dǎo)致不同的鍍銅結(jié)果,這已被證明是不利的。
已證明有必要使孔先進(jìn)行x-(橋-)電鍍,即,沉積會在孔中間處提高銅沉積,從而通過在此形成銅栓而將其封閉,如此形成兩個盲孔,每個盲孔可從板的一側(cè)接近。然后兩個孔部分被完全填充,這意味著孔的整個空間均填充有金屬。當(dāng)使用已知的方法來執(zhí)行該過程時,位于板的邊緣區(qū)的孔將不會像位于其中間的孔一樣得到有效電鍍。因此,當(dāng)中間孔已經(jīng)得到填充時,邊界孔的其中心區(qū)域不會封閉。這導(dǎo)致其中在板的不同區(qū)域中孔填充不一致的不期望情況。
再者,當(dāng)使用us2006/0151328a1的方法時,通孔與盲孔的保形(conformal)電鍍(即在孔的壁上電鍍薄銅層,而不是填滿這些孔)會不均勻。
因此,本發(fā)明的第一目的是提供一個用于在平坦襯底上電鍍金屬的方法,該方法可在工件或其他襯底、更特別地在板形襯底(比如板、箔片等)上提供均勻的金屬電鍍。更具體地,本發(fā)明的方法會適合在具有至少一個外側(cè)和孔(即,通孔、盲孔或任何形狀的孔)二者的襯底上,在這些外側(cè)和孔內(nèi)側(cè)的所有表面區(qū)域上進(jìn)行均勻電鍍,即,呈現(xiàn)出盡可能均勻且不取決于或僅在較小程度上取決于襯底表面上的位置的沉積物厚度。更具體地,本發(fā)明的方法會適合在板的外側(cè)上盡可能均勻地沉積金屬而不管金屬是電鍍在孔所在的區(qū)域還是電鍍在無孔的區(qū)域。甚至更具體地,本發(fā)明的方法會適合在孔內(nèi)沉積金屬,以在孔壁上均勻地沉積金屬層(保形電鍍),或者在孔的內(nèi)側(cè)均勻地產(chǎn)生金屬栓(x-(橋-)電鍍)并且然后再用金屬填充孔。在后者的情況中,不論孔是位于板的邊緣附近還是板的中央,本發(fā)明的方法都會適合于均勻地填充孔。甚至更具體地,本發(fā)明的方法會適合將金屬沉積到具有兩側(cè)的板的僅一側(cè)或兩側(cè)二者上,其中進(jìn)行的是保形電鍍或孔填充。
本發(fā)明的第二目的是提供一種設(shè)備,其適合執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于在襯底上電鍍金屬的方法。此設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝、維護(hù)以及操作應(yīng)盡可能的簡單。
本發(fā)明適合用于實(shí)現(xiàn)以上目的。
本發(fā)明的方法包含下列方法步驟并且可包括另外的方法步驟:
(a)提供:
i.平坦襯底,其具有兩個相反的第一和第二襯底表面,
ii.電鍍設(shè)備,其包括至少一個反電極(陽極);以及
iii.電鍍液;
(b)使具有所述相反的第一和第二襯底表面的平坦襯底以及至少一個反電極中的每一個與電鍍液接觸;以及
(c)通過向第一襯底表面饋送每一個都由連續(xù)的第一正向-反向脈沖周期組成的至少一個第一正向-反向脈沖電流序列以及向第二襯底表面饋每一個都由連續(xù)的第二正向-反向脈沖周期組成的送至少一個第二正向-反向脈沖電流序列,使所述襯底的所述第一和第二襯底表面電極化,以實(shí)現(xiàn)將金屬沉積到第一和第二襯底表面上;第一和第二正向-反向脈沖電流序列被同時施加到相應(yīng)的襯底表面;
(d)在每個連續(xù)的第一正向-反向脈沖周期中,每個所述至少一個第一正向-反向脈沖電流序列至少包括在第一正向脈沖持續(xù)時間tf1期間在第一襯底表面處產(chǎn)生第一陰極電流的第一正向脈沖以及在第一反向脈沖持續(xù)時間tr1期間在第一襯底表面處產(chǎn)生第一陽極電流的第一反向脈沖,所述第一正向脈沖具有第一正向脈沖峰值電流if1,所述第一反向脈沖具有第一反向脈沖峰值電流ir1,并且
在每個連續(xù)的第二正向-反向脈沖周期中,每個所述至少一個第二正向-反向脈沖電流序列至少包括在第二正向脈沖持續(xù)時間tf2期間在第二襯底表面處產(chǎn)生第二陰極電流的第二正向脈沖以及在第二反向脈沖持續(xù)時間tr2期間在第二襯底表面處產(chǎn)生第二陽極電流的第二反向脈沖,所述第二正向脈沖具有第二正向脈沖峰值電流if2,所述第二反向脈沖具有第二反向脈沖峰值電流ir2;
第一和第二正向和反向脈沖峰值電流在本文中都應(yīng)被理解為電流,而不管這些第一和第二脈沖電流所施加到的第一和第二襯底表面的表面積如何,并且其中電流密度是施加到襯底表面上的預(yù)定單位面積的電流;
(e)其中所述第一和第二正向脈沖各自還疊加有相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖,優(yōu)選為一個,或可替換為超過一個,所述第一和第二疊加陰極脈沖具有小于相應(yīng)的第一或第二正向脈沖持續(xù)時間tf1、tf2的相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc1、tc2;并且
其中,所述至少一個第一正向-反向電流序列的所述第一反向脈沖與所述至少一個第二正向-反向電流序列的所述第二疊加陰極脈沖之間的相移
本發(fā)明的設(shè)備包括下列器件,并且可包括另外的器件:
(a)用于固持襯底的裝置,其中襯底具有相反的第一和第二襯底表面;
(b)至少一個反電極(陽極);
(c)用于容納電鍍液的裝置;
(d)用于電極化襯底以實(shí)現(xiàn)將金屬沉積在第一和第二襯底表面上的裝置;
其中,用于電極化第一和第二襯底表面的所述裝置被設(shè)計成:向第一襯底表面饋送每一個都由連續(xù)的第一正向-反向脈沖周期組成的至少一個第一正向-反向脈沖電流序列以及向第二襯底表面饋送每一個都由連續(xù)的第二正向-反向脈沖周期組成的至少一個第二正向-反向脈沖電流序列;
其中,在每個連續(xù)的第一正向-反向脈沖周期中,每個所述至少一個第一正向-反向脈沖電流序列包括在第一正向脈沖持續(xù)時間tf1(脈沖寬度)期間在第一襯底表面處產(chǎn)生第一陰極電流的第一正向脈沖以及在第一反向脈沖持續(xù)時間tr1(脈沖寬度)期間在第一襯底表面處產(chǎn)生第一陽極電流的第一反向脈沖,所述第一正向脈沖具有第一正向脈沖峰值電流if1,所述第一反向脈沖具有第一反向脈沖峰值電流ir1,并且
在每個連續(xù)的第二正向-反向脈沖周期中,每個所述至少一個第二正向-反向脈沖電流序列至少包括在第二正向脈沖持續(xù)時間tf2期間在第二襯底表面處產(chǎn)生第二陰極電流的第二正向脈沖以及在第二反向脈沖持續(xù)時間tr2期間在第二襯底表面處產(chǎn)生第二陽極電流的第二反向脈沖,所述第二正向脈沖具有第二正向脈沖峰值電流if2,所述第二反向脈沖具有第二反向脈沖峰值電流ir2;并且
其中所述第一和第二正向脈沖還疊加有相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖,優(yōu)選為一個,或可替為超過一個陰極脈沖,所述第一和第二疊加陰極脈沖具有小于相應(yīng)的第一或第二正向脈沖持續(xù)時間tf1、tf2的相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc1、tc2;并且
其中,用于電極化第一和第二襯底表面的所述裝置進(jìn)一步被設(shè)計為將所述至少一個第一正向-反向電流序列的所述第一反向脈沖與所述至少一個第二正向-反向電流序列的所述第二疊加陰極脈沖之間的相移
在本說明書和權(quán)利要求中提到的兩個脈沖之間的相移,例如
通過使用本發(fā)明的方法和設(shè)備,已證實(shí)可在平坦襯底上實(shí)現(xiàn)均勻的金屬電鍍。更具體地,尤其是對電鍍銅而言,在比如板和箔片的板狀襯底上,即使襯底設(shè)置有每單位面積具有許多孔的第一區(qū)域和每單位面積沒有或只有幾個孔的第二區(qū)域,在襯底的外側(cè)(在其兩側(cè))上的金屬沉積也變得更均勻。通過本發(fā)明的方法,使得襯底的外側(cè)上的金屬沉積在兩個區(qū)域中一致。本發(fā)明的設(shè)備適用于執(zhí)行該方法。
為了執(zhí)行本發(fā)明的方法,襯底被電極化以實(shí)現(xiàn)將金屬沉積到第一和第二相反的襯底表面上。為此,產(chǎn)生陰極電流脈沖和陽極電流脈沖。通過在彼此相鄰的至少一個反電極和襯底間施加電壓來產(chǎn)生這些脈沖。電壓同樣創(chuàng)建為電壓脈沖,即產(chǎn)生陰極(正向)電流脈沖的陰極(正向)電壓脈沖以及產(chǎn)生陽極(反向)電流脈沖的陽極(反向)電壓脈沖。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到,由于電壓和電流可以在本發(fā)明的方法的條件下彼此成比例或者至少是單調(diào)依賴的,使得如果電壓增加則電流升高,反之亦然,因此電壓和電流將具有相互依賴性。術(shù)語“陰極”和“陽極”用于表示襯底的極化類型:陰極(正向)電流脈沖具有在襯底上沉積金屬的類型,而陽極(反向)電流脈沖具有從襯底上再溶解金屬的類型。為了完成襯底上的整體金屬沉積,將需要對陰極和陽極電流脈沖進(jìn)行整形,使金屬沉積多于金屬再溶解。這一般通過將正向脈沖持續(xù)時間tf設(shè)置為比反向脈沖持續(xù)時間tr更長來實(shí)現(xiàn)。無論如何都需要使正向電流脈沖的積分(峰值電流隨時間)大于反向電流脈沖的積分(峰值電流隨時間)。因?yàn)榉聪蛎}沖峰值電流ir通常高于正向脈沖峰值電流if,所以必須進(jìn)一步延長正向脈沖持續(xù)時間tf以完成凈(整體)金屬沉積。
通常使用整流器來極化襯底。整流器對襯底施加脈沖的負(fù)或正電勢,以產(chǎn)生相應(yīng)的電流脈沖。整流器一方可由適合的脈沖發(fā)生器來控制,以在整流器處產(chǎn)生脈沖。此外,可用任何其他公知的手段來產(chǎn)生電壓和電流脈沖,以饋送給有待以電流脈沖來進(jìn)行電鍍的襯底。
原則上,正向脈沖、反向脈沖以及疊加陰極脈沖可具有任一脈沖形狀。但是,對于正向脈沖、反向脈沖以及疊加陰極脈沖中的任一個或任數(shù)個或全部而言,矩形的脈沖形狀是優(yōu)選的。在這方面,必須考慮脈沖的脈沖形狀可能由于有限的脈沖升高速率和脈沖衰減速率而失真,因此原則上梯形脈沖形狀(其可以近似為近乎矩形的脈沖形狀)對這些脈沖中的任何一個都優(yōu)選地可以是適用的。
上述原理也適用于根據(jù)本發(fā)明將所述第一和第二正向脈沖與相應(yīng)的第一和第二疊加陰極脈沖進(jìn)行疊加。將通過對電壓/電流供給(整流器)(優(yōu)選為電流供給)的適當(dāng)控制來實(shí)現(xiàn)疊加,從而產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖形狀。
執(zhí)行疊加使得疊加陰極脈沖短于相同正向-反向脈沖電流序列的正向電流脈沖。在這種情況下,疊加陰極脈沖能夠位于陰極電流脈沖期間的任一時間間隔處。因此,疊加陰極脈沖可以設(shè)置為在陰極電流脈沖的開始時間處、在其時間中點(diǎn)或在其末端處或在陰極電流脈沖期間的任何其他時間點(diǎn)處發(fā)生,即,其可以相對于陰極電流脈沖的開始時間和反向電流脈沖的開始時間獨(dú)立設(shè)置,這意味著ξc(相同正向-反向脈沖電流序列內(nèi)的反向脈沖與疊加陰極脈沖之間的角度偏移)可以設(shè)置為0°至360°的任何值。在本發(fā)明的較優(yōu)選實(shí)施例中,疊加陰極脈沖相對于反向脈沖移位180°,即,疊加陰極脈沖的開始時間相對于反向脈沖的開始時間延遲180°(ξc,考慮到正向-反向脈沖電流序列的完整周期涵蓋360°)。疊加陰極脈沖在陰極電流脈沖期間呈現(xiàn)為暫時升高的陰極電流。術(shù)語“疊加”不應(yīng)被理解為表示要疊加兩個電流以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電流波形??梢匀魏畏绞絹韺?shí)現(xiàn)疊加陰極脈沖持續(xù)時間期間的疊加陰極峰值電流ic的電流增加。相加得到總陰極峰值電流ic+f的正向脈沖峰值電流if和疊加陰極脈沖峰值電流ic在相同的正向-反向脈沖電流序列中或在不同的正向-反向脈沖電流序列中可以獨(dú)立于if(正向脈沖峰值電流)和ir(反向脈沖峰值電流)而設(shè)定。同樣地,if可獨(dú)立于ic和ir而設(shè)定,反之亦然。
本發(fā)明的設(shè)備包括用于固持襯底的裝置。用于固持襯底的裝置可以是任何類似于框架那樣轉(zhuǎn)而由例如刮板(flightbar)來固持的固持器,或者可以是通過傳送帶化裝置輸送襯底的輥。用于固持襯底的裝置還可適于使襯底與電鍍液接觸,因?yàn)樗鼈兪挂r底浸入例如含有電鍍液的槽中。如果在所謂的直立式系統(tǒng)中、即在承裝浸沒襯底以進(jìn)行電鍍的電鍍液的槽或容器的器械中,則此固持裝置可以為框架。框架可被保持在槽或容器中。如果在稱為水平式系統(tǒng)中、即在其中在電鍍時以水平方向傳送襯底的傳輸設(shè)備中處理襯底,固持裝置可以為傳送帶夾或輥或夾緊或以其他方式固持襯底的其他移動元件。
本發(fā)明的設(shè)備還包括用于容納電鍍液的裝置。該容納裝置可以為槽或容器或任何其他適合儲存液體的裝置。
本發(fā)明的設(shè)備另外包括用于使各襯底和至少一個反電極中的每一個與電鍍液接觸的裝置。如果在直立式系統(tǒng)中處理襯底,則襯底接觸裝置可以是將襯底從一個槽或容器運(yùn)輸?shù)搅硪粋€槽或容器并且使襯底降低并浸入所涉及的槽或容器內(nèi)的電鍍液中的運(yùn)輸架。如果在水平系統(tǒng)中處理襯底,該接觸裝置可以是比如噴嘴的電鍍液輸送裝置,或者如果襯底被輸送裝置浸入所涉及的模塊中的電鍍液中,則該接觸裝置可以是將襯底從系統(tǒng)的一個傳輸模塊輸送到另一個傳輸模塊的傳輸裝置。反電極接觸裝置可以為直立式或水平式系統(tǒng)的容器,其可容納將反電極浸于其中的電鍍液。
本發(fā)明的設(shè)備還包括至少一個反電極,其需要引起在襯底上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。至少一個反電極優(yōu)選位于襯底附近,并且與襯底一起與電鍍液接觸,以在襯底和至少一個反電極之間引起電流流動。在水平輸送系統(tǒng)中,多個反電極可沿著襯底的傳輸路徑連續(xù)放置在傳輸路徑的一側(cè)上或傳輸路徑的兩側(cè)上。
該設(shè)備還包括用于電極化襯底,以實(shí)現(xiàn)使金屬沉積在第一和第二襯底表面上的裝置。該極化裝置用于將電能饋送到襯底。為此,其可以是電流/電壓源/供給,例如整流器。極化裝置電連接到襯底和至少一個反電極。
極化裝置此外被設(shè)計為將至少一個第一和第二正向-反向脈沖電流序列饋送到至少一個襯底表面。為此目的,極化裝置單獨(dú)地電連接到襯底表面,并且可以配備有提供正向-反向脈沖電流序列的產(chǎn)生的控制裝置。這種控制裝置可以是能夠由微控制器驅(qū)動的電路布置,微控制器轉(zhuǎn)而可以由計算機(jī)編程。
襯底是具有相反的第一和第二襯底表面的平坦襯底。第一和第二襯底表面被各自電極化以在其上實(shí)現(xiàn)金屬沉積(優(yōu)選為彼此獨(dú)立)。這通過向第一襯底表面饋送每一個都由連續(xù)的第一正向-反向脈沖周期組成的至少一個第一正向-反向脈沖電流序列以及向第二襯底表面饋送每一個都由連續(xù)的第二正向-反向脈沖周期組成的至少一個第二正向-反向脈沖電流序列來實(shí)現(xiàn),在每個第一正向-反向脈沖周期中,每個所述第一正向-反向脈沖電流序列具有第一正向脈沖、第一反向脈沖和第一疊加陰極脈沖,在每個第二正向-反向脈沖周期中,每個所述第二正向-反向脈沖電流序列具有第二正向脈沖、第二反向脈沖和第二疊加陰極脈沖。至少一個第一正向-反向脈沖電流序列和至少一個第二正向-反向脈沖電流序列被同時施加到襯底表面。兩個脈沖電流序列優(yōu)選地具有相同的頻率和相同的脈沖串,即相同的脈沖次序。甚至更優(yōu)選地,至少一個第一和第二正向-反向脈沖電流序列彼此偏移大約180°(±30°)或恰好180°(即,第一和第二正向-反向脈沖電流序列之間的相移分別被定義為第一和第二脈沖電流序列的反向脈沖的開始時間之間的偏移,其中完整周期(第一或第二正向-反向脈沖周期)涵蓋360°)的相移
通過180°的相移
相移
當(dāng)在具有相反的第一和第二襯底表面以及孔(盲孔和/或通孔)的平坦襯底上施加保形電鍍時,在襯底表面和孔的壁上(在有盲孔的情況下,也在孔的底部上)電鍍薄銅層而不填充這些孔。以上所述的相移
此外,優(yōu)選的是第一和第二反向脈沖的持續(xù)時間tr1、tr2大約相同(±50%相對于第一反向脈沖持續(xù)時間tr1)或恰好相同。
因此,為了定義至少一個第一和第二正向-反向脈沖電流序列相對于彼此的時序,將考慮以下參數(shù)和優(yōu)選實(shí)施例:
第一和第二脈沖電流序列之間的相移
同時施加的第一正向-反向脈沖電流序列的反向脈沖與第二正向-反向脈沖電流序列的疊加陰極脈沖間的相移由
相同(第一或第二)正向-反向脈沖電流序列內(nèi)的反向脈沖與疊加陰極脈沖之間的角度偏移記為ξc。該參數(shù)優(yōu)選地設(shè)置為約180°(±30%)或恰好180°。
這種另外的實(shí)施例提高了通孔中的電鍍并且能夠進(jìn)行孔填充。如果設(shè)置連接第一和第二側(cè)面的通孔,即使通孔的縱橫比高,在通孔壁上金屬層的形成也是非常均勻的。由于迫使孔中發(fā)生金屬電鍍,所以x(橋)電鍍同樣良好地進(jìn)行以產(chǎn)生優(yōu)異的結(jié)果。在襯底的各個區(qū)域中對通孔中心區(qū)域進(jìn)行封閉方面不會發(fā)生特別的差異。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,在各脈沖電流序列中,在平坦襯底的相應(yīng)的另一側(cè)上的第一和第二反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr等于第一和第二疊加陰極脈沖的相應(yīng)的持續(xù)時間/寬度tc,即,第一反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr1優(yōu)選地等于第二疊加陰極脈沖的持續(xù)時間/寬度tc2,并且第二反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr2等于第一疊加陰極脈沖的持續(xù)時間/寬度tc1。更優(yōu)選地,第一反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr1、第一疊加陰極脈沖的持續(xù)時間/寬度tc1、第二反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr2以及第二疊加陰極脈沖的持續(xù)時間/寬度tc2至少大約相同(±20%相對于反向脈沖的持續(xù)時間/寬度tr1、tr2)。
不論襯底上孔的位置如何,即不論孔是位于襯底的邊緣附近或在襯底的中心區(qū)域,這些另外的優(yōu)選實(shí)施例均使得在孔壁上均勻電鍍成為可能。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,同時施加第一反向脈沖和第二疊加陰極脈沖,并且同時施加第二反向脈沖和第一疊加陰極脈沖。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,僅在第一和第二方法部分周期中或在方法部分周期二者中,至少第一和第二正向-反向脈沖電流序列中的沒有一個包括任何其中電流被設(shè)置為零(脈沖斷路)的正向-反向脈沖周期。對于該實(shí)施例,已經(jīng)證實(shí)至少一個正向-反向脈沖電流序列在孔填充過程中對金屬沉積的均勻性產(chǎn)生了改進(jìn)的結(jié)果。與之前使用用于在孔壁上沉積金屬的us2006/0151328a1方法的結(jié)果相反,已發(fā)現(xiàn)具有零電流的脈沖斷路對x(橋)電鍍和孔填充沒有益處。不同于這種實(shí)現(xiàn)方式,在襯底的相應(yīng)的相反側(cè)處,與反向脈沖同時或至少幾乎同時地設(shè)置第一和第二疊加陰極脈沖并且優(yōu)選地也設(shè)定第一和第二疊加陰極脈沖也與相應(yīng)的反向脈沖具有相同的持續(xù)時間,即,第一疊加陰極脈沖與第二反向脈沖同時或幾乎同時,而第二疊加陰極脈沖與第一反向脈沖同時或幾乎同時,已經(jīng)證實(shí)優(yōu)于設(shè)定脈沖斷路與相應(yīng)的反向脈沖同時。
還發(fā)現(xiàn)使用其中沒有使用疊加陰極脈沖的脈沖電流序列來填充孔是有益的。優(yōu)選地,在這種情況下,二者均沒有使用零電流脈沖。在這種情況下,使用其中第一和第二反向脈沖之間的相移
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,該方法還包括:在根據(jù)第一方法部分周期的方法步驟(d)和(e)對第一和第二襯底表面執(zhí)行第一和第二正向-反向脈沖電流序列之后,在第二方法部分周期中,施加至少一個另外的各自分別具有多個連續(xù)的相應(yīng)的第一或第二正向-反向脈沖周期的第一和第二正向-反向脈沖電流序列,其中每個連續(xù)的相應(yīng)的第一或第二正向-反向脈沖周期包括在相應(yīng)的第一或第二正向脈沖持續(xù)時間tf1,tf2期間在相應(yīng)的第一或第二襯底表面處產(chǎn)生陰極電流的相應(yīng)的第一或第二正向脈沖,以及在相應(yīng)的第一或第二反向脈沖持續(xù)時間tr1,tr2期間在相應(yīng)的第一或第二襯底表面處產(chǎn)生相應(yīng)的第一或第二陽極電流的相應(yīng)的第一或第二反向脈沖,所述相應(yīng)的第一或二正向脈沖具有相應(yīng)的第一或第二正向脈沖峰值電流if1,if2,并且所述第一和第二反向脈沖具有相應(yīng)的第一或第二反向脈沖峰值電流ir1,ir2,不需要在相應(yīng)的第一或第二正向脈沖上疊加相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖。
在第一方法部分周期中,在平坦襯底的第一側(cè)上施加第一正向-反向脈沖電流序列,而在平坦襯底的第二側(cè)上施加第二正向-反向脈沖電流序列。在該第一方法部分周期中,第一和第二正向-反向脈沖電流序列包括相應(yīng)的第一或第二正向脈沖、相應(yīng)的第一或第二反向脈沖以及相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖。此外,在第二方法部分周期中,在襯底的第一側(cè)上施加第一另外的正向-反向脈沖電流序列,而在襯底的第二側(cè)上施加第二另外的正向-反向脈沖電流序列。在該第二方法部分周期中,第一和第二另外的正向-反向脈沖電流序列包括相應(yīng)的第一或第二正向脈沖和相應(yīng)的第一或第二反向脈沖,但不包括相應(yīng)的第一或第二疊加陰極脈沖。如以上針對包含疊加陰極脈沖的第一和第二正向-反向脈沖電流序列所定義的,在第二方法部分周期中,第一和第二正向-反向脈沖電流序列可彼此偏移180°或小于180°的相移
該另一優(yōu)選的實(shí)施例用于在使用x(橋)電鍍技術(shù)在孔中形成栓之后填充襯底上的通孔。第一方法部分周期用于通過在中心電沉積金屬直到金屬形成為塞滿孔的直徑而在通孔的中心產(chǎn)生栓塞。因此,產(chǎn)生了兩個孔部分,一個向襯底的一側(cè)開口,而另一個向襯底的另一側(cè)開口。兩個孔部分各自形成盲孔。在第二方法部分周期中,從相應(yīng)的盲孔的底部至襯底的相應(yīng)的外側(cè)填充這兩個孔部分。
以下指示的各個加工條件將適用于以下脈沖電流序列條件中的每一個(如果適用):
-電鍍兩個襯底表面中的每一個;或
-在將兩個、一個或兩個正向-反向脈沖電流序列施加于x(橋)電
鍍以進(jìn)行通孔填充的情況下。
在此所述的任一個指示為正向脈沖的脈沖,會在襯底上表現(xiàn)出陰極電流,而任一個指示為反向脈沖的脈沖,會在襯底上表現(xiàn)出陽極電流。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中,正向脈沖持續(xù)時間tf(第一和/或第二正向脈沖持續(xù)時間)至少5ms、更優(yōu)選為至少20ms并且最優(yōu)選為至少70ms。正向脈沖持續(xù)時間優(yōu)選為至多250ms,更優(yōu)選為至多150ms并且最優(yōu)選為至多80ms。
正向脈沖(第一和/或第二正向脈沖)的開始時間tsf可以為正向-反向脈沖電流序列的脈沖周期的循環(huán)時間tp期間的任一時間。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中,反向脈沖持續(xù)時間tr(第一和/或第二反向脈沖持續(xù)時間)至少為0.1ms,更優(yōu)選為至少0.2ms以及最優(yōu)選為至少1ms。反向脈沖持續(xù)時間tr優(yōu)選為至多100ms、更優(yōu)選為至多50ms并且最優(yōu)選為至多6ms。
反向脈沖(第一和/或第二反向脈沖)的開始時間可以為正向-反向脈沖電流序列的脈沖周期的循環(huán)時間tp期間的任一時間。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc(第一和/或第二疊加陰極脈沖持續(xù)時間)至少為0.1ms。更優(yōu)選為至少0.2ms并且最優(yōu)選為至少1ms。疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc優(yōu)選為至多100ms,更優(yōu)選為至多50ms以及最優(yōu)選為至多6ms。
疊加陰極脈沖(第一和/或第二疊加陰極脈沖)的開始時間可以為反向脈沖期間的任一時間。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,正向-反向脈沖電流序列的反向脈沖與疊加陰極脈沖間的角度偏移ξc可以為從0°至180°的任一值。優(yōu)選為約180°或恰好180°。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,正向脈沖峰值電流if[a](第一和/或第二正向脈沖峰值電流),以相對于待電鍍的襯底的表面積的正向脈沖峰值電流密度if[a/dm2]來表示,至少為0.1a/dm2、更優(yōu)選為至少0.2a/dm2并且最優(yōu)選為至少0.5a/dm2。正向脈沖峰值電流密度if[a/dm2]優(yōu)選為至多50a/dm2、更優(yōu)選為至多25a/dm2并且最優(yōu)選為至多15a/dm2。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,反向脈沖峰值電流ir[a](第一和/或第二反向脈沖峰值電流),以相對于待電鍍的襯底的表面積的反向脈沖峰值電流密度ir[a/dm2]來表示,至少為0.2a/dm2、更優(yōu)選為至少0.5a/dm2并且最優(yōu)選為至少1.0a/dm2。反向脈沖峰值電流密度ir優(yōu)選為至多120a/dm2,更優(yōu)選為至多80a/dm2并且最優(yōu)選為至多40a/dm2。
疊加陰極脈沖峰值電流ic[a](第一和/或第二疊加陰極脈沖峰值電流),以相對于待電鍍的襯底的表面積的疊加陰極脈沖峰值電流密度ic[a/dm2]來表示,在疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc期間,疊加至正向脈沖峰值電流密度if,使得施加疊加陰極脈沖的周期期間的峰值電流(密度)是反向脈沖與疊加陰極脈沖峰值電流(電流密度)的總和。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,包含正向脈沖峰值電流密度if加上疊加陰極脈沖峰值電流密度ic(或正向脈沖電流if分別加上疊加陰極脈沖峰值電流ic)的總陰極峰值電流密度ic+f(或總峰值電流ic+f)至少為0.2a/dm2,更優(yōu)選為至少0.5a/dm2并且最優(yōu)選為至少1.0a/dm2??傟帢O脈沖峰值電流密度ic+f優(yōu)選地至多120a/dm2,更優(yōu)選為至多80a/dm2并且最優(yōu)選為至多40a/dm2。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,相同的正向-反向脈沖電流序列的正向脈沖持續(xù)時間tf(第一或第二正向脈沖持續(xù)時間)與反向脈沖持續(xù)時間tr(分別地第一或第二反向脈沖持續(xù)時間)的比至少為1。正向脈沖持續(xù)時間tf與反向脈沖持續(xù)時間的比優(yōu)選為至多20,并且更優(yōu)選為至多5。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,相同的正向-反向脈沖電流序列的正向脈沖峰值電流密度if(第一或第二正向脈沖峰值電流密度)與反向脈沖峰值電流密度ir(分別地第一或第二反向脈沖峰值電流密度)的比至少為0.0125,更優(yōu)選為至少0.05并且最優(yōu)選為至少0.125。正向脈沖峰值電流密度if與反向脈沖峰值電流密度ir的比優(yōu)選為至多10,更優(yōu)選為至多1并且最優(yōu)選為至多0.5。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,第三脈沖由至少一個第一和/或第二正向-反向脈沖電流序列構(gòu)成。該第三脈沖可以為正向(陰極)或反向(陽極)脈沖。第三脈沖持續(xù)時間ta優(yōu)選為至少0.1ms,更優(yōu)選為至少0.5ms并且最優(yōu)選為至少1ms。第三脈沖持續(xù)時間ta優(yōu)選為至多100ms,更優(yōu)選為至多50ms以及最優(yōu)選為至多10ms。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,反向脈沖與第三脈沖之間的角度偏移ξa可以為從0°至180°的任一值。
第三脈沖的開始時間tsa可以為正向-反向脈沖電流序列的脈沖周期的循環(huán)時間tp期間的任一時間。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,第三脈沖峰值電流ia[a],以相對于待電鍍的襯底的表面積的第三脈沖峰值電流密度ia[a/dm2]來表示,至少為0.2a/dm2,更優(yōu)選為至少0.5a/dm2并且最優(yōu)選為至少1.0a/dm2。第三脈沖峰值電流密度ia優(yōu)選地至多120a/dm2,更優(yōu)選為至多80a/dm2并且最優(yōu)選為至多40a/dm2。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,至少一個第一和/或第二正向-反向脈沖電流序列(在各脈沖周期中),還包括脈沖斷路(第一和/或第二斷路),其中電流設(shè)置為0。脈沖斷路持續(xù)時間tb(第一和/或第二脈沖斷路持續(xù)時間)優(yōu)選地至少0.1ms,更優(yōu)選為至少0.5ms并且最優(yōu)選為至少1ms。脈沖斷路持續(xù)時間tb優(yōu)選地至多100ms,更優(yōu)選為至多50ms并且最優(yōu)選為至多10ms。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,反向脈沖與脈沖斷路間的角度偏移ξb可以為從0°至180°的任一值。優(yōu)選地約180°或恰好180°。脈沖斷路(第一和/或第二脈沖斷路)的開始時間tsb可以為正向-反向脈沖電流序列的脈沖周期的循環(huán)時間tp期間的任一時間。
由于在真實(shí)系統(tǒng)中電氣的限制,電流或電壓的上升和下降不會瞬間發(fā)生,而需要一定的時間。為此,每個電流或電壓上升或下降伴隨著上升斜率和下降斜率。該斜率可具有斜率持續(xù)時間tsl,其優(yōu)選地盡可能的低,且可至少0.05ms,更優(yōu)選為至少0.1ms并且最優(yōu)選為至少0.2ms。斜率持續(xù)時間tsl優(yōu)選地至多5ms,更優(yōu)選為至多2ms并且最優(yōu)選為至多1ms。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,至少一個第一和/或第二正向-反向脈沖周期的重復(fù)頻率f至少為0.5hz,更優(yōu)選為至少1hz并且最優(yōu)選為至少3hz。至少一個正向-反向脈沖周期的重復(fù)頻率f優(yōu)選地至多20khz,更優(yōu)選為至多10khz并且最優(yōu)選為至多5khz。循環(huán)時間tp是頻率f的倒數(shù)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,金屬為銅。這種金屬優(yōu)選用于在電氣設(shè)備上產(chǎn)生電路。一般而言,可用本發(fā)明的方法以及設(shè)備電鍍其他金屬如鎳、錫、鉛或其合金。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,例如,電鍍液除了溶劑、水外,還含有至少一種待電鍍的金屬的離子,以及至少一種增強(qiáng)電鍍液的導(dǎo)電率的組分。電鍍液可另外含有至少一種酸/堿調(diào)節(jié)劑和/或至少一種影響金屬沉積的機(jī)械、電氣和/或其他特性和/或影響金屬沉積的厚度分布和/或影響該電鍍液的電鍍性能(包括其抗氧化等分解的穩(wěn)定性)的添加劑。至少一種金屬的離子可以為水合離子或絡(luò)合離子。酸/堿調(diào)節(jié)劑可以簡單地為酸或堿和/或緩沖劑。增強(qiáng)電鍍液的導(dǎo)電率的組分可以為金屬鹽或酸或堿。第一和第二添加物可以為光亮劑、平整劑、抗氧化劑、載體等等。
如果電鍍液是銅電鍍液,則溶劑通常是水。待沉積的至少一個金屬的離子通??梢允蔷哂邢鄳?yīng)的反離子如硫酸根,甲磺酸根或焦磷酸根或作為絡(luò)合物結(jié)合的二價銅離子(cu2+)。增強(qiáng)電鍍液的導(dǎo)電率的組分以及酸/堿調(diào)節(jié)劑可以為硫酸或任何其他酸如甲磺酸。影響金屬沉積的機(jī)械、電氣和/或其他特性和/或影響金屬沉積的厚度分布的添加劑可以為聚乙二醇和/或具有低氧化狀態(tài)的硫的有機(jī)化合物如二硫化物。此外,該電鍍液可含氯化鈉或氯化鉀。
為了在板的孔中和/或板的外表面上進(jìn)行保形電鍍,可使用保形電鍍組合物,其優(yōu)選地包含銅鹽,優(yōu)選為硫酸銅、硫酸、氯根離子、鐵(ii)與鐵(iii)離子以形成氧化還原電對,優(yōu)選為硫酸亞鐵(ii)以及硫酸鐵(iii)以及電鍍添加物。銅鹽在保形電鍍組合物中的濃度優(yōu)選為在約22至約40g銅離子/升的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為25g銅離子/升。硫酸在保形電鍍組合物中的濃度優(yōu)選在約180至約240g/l的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為200g/l。氯根離子在保形電鍍組合物中的濃度優(yōu)選在約80至約120mg/l的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為100mg/l。
為了在板的孔中進(jìn)行x(橋)電鍍,即,在孔的內(nèi)側(cè)制造栓塞并在之后填滿該孔,可使用x(橋)電鍍組合物,其優(yōu)選地包含銅鹽,優(yōu)選為硫酸銅、硫酸、氯根離子、鐵(ii)與鐵(iii)離子以形成氧化還原電對,優(yōu)選地硫酸亞鐵(ii)以及硫酸鐵(iii)以及電鍍添加物。銅鹽在該x(橋)電鍍組合物中的濃度優(yōu)選在約65至約80g銅離子/升的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為75g銅離子/升。硫酸在x(橋)電鍍組合物中的濃度優(yōu)選在約60至約80g/l的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為70g/l。氯根離子在x(橋)電鍍組合物中的濃度優(yōu)選在約80至約120mg/l的范圍內(nèi)。其最佳濃度優(yōu)選為100mg/l。
這些電鍍組合物任一個中的鐵(ii)離子的濃度優(yōu)選為至少1g/l,更優(yōu)選為在約2至約25g/l的范圍內(nèi)。這些電鍍組合物任一個中的鐵(iii)離子的濃度優(yōu)選在約0.5至約30g/l的范圍內(nèi),更優(yōu)選為在約1至約9g/l的范圍內(nèi)。一般而言,這些濃度可以對保形電鍍中比對x(橋)電鍍設(shè)置得高。
電鍍添加物優(yōu)選地為有機(jī)添加物,其可以為光亮劑、平整劑、潤濕劑等。
一般而言,可使用含硫物質(zhì)作為光亮劑。例如,光亮劑可以為選自包括下列的組:3-(苯并噻唑-2-硫代)-丙磺酸的鈉鹽、3-巰基丙烷-1-磺酸的鈉鹽、乙二硫代丙基磺酸的鈉鹽、雙-(對-磺苯基)二硫化物的二鈉鹽、雙-(ω-磺丁基)二硫化物的二鈉鹽、雙-(ω-磺羥丙基)二硫化物的二鈉鹽、雙-(ω-磺丙基)二硫化物的二鈉鹽、雙-(ω-磺丙基)硫化物的二鈉鹽、甲基-(ω-磺丙基)二硫化物的二鈉鹽、甲基-(ω-磺丙基)三硫化物的二鈉鹽、o-乙基-二硫代碳酸-s-(ω-磺丙基)酯的鉀鹽、硫代乙醇酸、硫代磷酸-o-乙基-雙-(ω-磺丙基)酯的二鈉鹽、硫代磷酸三-(ω-磺丙基)酯的三鈉鹽以及其他類似的化合物。這些物質(zhì)在任一個電鍍組合物中的濃度在從約0.1至約100mg/l的范圍內(nèi)。
聚合氮化合物(比如聚胺或聚酰胺)或含氮硫化合物,比如硫脲衍生物,或內(nèi)胺酰烷氧基化物,如de3836521c2中所述的那些,其通過引用并入本文,可用作平整劑。這些物質(zhì)在任一個電鍍組合物中的濃度在從約0.1至約100mg/l的范圍內(nèi)。
濕潤劑通常為含氧、高分子化合物,例如羧甲基纖維素、壬酚聚乙二醇醚、辛二醇雙(聚亞烷基乙二醇醚)、辛醇聚亞烷基乙二醇醚、油酸聚乙二醇酯、聚乙二醇聚丙二醇共聚合物、聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚乙烯醇、β-萘酚聚乙二醇醚、硬脂酸聚乙二醇酯、硬脂醇聚乙二醇醚以及相似的化合物。存在于組合物中的濕潤劑的濃度在從約0.005至約20g/l,優(yōu)選為約0.01至約5g/l的范圍內(nèi)。
一般而言,平整劑、光亮劑以及濕潤劑在x(橋)電鍍組合物中的濃度,可設(shè)置為低于在保形電鍍組合物中的濃度。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中,例如,襯底為電路載體、印刷電路板或芯片載體,其中電路載體中具有孔。印刷電路板可以為雙面板或具有多個包含電氣功能的內(nèi)層(其上包括電路)的多層板。印刷電路板或其他電路載體在外側(cè)上以及孔壁上典型地包含堿金屬層,優(yōu)選為銅層??卓梢跃哂行≈?.2mm或者大至2mm的直徑,或者直徑甚至可以更小或更大。板的厚度以及進(jìn)而孔的長度(通孔的情況)可以小至0.5mm以及大至5mm,或板的厚度可甚至更小或更大。孔彼此的距離(間距)可小至0.5mm或大至50mm或甚至更小或更大??卓膳帕谐衫?0×20mm2的矩陣(叢集)。
一般而言,可用本發(fā)明的方法以及設(shè)備電鍍?nèi)魏纹渌囊r底,包括復(fù)雜形狀的襯底,例如用于衛(wèi)生、家具、汽車或機(jī)械工程產(chǎn)業(yè)的塑料或金屬零件。
下列圖和實(shí)例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。這些圖和實(shí)例僅僅是用于理解本發(fā)明,而不限制本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。
圖1以示意性立體圖示出第一實(shí)施例中的本發(fā)明的設(shè)備;
圖2以示意性立體圖示出第二實(shí)施例中的本發(fā)明的設(shè)備;
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的施加于平坦襯底的一個表面的正向-反向脈沖電流序列;
圖4示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的正向-反向脈沖電流序列,這些正向-反向脈沖電流序列的第一個施加于平坦襯底的第一側(cè),而這些正向-反向脈沖電流序列的第兩個施加于平坦襯底的第二側(cè);
圖5示出本發(fā)明的第二實(shí)施例中的正向-反向脈沖電流序列,每一個都施加于平坦襯底的一側(cè);
圖6示出沒有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列;
圖7示出本發(fā)明的第三實(shí)施例中的正向-反向脈沖電流序列;
圖8示出沒有疊加陰極脈沖但具有脈沖斷路的正向-反向脈沖電流序列;
圖9示出利用沒有疊加陰極脈沖但具有脈沖斷路的正向-反向脈沖電流序列獲得的鍍銅通孔的照片;
圖10示出利用沒有疊加陰極脈沖且沒有脈沖斷路的正向-反向脈沖電流序列獲得的鍍銅通孔的照片;
圖11示出利用具有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列獲得的鍍銅通孔的照片;
圖12示出在不同條件下銅表面厚度變化的示圖;
圖13示出指示板的表面和通孔表面之間的鍍銅厚度(相對的鍍層表面銅厚度[%]),對板表面上的有效表面積與通孔壁上的表面積的比的依賴性的圖;
圖14示出指示孔區(qū)域內(nèi)和孔區(qū)域外的板表面的銅厚度的示圖。
具有相同功能的元件在附圖中用相同的附圖標(biāo)記來表示。
本發(fā)明的設(shè)備可以為直立式類型的處理設(shè)備100(圖1)或水平式(傳送式)類型的設(shè)備200(圖2)。
在直立式設(shè)備100(圖1)中,襯底p,例如印刷電路板,垂直浸入盛放在容器110內(nèi)的處理液l中,襯底p具有第一表面(側(cè))p1以及第二表面(側(cè))p2。板上設(shè)置有通孔和/或盲孔。該襯底放置在兩個反電極120、130(陽極)之間,其也被定向在垂直方向并且彼此相對布置:第一反電極120面對該板的第一表面p1,而第二反電極130面對該板的第二表面p2。板和反電極二者均浸入在處理液中。該板由比如框架或鉗的固持裝置140固持。反電極可由例如表面涂布貴金屬的展開的金屬(比如展開的鈦)制成。處理液可以為銅電鍍液,比如含硫酸銅、硫酸、氯化鈉以及水中的有機(jī)添加物的硫酸電鍍液。此外,該設(shè)備可含有加熱器、用于將空氣噴吹進(jìn)液體的噴嘴、用于將處理液注入容器的噴嘴、攪拌裝置、過濾裝置等等(未示出)。各反電極以及板電連接至相應(yīng)的電源(比如整流器)。第一反電極120和板連接至第一整流器150(以其電接觸點(diǎn)表示),而第二反電極130和板連接至第二整流器160(以其電接觸點(diǎn)表示)。電流源獨(dú)立地向反電極以及板的相應(yīng)的表面p1、p2施加脈沖電流。每個脈沖電流具有定義的脈沖形狀以及頻率。
水平類型的設(shè)備200(圖2)也包含裝處理液的容器210。兩行反電極220、230(陽極)一個接一個的布置在容器中的輸送方向上。在行之間形成空間,其中具有兩個表面(側(cè)面)p1、p2并且設(shè)置有通孔和/或盲孔的板p通過在水平輸送路徑上的容器來輸送。該板使用輥240來輸送。輥通過容器在水平方向上(箭頭h)輸送板。容器優(yōu)選地充滿處理液l,使得反電極和板完全浸入處理液中。在這種情況下,每個反電極和板被電氣連接至相應(yīng)的電源,如整流器(業(yè)界公知的)。第一反電極220和板被連接至第一整流器250(以其電接觸點(diǎn)表示),而第二反電極230和板被連接至第二整流器260(以其電接觸點(diǎn)表示)。電源將脈沖電流獨(dú)立地施加到反電極以及板的表面p1、p2。各脈沖電流具有指定的脈沖形狀以及頻率。
在本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例中,施加到板(或具有除板狀外的任何其他形狀的平坦襯底)的脈沖電流的脈沖形狀如圖3所示。該圖顯示出隨時間t變化的電流i,陰極電流高于零電流線(0),而陽極電流低于零電流線(0)。所示的脈沖電流序列表示具有循環(huán)時間tp的一個周期循環(huán)。數(shù)個循環(huán)(正向-反向脈沖周期)彼此跟隨。在該實(shí)施例中,在正向脈沖持續(xù)時間tf期間,施加具有正向脈沖峰值電流if的正向脈沖,而在反向脈沖持續(xù)時間tr期間,施加具有反向脈沖峰值電流ir的反向脈沖。此外,在正向脈沖持續(xù)時間tf期間,施加具有疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc的疊加陰極脈沖。該疊加陰極脈沖具有疊加陰極脈沖峰值電流ic,其加至正向脈沖峰值電流if,產(chǎn)生總陰極峰值電流ic+f。該脈沖電流序列以頻率f穩(wěn)定地重復(fù),所以周期tp=1/f。
施加到襯底p的脈沖電流由整流器150、160、250、260提供,其相應(yīng)地被編程以提供這樣的脈沖電流序列。該電流序列是施加到襯底以及反向布置到該襯底的反電極120、130、220、230。
當(dāng)使用像板p的平坦襯底時,通過將第一正向-反向脈沖電流序列施加到第一反電極120、220和板的第一表面p1,以及通過將第二正向-反向脈沖電流序列施加到第二反電極130、230和板的第二表面p2,可以在兩個板的表面p1、p2上獨(dú)立地加載正向-反向脈沖電流序列。施加到板的第一側(cè)的第一正向-反向脈沖電流序列示出于圖4的上圖中,而施加到板的第二側(cè)的第二正向-反向脈沖電流序列示出于圖4的下圖中。
第一正向-反向脈沖電流序列包含具有第一正向脈沖持續(xù)時間tf1和第一正向脈沖峰值電流if1的第一正向脈沖,以及具有第一反向脈沖持續(xù)時間tr1和第一反向脈沖峰值電流ir1的第一反向脈沖。此外,存在具有第一疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc1和第一疊加陰極脈沖峰值電流ic1的第一疊加陰極脈沖。第一疊加陰極脈沖峰值電流ic1加至第一正向脈沖峰值電流if1,產(chǎn)生第一總陰極峰值電流ic+f1。第二正向-反向脈沖電流序列包含具有第二正向脈沖持續(xù)時間tf2(未示出)和第二正向脈沖波電流if2的第二正向脈沖以及具有第二反向脈沖持續(xù)時間tr2和第二反向脈沖峰值電流ir2的第二反向脈沖。此外,存在具有第二疊加陰極脈沖持續(xù)時間tc2和第二疊加陰極脈沖峰值電流ic2的第二疊加陰極脈沖。第二疊加陰極脈沖峰值電流ic2加至第二正向脈沖峰值電流if2,產(chǎn)生第二總陰極峰值電流ic+f2。兩個脈沖電流序列都偏移180°的相移
在另外的實(shí)施例中(圖5),兩種脈沖電流序列各包含一正向脈沖、一反向脈沖以及一疊加陰極脈沖。脈沖電流序列中的疊加陰極脈沖以及反向脈沖間的角度偏差ξc為110°。該第一以及該第二正向-反向脈沖電流序列間的相位移
在又一另外的實(shí)施例中(圖6),兩個正向-反向脈沖電流序列均各包含正向脈沖和反向脈沖,但不包含疊加陰極脈沖。這些正向-反向脈沖電流序列可在第二方法部分周期之中、之后、第一方法部分周期中施加,已施加具有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列(圖4、5)以提供x(橋)電鍍通孔,使得其后可以有效地填充通孔。在這種情況下,兩個正向-反向脈沖電流序列的反向脈沖間的相移
在本發(fā)明的另外的方法實(shí)施例中,除了施加正向脈沖、反向脈沖以及疊加陰極脈沖外,還施加另一(第三)脈沖。該脈沖電流序列示出于圖7中。此外,在這種情況下,示出了從一個電流電平上升到另一個電流電平的有限時間段內(nèi)呈現(xiàn)的實(shí)際脈沖軌跡。因此,各脈沖具有以斜率表示[a/s]的上升時間和衰減時間。該斜率具有取決于設(shè)備設(shè)置的電氣條件的最大值。反向脈沖的相應(yīng)的上升時間和衰減時間(斜率的持續(xù)時間)因此顯示為tsl。將反向脈沖的開始時間定為0s,圖7還顯示一些另外的參數(shù),即,反向脈沖的開始時間tsf、疊加陰極脈沖的開始時間tsc以及附加(第三)脈沖的開始時間tsa。
實(shí)例1﹕
在使用如圖2所示的電鍍液流速為15m3/h的水平式傳送電鍍設(shè)備的設(shè)置中,對具有通孔的印刷電路板進(jìn)行銅沉積。該板在其一個夾緊邊緣處被固持在具有夾具的設(shè)備中,其中夾具還提供與板的兩側(cè)的電接觸。兩側(cè)中的每一個獨(dú)自電連接,并且由相應(yīng)的整流器獨(dú)立地用其自身的正向-反向脈沖電流序列來供電。整流器由相應(yīng)的計算機(jī)控制的設(shè)備來驅(qū)動以產(chǎn)生正向-反向脈沖序列。銅電鍍浴是含硫酸銅、硫酸、氯化鈉以及常用的有機(jī)添加物的硫酸電鍍液。在板的整個外表面以及通孔壁上設(shè)置有薄銅層。通孔直徑0.2mm,長(板的厚度)0.8mm。800個通孔以矩陣(集群)形式布置在20mm×20mm的區(qū)域中,高度0.5mm。這些矩陣中的幾個被布置在與板的邊緣不同距離的板上。
進(jìn)行銅沉積以產(chǎn)生x電鍍,即,在通孔中沉積銅以在其中心產(chǎn)生栓塞。通過將正向-反向脈沖電流序列施加到該板的各個表面來進(jìn)行銅沉積,其中兩個脈沖電流序列彼此相移
在第一個實(shí)驗(yàn)中,用常規(guī)的正向-反向脈沖電流序列對板的兩個表面進(jìn)行的沉積,在每個脈沖序列循環(huán)中(正向-反向脈沖周期),兩個表面均具有一正向脈沖、一反向脈沖以及其間無電流流動的一脈沖斷路(電鍍條件1)。在與第二正向-反向脈沖電路序列的第二反向脈沖相同的時間施加第一正向-反向脈沖電路序列的第一脈沖斷路,反之亦然。顯示這些脈沖電流序列的圖示出于圖8中。第一脈沖電流序列示出于上圖,而第二脈沖電流序列示于下圖。表1中給出這些脈沖電流序列的參數(shù)。
在第兩個實(shí)驗(yàn)中,用其他常規(guī)的正向-反向脈沖電流序列進(jìn)行金屬沉積,在每個脈沖序列循環(huán)中(正向-反向脈沖周期),每個具有一正向脈沖、一反向脈沖,但是沒有脈沖斷路(電鍍條件2)。顯示這些脈沖電流序列的圖示出于圖6中。表1中給出這些脈沖電流序列的參數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的第三個實(shí)驗(yàn)中,用正向-反向脈沖電流序列進(jìn)行金屬沉積,在每個脈沖序列循環(huán)中(正向-反向脈沖周期),每個具有一正向脈沖、一反向脈沖以及一疊加陰極脈沖(電鍍條件3)。這些脈沖電流序列的圖示出于圖4中。表1中給出了這些正向-反向脈沖電流序列的參數(shù)。
結(jié)果:
利用具有脈沖斷路的常規(guī)的正向-反向脈沖電流序列(第一實(shí)驗(yàn),電鍍條件1),根據(jù)板上的通孔的位置觀察通孔中的x電鍍的顯著差異:位于最靠近板的固持邊緣的位置(位置1:距與固持邊緣相反的板邊緣170mm處)的通孔在其中心處還未被銅充塞,而孔中心的銅層在一定程度上增厚(圖9a)。位于較接近與固持邊緣相反的板上邊緣處的通孔(位置2﹕距與固持邊緣相反的板邊緣85mm處),得到甚至更少的鍍銅,使得孔中心的銅層僅少量增厚(圖9b)。位于與固持邊緣相反的板邊緣附近的通孔(位置3﹕距與固持邊緣相反的板邊緣10mm處),沒有顯示多少鍍銅。根本沒有形成栓塞,幾乎沒有觀察到增厚(圖9c)。因此,金屬沉積在位置之間顯著不同。
利用沒有脈沖斷路的常規(guī)的正向-反向脈沖電流序列(第二實(shí)驗(yàn),電鍍條件2),在位置1與位置2處的孔中,栓塞形成更明顯(圖10a、10b)。位于遠(yuǎn)離固持位置的板邊緣附近(位置3)的孔,在孔中心顯示出明顯的銅層增厚,但鍍銅沒有導(dǎo)致栓塞形成(圖10c)。因此,仍然觀察到明顯的差異,但栓塞的形成比第一實(shí)驗(yàn)更好。
利用本發(fā)明的具有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列(第三實(shí)驗(yàn),電鍍條件3),不管孔是位于位置1、位置2或位置3,幾乎觀察不到在孔中心栓塞的形成差異(圖11a:位置1,圖11b:位置2,圖11c:位置3)。
實(shí)例2:
在實(shí)例1的具有電鍍液流速9m3/h的設(shè)定條件下(水平式輸送電鍍線)進(jìn)行另一實(shí)驗(yàn),在通孔之間的印刷電路板表面上銅的均勻性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果。對在高密度孔間距(0.5mm)處布置的通孔和在低密度孔間距(2.0mm)處布置的通孔之間獲得的銅厚度進(jìn)行了比較。還對不同的電流條件進(jìn)行了比較。
電鍍條件1:dc電鍍(dc=直流電)。
電鍍條件2:具有脈沖斷路(0a/dm2),但不具有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列,對應(yīng)于圖8所示的脈沖電流序列。
電鍍條件3:具有疊加陰極脈沖,但不具有脈沖斷路的正向-反向脈沖電流序列,對應(yīng)于圖4所示的脈沖電流序列。
板的參數(shù)如下:面板厚度:0.8mm;孔徑0.2mm和0.6mm;孔間距:0.5mm和2.0mm;區(qū)塊面積(孔矩陣的面積):20mm×20mm。
dc電流設(shè)定成2a/dm2(電鍍條件1)。表2給出了所有其他的電鍍參數(shù)。
結(jié)果:
測量通孔間的板表面上的銅厚度,并進(jìn)行統(tǒng)計評估。分開測定孔間距小的位置(間距:0.5mm;高孔密度)以及孔間距度大的位置(間距:2.0mm;低孔密度)的測定位置的值。這些測量值的結(jié)果示出于圖12中:
圖12a示出在低孔密度區(qū)域與高孔密度區(qū)域(分別為“低”與“高”)處,用dc電鍍(2a/dm2)所獲得的銅表面厚度的變化結(jié)果(電鍍條件1)。
圖12b示出利用具有脈沖斷路、但沒有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電流序列獲得的銅厚度變化的結(jié)果(電鍍條件2)。此外,還顯示出低孔密度區(qū)域與高孔密度區(qū)域(分別為“低”與“高”)所獲得的結(jié)果。
圖12c示出了利用不具脈沖斷路,但具疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電路序列所獲得的銅厚度變化的結(jié)果,電鍍條件3。此外,還顯示出低孔密度區(qū)域與高孔密度區(qū)域(分別為“低”與“高”)所獲得的結(jié)果。
用使用具有脈沖斷路但不具有疊加陰極脈沖的正向-反向脈沖電路序列的脈沖條件,在銅表面厚度方面獲得相對大的變化(電鍍條件2)。若使用疊加陰極脈沖(電鍍條件3),則表面厚度變化較低。dc條件的顯示僅供比較(電鍍條件1)。如果要在高孔密度區(qū)域與低孔密度區(qū)域中的表面上獲得相等的金屬厚度,則dc條件是不能被接受的。
在另外的圖(圖13)中,顯示不同孔徑(0.2mm:由(1)表示;0.6mm,由(2)表示)、不同孔密度(孔間距:0.5mm,由(2)表示;2.0mm,由(1)表示)以及不同電鍍條件(表2的電鍍條件2由“x”表示;表2的電鍍條件3由“o”表示)下,板的表面(無通孔的區(qū)域,平坦區(qū)域)與包括通孔的表面區(qū)域間的電鍍表面銅厚度變化,對板的表面(無通孔的區(qū)域,平坦區(qū)域)與通孔區(qū)域中真正表面積(板的表面積加上通孔壁的表面積)的有效表面積比的依賴性。表2中以1)和2)表示的數(shù)據(jù),對應(yīng)于具有分別由(1)和(2)表示的孔徑和孔密度的襯底。因此,將不具有通孔的區(qū)域中的電鍍在板的外表面上的銅厚度與包含通孔的區(qū)域中的電鍍在板的外表面上的銅厚度進(jìn)行比較。
從圖中可以看出,如果使用電鍍條件3,則可以實(shí)現(xiàn)平坦區(qū)域(無通孔)和有通孔的表面區(qū)域之間的相對較小的銅厚度差異。如果是電鍍具有大孔以及大孔間距的襯底,則該效果更明顯。
實(shí)例3:
在電鍍液流速為9m3/h的實(shí)例1的設(shè)定條件下(水平傳送的電鍍線)進(jìn)行另一實(shí)驗(yàn),在通孔所在區(qū)域(通孔間測得的厚度)和該區(qū)域之外(即無通孔的區(qū)域)的印刷電路板的表面上的銅均勻性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果,
板的參數(shù)如下:板厚度:1.5mm;孔徑:0.4mm和0.6mm;孔間距:0.2mm、0.4mm和0.8mm;區(qū)塊面積(孔矩陣的面積):20mm×20mm。
同樣比較不同的電流條件(以下所有正向-反向電流的脈沖順序以及頻率被設(shè)定為相同):
電鍍條件1:在板的兩側(cè)上施加正向-反向脈沖電流序列,各序列沒有脈沖斷路以及沒有疊加陰極脈沖,板的一側(cè)上的第一反向脈沖與另一側(cè)上的第二反向脈沖偏移
電鍍條件2:在板的兩側(cè)上施加正向-反向脈沖電流序列,各序列包含疊加陰極脈沖但沒有脈沖斷路,板的一側(cè)上的第一疊加陰極脈沖與另一側(cè)上的第二反向脈沖偏移為
圖3給出了正向-反向脈沖電流序列的參數(shù)。
結(jié)果:
一方面,在通孔之間的板的表面上以及該區(qū)域外的區(qū)域(即在沒有通孔的區(qū)域)中測量銅的厚度。對所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計評估。分開測定一方面有通孔的測量位置的值以及另一方面無通孔的測量位置的值。這些測量值的結(jié)果示出于圖14中:
無論在正向-反向脈沖電流序列中是否施加疊加陰極脈沖,有通孔所在的區(qū)域中的銅厚度,隨通孔間距增加而增加。通孔直徑對銅厚度沒有顯著的影響。
當(dāng)施加正向-反向脈沖電流序列時,與在序列中不包括這樣的脈沖時相比,另外包括疊加陰極脈沖,實(shí)現(xiàn)了銅厚度的顯著增加。該結(jié)果清楚地顯示出,在正向-反向脈沖電流序列中提供這種疊加陰極脈沖,不僅在相移
表1:實(shí)例1的脈沖參數(shù)
表2:實(shí)例2的脈沖參數(shù)
表3:實(shí)例3的脈沖參數(shù)
附圖標(biāo)記列表
100、200電鍍設(shè)備
110用于容納電鍍液的裝置
120、220第一反電極
130、230第二反電極
140用于固持襯底的裝置
150用于電極化襯底的第一裝置、整流器
160用于電極化襯底的第二裝置、整流器
210用于容納電鍍液的裝置
250用于電極化襯底的第一裝置,整流器
260用于電極化襯底的第二裝置、整流器
f頻率
h傳輸方向
i電流
ia.第三脈沖峰值電流
ia第三脈沖峰值電流密度
ic疊加陰極脈沖峰值電流
ic疊加陰極脈沖峰值電流密度
ic1第一疊加陰極脈沖峰值電流
ic2第二疊加陰極脈沖峰值電流
ic+f總陰極峰值電流
ic+f總陰極峰值電流密度
ic+f1第一總陰極峰值電流
ic+f2第二總陰極峰值電流
if正向脈沖峰值電流
if正向脈沖峰值電流密度
if1第一正向脈沖峰值電流
if2第二正向脈沖峰值電流
ir反向脈沖峰值電流
ir反向脈沖峰值電流密度
ir1第一反向脈沖峰值電流
ir2第二反向脈沖峰值電流
l電鍍/處理液
p(平坦)襯底、板
p1第一襯底表面
p2第二襯底表面
t時間
ta第三脈沖持續(xù)時間
tb脈沖斷路持續(xù)時間
tc疊加陰極脈沖持續(xù)時間
tc1第一疊加陰極脈沖持續(xù)時間
tc2第二疊加陰極脈沖持續(xù)時間
tf正向脈沖持續(xù)時間
tf1第一正向脈沖持續(xù)時間
tf2第二正向脈沖持續(xù)時間
tp循環(huán)時間
tr反向脈沖持續(xù)時間
tr1第一反向脈沖持續(xù)時間
tr2第二反向脈沖持續(xù)時間
tsa第三脈沖的開始時間
tsb脈沖斷路的開始時間
tsc疊加陰極脈沖的開始時間
tsf正向脈沖的開始時間
tsl斜率持續(xù)時間
ξa相同正向-反向脈沖電流序列內(nèi)的反向脈沖與第三脈沖間的角度偏移
ξb相同正向-反向脈沖電流序列內(nèi)的反向脈沖與脈沖斷路間的角度偏移
ξc相同正向-反向脈沖電流序列內(nèi)的反向脈沖與疊加陰極脈沖間的角度偏移