摘要

　　为应对人工智能服务器对高密度封装基板的严苛需求， 需要解决传统直流电镀在处理高低密度孔混合设计时产生的面铜厚度不均问题。

　　通过电镀化学与先进的脉冲垂直连续电镀系统相结合，并引入高孔密度表面因子（HHD-SF）作为工艺复杂性指标，对高密度互连基板进行了评估 。

　　结果表明，该集成方案能显著改善铜层分布均匀性，同时实现了优异的分散能力。

　　这种先进技术与专业设备的整合，是满足 AI等高性能应用对基板电镀严苛要求的有效技术路径。

　　引言

　　人工智能（artificial intelligence，AI ）应用的兴起已成为推动服务器行业增长的主要驱动力。

　　其对高频及高密度计算提出挑战性要求 ，导致对开发具有更精细特征、更高密度孔和更密集互连的先进封装基板（载板）制造工艺的需求日益增加 。

　　这些要求对于现代多层板设计至关重要，MLB 在人工智能硬件中起着关键作用。然而，这些复杂的设计带来了显著的的制造难题。

　　电镀铜的关键作用

　　电镀铜是封装基板制造中的关键工艺 ，对蚀刻等后续制程工序有显著影响。

　　电镀工艺的主要挑战是确保整个基板上的铜层分布均匀 ，无论是在高密度孔区域还是在低密度孔区域。

　　尽管会带来一些制造难题，但高密度孔区域是现代多层板设计不可或缺的组成部分。

　　一般情况下，传统电镀方法会导致不同孔密度区域的铜层厚度不一致，产生一种被称为“ 面铜厚度差 ” 的偏差。

　　这会导致蚀刻不均和整体电路性能上的差异如图1 所示。

　　此外，实现高深镀能力至关重要，可确保在孔内沉积足够的铜，同时避免表面铜层过厚。

　　图 1   低密度孔及高密度孔区域及面铜厚度差

　　脉冲电镀技术的突破

　　脉冲电镀技术的最新创新，特别是与垂直连续式电镀（vertical continuous plating ，VCP ）系统集成后 ，正在改变高密度封装基板上的铜沉积方式 。

　　脉冲电镀可实现更均匀的铜分布，显著提升表面均匀性和深镀能力（throwing power ，TP），在通孔高度密集的基板上也能达到相同效果，如图 2 所示。

　　图2    高密度孔区域总网格表面的界定

　　该项技术在以 AI为重点的应用中尤其有价值，图形处理器（graphics processing unit， GPU ）和其他高性能处理器日益增长的引入/引出（in/out ，I/O ）需求，因此，需要数十万个通孔才能满足。

　　脉冲电镀技术确保了在通孔密集聚集区域与孤立区域都能获得可靠的性能和减少工艺变异，并提升了下游工序的可靠性。

　　满足人工智能基板设计的需求

　　传统的封装基板在510mm×515mm的基板上，通孔数量通常少于30万个。

　　相比之下，专为 AI 应用设计的基板，其通孔数量往往超过 35万 个，这反映了AI芯片对I/O 互的需求显著更高。

　　这些复杂的基板上同时存在高密度和低密度的通孔区域，给实现均匀的铜沉积带来了严峻的挑战。

　　MKS 旗下 Atotech 公司近期对3种此类 AI 专用基板设计进行的评估表明，脉冲电镀技术在应对这些挑战方面，展现出了卓越的性能。

　　这些测试突显了该技术能够确保铜厚度一致性、减少表面厚度差异，并可保持对复杂几何形状的高电镀质量，满足当今AI和高性能计算（high performance computing ，HPC ）应用的严苛要求。

　　镀铜性能关键指标：

　　高孔密度表面因子（HHD-SF）

　　评估电镀铜技术的一大重要进展，是引入了高孔密度表面因子（high hole-density surface factor， HHD-SF）。

　　该指标用于量化不同孔密度设计的复杂性，以及它们对实现铜沉积均匀性所带来的挑战。

　　HHD-SF的数值越高，就意味着电镀工艺的难度越大，密集排列的通孔和更窄的间距使得实现均匀的铜分布更加困难。

　　理解和管理 HHD-SF 对于优化电镀工艺和确保先进封装基板的一致性能至关重要。计算 HHD-SF 的示例见表 1。

　　优化电镀工艺与设备

　　要满足 AI 驱动应用的严苛要求，必须采用一种整体规划的方法——即将专业的电化学工艺与先进的设备平台进行深度整合。

　　在本研究中，Cuprapulse® 脉冲电镀电解液经过特殊配方设计，旨在为具有严格均匀度要求的高密度集成电路基板提供卓越的性能。

　　其配方可精确控制铜的沉积过程，即使在具有复杂外形和不同孔密度的面板上也是如此。脉冲电镀工艺流程和参数见表 2。

　　基板表面铜厚度均匀性是高阶封装的关键参数，特别是对于 AI 和 HPC 硬件中常见的高频和高I/O 密度电路。

　　不一致的镀层厚度会影响信号的完整性 、可靠性和良率。

　　通过这种将化学配方与垂直连续式脉冲电镀系统相结合，该方法能够确保：

　　（1）在密集和孤立的贯穿孔区域具有极佳的深镀能力。

　　（2）表面厚度差异最小化。

　　（3）提高整体电路性能。

　　这种化学工艺与设备之间的协同作用，对于制造能满足最高电气性能与制造精度标准的下一代 AI 基板而言至关重要。

　　影响均匀性的关键因素

　　在封装基板上实现铜层的均匀沉积是一项关键的性能要求，尤其是在 AI 和 HPC 硬件等高密度应用中 。

　　虽然化学配方扮演着重要角色，但整板铜层均匀性主要由电镀设备的设计与配置决定。影响均匀性的设备因素和受影响的面板区域如图 3 所示。 

　　图3   影响均匀性的设备因素和受影响的面板区域

　　优化顶部和底部一致性

　　为保持镀层均匀 ，机械和工艺控制至关重要。

　　（1）顶部均匀性取决于一致的液位 、适当调整的屏蔽和稳定的夹具 ，前提为自动装载系统运行正常。

　　（2）底部均匀性需优化阳极配置 ，可溶性阳极棒可对较低面板区域的沉积进行额外控制。

　　（3）阳极和阴极有独立可调屏蔽 ，可实现不同面板设计和尺寸的微调 ，确保从顶部到底部的均匀覆盖。 

　　解决前缘和后缘问题

　　阳极屏蔽、液位设置等全局参数有助于控制顶部和底部的均匀性 ，但它们适用于所有面板。

　　相比之下，电流集中在面板边缘的前缘及后缘效应，需要个性化的解决方案。面板通过 VCP 系统时，前后边缘的电流拥挤可能导致过度电镀。

　　在连续生产中 ，如面板间距或对齐不一致 ，影响会加剧。

　　夹具设计的重要性

　　这一挑战突显了面板间夹具设计的关键作用。特制的夹具能够收集多余的电流，防止面板边缘出现过镀现象。

　　这些夹具会根据每块面板的具体设计进行定制 ， 以确保电流在整个面板上均匀分布。

　　传统的夹具解决方案在经济性和环保性方面存在弊端，例如会增加耗电量，且需在加工后处理多余的镀层材料。

　　更智能的VCP 系统：vPlate®

　　为解决这些局限性，vPlate®垂直连续电镀系统在镀铜模块中集成了专门设计的夹具和高精度面板对准功能如图 4 所示。这种先进的系统可确保：

　　图4   可用于 IC 基板高密度孔电镀的最新脉冲垂直连续电镀系统vPlate®

　　（1）面板间间隙一致且可调节。

　　（2）增强边缘均匀性 ，无过度电镀现象。

　　（3）提高整体工艺效率 ，减少材料浪费。

　　通过将智能夹具技术与精细化的设备架构相结合，该电镀系统代表了在复杂封装基板制造中实现均匀铜沉积的下一代方法。

　　夹具创新设计及夹具测试仪的实施

　　在镀铜工艺中，夹具在保持阴极（基板）与阳极之间的精确距离方面起着至关重要的作用。

　　该间距对于防止面板翘曲 、确保铜厚度一致性至关重要；此外，该电镀系统还配有夹具测试仪，用于连续监测夹具状况，确保夹具的导电性、夹紧力和形变保持在最佳参数范围内，进而提高整体电镀均匀性和良率，减轻操作员的工作量。

　　提高高密度孔能力

　　随着 PCB 和封装基板技术的发展，下一代设计要求更高的导通孔密度，这进而需要在孔内沉积比表面区域更多的铜。传统的流体搅动系统已经不再满足需求。

　　配备导流器喷嘴的喷淋系统对于实现高效的润湿和化学处理工艺至关重要 ；两侧的偏置导流器喷嘴有助于将铜离子高效输送至通孔内部 。具备高流量能力的变频控制泵 ，则为适应不同产品规格提供了灵活性。

　　单极脉冲波形实例和复杂脉冲波形实例分别如图 5~6 所示 。其中 I 为电流 ，T为时间。

　　图5    单极脉冲波形示例

　　图6    复杂脉冲波形示例

　　虽然直流电镀对于大多数应用仍然是高效和经济的，但脉冲电镀越来越多地用于具有以下特点的基板： 

　　① 高贯穿孔数 ； 

　　② 更紧密的间距；

　　③ 更大的厚径比。

　　在本研究中，电镀产线整合了来自多家供应商的整流器，其配置范围覆盖了从经济型到高端系统的多种方案。

　　这些整流器与先进的工艺控制软件相结合，能够根据特定的电路板设计，实现对脉冲波形和轮廓精确定制。

　　这种精细的控制水平确保了铜层分布的均匀性，即使在最苛刻的应用中也是如此，从而为AI、HPC及下一代计算平台的可靠性与性能提供了有力支持。

　　工业4.0 自动化和集成

　　该设备采用先进的自动化平台，通过广泛的专业知识开发，集成了控制软件及监控和数据采集 （supervisory control and data acquisition，SCADA ）功能，同时支持并行批处理和垂直集成协议，如半导体设备通信标准（SEMI equipment communications standard ， SECS ） 通 用 设 备模型（generic equipment model，GEM ）和面向服务的体系结构中的统 一 架构（object linking and embedding for process control unified architecture，OPC-UA）。 

　　系统软件符合工业4.0原则，并与数字工厂套件（digital factory suite ，DFS）完全兼容，该套件由 MKS 集团 Atotech 公司设计和开发，用于整合远程服务功能及系统集成功能，包括工业物联网（ IIoT ）功能和边缘计算解决方案。

　　该软件促进了工厂数字化进程，同时优化了生产、过程维护、控制措施和可视化。

　　DFS 的主要功能如下。

　　（1）远程设备监控：综合的仪表板显示了所有工具的完整概况，无需离开办公室或中断操作即可进行监控和决策。

　　（2）可追溯性：来自各种来源的所有数据被整合到单个界面中，可提供详细的可追溯性到每个批次和单个 PCB， 以实现有效的根本原因分析和可操作的见解。

　　（3）实时警报：系统会针对相关的设备事件，发送实时且用户可自定义的通知，确保正确的用户能够通过电脑或移动设备，接收到符合其优先级的即时告警，从而加快决策速度和问题解决效率。

　　（4）高阶故障排除：通过可扩展的仪表盘与报警系统，结合可追溯性功能，能够帮助团队快速获取相关数据，从而更高效地诊断和解决问题。

　　（5）预防性维护：通过实时硬件健康监测，确保能够及早发现设备的磨损与老化，从而安排维护计划，并有效管理备品备件。

　　（6）控制化学药水消耗：系统能自动创建每种化学品的全面消耗信息，无需为每台设备单独生成和导出报告，也无需手动计算消耗量。

　　（7）控制公用设施消耗：对公用工程（如水、电 、气 、压缩空气等）的使用情况进行精确的测量 、监控和报告，让客户能够完全掌控这些消耗品的用量，进而实现精确的成本规划。

　　研究结果

　　在评估脉冲电镀技术时，研究采用了实验设计（design of experiments ，DOE）方法来优化工艺参数。

　　结果表明，电镀的均匀性和分散能力均得到了显著提升。对于一款具有挑战性的板件设计，即 1 号板（见图 7），其通孔数量超过 35 万个，HHD-SF 为 1.63，最终实现了仅为 0.99 µm的表面厚度差，在高密度孔区域的分散能力达到 164%，在孤立孔区域达到 155%。

　　图7    1 号板设计和电镀结果

　　另一块板， 即2号板的设计（见图 8），通孔数量为 85 万个、HHD-SF 为 1.7 的设计中，表面厚度差达到 3.73 µm，高密度孔区。

　　图8   2 号板设计和电镀结果

　　最具挑战性的电路板设计侧重于提高各种高密度孔网格和不同直径孔的深镀能力，3号板的HHD-SF 值可达 2.6，如图 9~10和表3所示。由图10 可知，混合 HHD-SF高达 2.6，面板上有平整区域。

　　图9    高密度图形和低密度图形的铜厚度差异

　　图 10   3 号板电镀结果

　　结语

　　本研究表明，先进的设备（如MKS公司的Atotech vPlate系统）与专业的电解液（如cuprapulse IN ）相结合，能够实现卓越的性能，满足高密度集成电路基板的严苛要求。

　　相比之下，采用直流电（direct current，DC）工艺和标准电解液的常规垂直电镀系统，在满足当今高性能应用所要求的均匀性和可靠性方面，始终存在差距。

　　本项研究的主要贡献是引入HHD-SF指标，这是一项基于孔密度和设计特征量化电镀工艺复杂性的新指标。

　　HHD-SF为PCB和IC基板的技术需求分类提供标准化框架，从而能够在制造环境中对镀铜性能进行更一致的评估和基准测试。

　　尽管该研究立足于 AI 服务器应用的需求，但其意义远不止于此。

　　电信、数据存储、汽车电子及先进计算等行业，正日益依赖于具有高密度互连架构和高度均匀铜沉积的基板。

　　这些要求对于确保信号完整性、热性能和长期可靠性至关重要。

　　随着电子行业不断突破微型化与集成度的极限，如同本研究所展示的在电镀化学、设备及工艺控制方面的创新，正为 IC 基板制造设定新的标准，其影响遍及广泛的科技领域。

　　【本文源自《印制电路信息》2025年11月期，转自公众号电子首席情报官，作者Mr. Dirk Ruess 是MKS ’Atotech公司全球设备产品经理，Mr. Mustafa Oezkoek 是 MKS ’Atotech公司全球全板电镀及图形电镀产品经理。】