本文通过哈林槽实验，对比不同通断电模式，量化分析断电时长对盲孔凹陷度的影响，为 R2R 设备与工艺优化提供依据。本图文来自网络，如有侵权请联系后台删除。
        一、研究背景

随着第五代移动通信(5G)、先进封装(Advanced Packaging)以及柔性电子(Flexible  Electronics)的迅猛发展，高密度互连(High-DensityInterconnection,HDI)基板对微盲孔(micro-blind  via)的高可靠填充提出了更为严苛的要求。当前，工业界主流的电镀铜设备按基板承载方式，可划分为卷对卷水平线(Roll-to-Roll  Electroplating,R2R-EP)与连续式片式垂直线(Vertical ContinuousPlating,VCP)两大类。

R2R-EP凭借连续化走带、低张力控制及大面积成膜能力，已成为柔性铜箔(Flexible CopperClad  Laminate,FCCL)与超薄芯板(Ultra-thin  Core)大规模制造的核心工艺路线。然而，与VCP相比，R2R-EP在单位面积上的有效电流密度呈现显著下降趋势。如图1所示，R2R-EP设备因工艺集成需求，在相邻铜槽之间必须设置水洗槽。该结构会导致以下问题：(1)电流路径在物理支面被周期性切断，形成“间歇通电模式”;(2)铜离子在断电区间内无法获得持续电场驱动，孔底扩散边界层厚度迅速增大，浓差极化加剧;(3)与VCP的连续通相比，R2R-EP的盲孔填充率(Filling  Ratio,FR)下降5%~8%,凹陷度(Dimple  Depth,DD)增加。因此，R2R-EP的“非连续电流”特征已成为制约其盲孔填充性能进一步提升的关键瓶颈。

图1 R2R-EP生产模式图及对应的电流模式

为突破该瓶颈，现有研究主要从工艺与化学两条路径展开。工艺层面，通过压缩阳极—阴极几何间距并引入定向喷流，有效强化了孔内对流传质，显著改善了铜离子耗尽区的补给效率，进而提高了盲孔填充的完整性。化学层面，研究团队采用正交实验设计对适用于印制线路板的铜填盲孔添加剂体系进行了系统优化，筛选出兼具低成本与环境友好特性的复合添加剂组合，为后续电镀液配方开发提供了可推广的理论框架。

然而，上述研究尚未充分揭示“电流断续”这一由R2R-EP生产线固有结构决定的物理量对沉积动力学的定量影响。R2R-EP生产线在水洗工位与电镀工位之间不可避免地存在电流通路瞬时中断现象，其断电时长(△t_off)直接决定了孔内扩散边界层的恢复程度及铜离子再分布效率;同时，断电瞬间界面双电层由法拉第过程切换至非法拉第弛豫，导致吸附型添加剂(SPS/PEG-Cl)的脱附—再吸附动力学发生显著改变，进而影响后续再通电时的成核势垒与晶面择优取向。文章拟从设备层面切入，以水洗槽通过时间(即电流断续时间)为单一变量，构建“断续一再通电”循环电沉积模型，耦合界面极化一传质一吸附三元耦合理论，系统阐明(△t_off)对微盲孔填充能力的定量影响规律，为R2R-EP设备参数优化与工艺窗口拓宽提供新的理论依据。

二、实验

(一)评估样板条件

聚酰亚胺(PI)盲孔板(板厚度25μm，过孔直径选取D=75μm和D=100μm两种规格，介质层厚度36μm)。

(二)电镀铜实验条件

整套实验系统由兆信直流电源(输出能力：DC  0~15.0V/0~10.0A)、有效容积1600mL的哈林(Hull-cell)槽以及尺寸与槽体匹配的不溶性钛网阳极组成，阳极置于槽体后侧并保持与阴极平行，极间距离设定为5cm。镀液配方精确如下：

(1)硫酸铜五水合物(CuSO₄·5H₂O):190gL⁻¹。

(2)高光整添加剂HV-QB:1mL·L⁻¹。

(3)整平剂JRMHV-MU:5mL√·L⁻¹。

(4)复合稳定剂PW:2.5g·L⁻¹。

工艺环境全程受控：槽液温度可以通过恒温循环水

浴锁定在27±0.2℃;搅拌采用细密喷流空气，流量为2.5L·min⁻¹，保证传质均匀;阴极电流密度统一设定为3A·dm⁻²。为系统评价“通电方式”对铜沉积层厚度及其分布的影响，设计并对比以下三种模式，总电量严格保持一致(约1440C，对应1.44A·h)。

连续直流：一次性持续通电8min00s。

断续模式①：周期性“通70s→断10s”，循环7次，总耗时9min20s;断电瞬间电流降为零，无反向脉冲。

断续模式②：周期性“通60s→断4s”，循环8次，总耗时8min32s;断电间隙同样保持零电流。

实验过程中，利用数据采集卡实时记录阴极电位变化，并在每次实验结束后立即取出铜片，经去离子水冲洗、冷风吹干，以备后续表征。

三、性能测定

在评估电镀铜对高密度互连板(HDI)激光盲孔的填充效果时，业界普遍采用“凹陷度(Dimple Depth,DD)”与“填孔率(Filling  Percentage,FP)”两项指标进行双重判定：前者表征盲孔中心处铜层表面相对于周边板面的下陷深度，后者则定量描述铜金属在盲孔体积中的占比。理论上，只有当DD≈0μm且FP≈100%时，方可视为“完全填充”。然而，在实际量产与快速实验评价中，凹陷度因其测量简便、重复性好、对制程波动敏感度高，被公认为最直接、最直观的判据。所有结果均以激光共聚焦显微镜三次测量取平均值，并在图2中给出各工艺条件对应的凹陷度，从而直观反映不同断电模式对铜沉积均匀性与盲孔“封口”能力的提升效果。

图2 电镀填盲孔凹陷度示意图

四、结果与讨论

(一)通电模式对凹陷度的总体影响

在固定平均电流密度J=3.0  A/dm²的条件下，对比连续通电与断续通电①发现：连续通电表面凹陷深度DD=16μm,而断续通电①组DD=35.8μm,增幅达55.3%,表明通电连续性对微盲孔表面平整化具有显著优势。连续通电模式下，界面过电位η维持在95mV左右，孔底始终处于有效极化，晶面择优取向保持为〈111>,抑制了孔口尖端生长;断续通电①在断电10s内η骤降至20~30mV,重新通电需50~100  ms的再极化过程，瞬时电流峰值高达2A/cm²,孔口因局部电场集中而优先沉积，导致“蘑菇”形凸起，并加剧后续整平难度。不同通电方式下的实验结果如表3所示。

图3 不同通电方式下的实验结果

(二)断续时长对凹陷度的精细化调控

在断续通电模式下仅改变断电时长，结果显示:t_off(10s,4s)并保持总电量恒定，凹陷度为:t_off=10s时，DD=35.8μm;t_off=4s时，DD=33.5μm,这是由于短的t_off限制了孔内Cu²⁺耗尽区的恢复，再极化过冲显著减小，瞬时高电流区范围被压缩，从而削弱了孔口优先沉积效应，因此时间较短的断续通电可以缓解填充性能的下降。

本研究旨在探究R2R-EP工艺中固有的电流通断模式对电镀铜填充盲孔质量的定量影响。通过对比三种不同通电模式下的实验结果，得出以下结论：

第一，通电模式对填充质量影响显著:与连续通电模式相比，间歇性的通断电模式会显著降低盲孔的填充质量。在φ75μm的盲孔测试中，连续通电的凹陷度为16.0μm,而“通70s—断10s”的断续模式下，凹陷度激增至35.8μm,增幅达55.3%。这主要是因为断电期间孔内过电位下降，重新通电时产生瞬时电流峰值，导致孔口区域优先沉积。

第二，断电时长是关键调控参数：在断续通电模式下，缩短单次断电时长可以有效改善填充效果。将断电时间从10s缩短至4秒后，φ75μm盲孔的凹陷度从35.8μm降至33.5μm。其原因在于，较短的断电时间限制了孔内铜离子耗尽区的完全恢复，减小了再次通电时的极化过冲效应，从而削弱了孔口的优先沉积。

研究结果证实，R2R-EP工艺中的“非连续电流”特性是影响其盲孔填充能力的关键瓶颈。为了提升填充质量，应在设备设计和工艺优化中，尽可能缩短基板在非电镀区(如水洗槽)的通过时间，即缩短电流断续时长。
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