高密度互聯印制板HDI生產新思路

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前言

生產PCB板需求和發展趨勢,要求板面上的線寬和線距越來越小,在這種情形下,對PCB板制作技術提出了更高的要求,而在用電鍍銅的工藝在PCB板上制作或加厚銅導線,就其制作工藝本身來說,只是生產PCB板中的一個工序而已,但這個工藝很重要,鍍銅層厚度分布、過孔孔壁鍍層缺陷、盲微孔填充等好壞直接影響到PCB板的質量。同樣,電鍍的前處理(包括鉆孔、圖形轉移等工序)及電鍍后的蝕刻、去膜也影響到產品質量。就其工藝流程而言,電鍍銅工藝首當其沖,其施鍍參數必須優化,才能確保在整個生產過程中的產品質量和后續產率提高,只有這樣,也只有這樣電鍍出高質量的鍍層、過孔、盲微孔來,才能使PCB板在后續工序上的品質有所保障。

傳統的PCB板鍍銅工藝,要么采用全板電鍍工藝,要么采用圖形電鍍工藝,對于高密度互聯板(HDI)來說,不論單獨采用何種生產工藝,都有其優點和缺點的。

在高密度互聯板(HDI)中采用全板電鍍工藝,其優點如下:

1.  采用全板電鍍工藝沉積出來的板,表銅厚度分布均勻。(孔銅厚度與電鍍設備和工藝參數有關。一般說來,采用全板電鍍,參數更容易優化)。

2.  在前處理時,如果板面或孔內殘留干膜,則在干膜存留的地方將鍍不上銅。

3.  根據全板電鍍鍍層厚度特點,易于調整電鍍后續蝕刻參數。

4.  相對說來,全板電鍍上的線條剖截面不變或變化很小,這樣就保證了蝕刻后阻抗值嚴格符合產品要求。

然而,全板電鍍也有其缺點:

1.  NDI阻抗值依賴于圖形轉移(圖形的復雜性)及圖形電鍍工藝

2.  全板電鍍的鍍層是和基銅一起蝕刻,只留下線條部分不蝕刻,這樣就導致側蝕、幼線等品質缺陷,尤其是高密互聯板(HDI)的高密線條部分蝕刻比孤線蝕刻慢,造成孤線過蝕就難以避免的了。

3.  全板電鍍后蝕刻時,PCB板上大面積的銅被蝕刻掉,增加了制作成本,同時蝕刻后大量的銅離子進入廢液,導致環境污染和回收上的困難。

用圖形電鍍工藝替代全板電鍍有以下優勢:

1.  經過圖形電鍍后,只有基銅被蝕刻掉,而圖像電鍍上銅鍍層并沒有蝕刻掉,這樣可以大大降低側蝕的風險

另一方面,用圖形電鍍替代全板電鍍的缺點如下:

1. 鍍層厚度公差取決于圖形電鍍,這將很難嚴格滿足產品對特征阻抗的要求。

2. 采用圖形電鍍技術來制作高密度互聯板HDI時,要求抗蝕劑(即干膜)有一定厚度(主要由孔銅厚度來決定,但抗蝕劑的厚度至少要大于孔銅的厚度,否則會出現凹沿現象,)加上間隙小,易產生顯影不凈等缺陷。同時還會造成強堿性退膜的困難,造成鍍層分離或部分脫落,在隨后蝕刻出現線條短線、缺口、變細等品質缺陷。

3. 用圖形電鍍工藝取代全板電鍍工藝,施鍍前的圖形轉移制作的線寬和線距公差補償全憑經驗。

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圖1:為PCB全板電鍍工藝和圖形電鍍工藝的對比

下圖表明:在圖形轉移工藝中,用光致抗蝕劑制作線寬大約為44 µm線條,然后在抗蝕層上進行典型的圖形電鍍操作后,抗蝕層(干膜)很難退凈,直接影響到后續蝕刻工藝。

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圖2:用圖形電鍍工藝制作高密度互聯板(HDI)時,

導致的夾膜(光致抗蝕層)

為了彌補兩種工藝各自的缺點,人們通常做法是,在高密度互聯板(HDI)生產中,先來個全板電鍍,之后再進行圖形電鍍,這樣就把兩種電鍍銅工藝優點合在一起,做到了優缺點互補,具體如下:

1. 在基銅上,用全板電鍍工藝鍍上一薄層銅,這樣在蝕刻時,只蝕刻基銅和全板電鍍上的一薄層。

2. 全板電鍍和圖形電鍍的電沉積層厚度可以根據實際需要予以調整,以使生產出來的高密度互聯板(HDI)滿足符合產品的質量要求。

3. 采用兩種鍍銅工藝比單獨采用全板電鍍工藝或圖形電鍍工藝在蝕刻時,各個參數更易優化。

盡管整合全板電鍍工藝和圖形電鍍電鍍工藝,在制作高密度互聯板(HDI)時有上述不少優點,但也存在不足之處,具體如下:

1. 蝕刻的銅層仍然比在基銅直接圖形電鍍要厚。這樣在蝕刻時,側蝕仍然比較嚴重。

2. 整合兩種電鍍銅工藝比單獨采用全板電鍍工藝或圖形電鍍工藝在生產高密度互聯板(HDI)時,制作流程復雜,在這些流程中,潛在著更多的品質問題和處理難度問題,其最終結局是導致產率下降。

為了達到客戶對高密度互聯板(HDI)線寬和線距更高的要求,在制作高密度互聯板時,最重要的一條是銅層總厚度在蝕刻后,線條寬度和線距達要達到規定的要求,為此,人們通常的是在薄的基銅(基銅厚度約3µm)板上用圖形電鍍的方法,在線寬為20µm的線條上鍍上30µm銅,對于IC集成板,往往是在預處理過的基材上,用化學銅工藝沉上0.7-1µm厚的銅,再進行圖形轉移,用圖形電鍍出20-30µm的線條,之后在進行閃蝕,閃蝕過程參數控制是至關重要的,它直接影響到后續產品的質量。

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圖3:閃蝕后集成電路板上線條的微小剖界面(加成法)

不論是采用全板電鍍工藝還是采用圖形電鍍工藝,抑或全板電鍍后再做圖形電鍍,鍍出的銅層厚度均勻性是很重要的 為了達到客戶規定的這些要求,是鍍液能持續不斷地提供電鍍所需的銅離子,使電鍍液中銅離子濃度始終穩定在一定范圍內,這就人們在不停拉的情況,也能及時補充銅離子至電鍍液,所用手段是采用不溶性磷銅陽極,只有這樣才能持續不斷向電鍍液中補充電鍍所需的銅離子(這點,可以參詳文獻1),由于鍍液持續不斷工作,從上工序帶入雜質(有機污染)及設備還原性鐵等金屬也進入電鍍液,這就對電鍍液產生不同程度的污染,同時對產品質量也帶來隱患,為了提高電鍍出來產品的質量,進行電鍍液的保養是必需的,電鍍液保養包括碳處理和將鍍液過濾,做過濾和碳處理次數和量產相關的,不過,采用不溶性磷銅陽極也有缺點。

1. 產生陽極氧化膜,導致鍍液中的有機添加劑的過度消耗,縮短了鍍液的使用壽命。

2. 鍍液中的氣泡有可能影響到線路板的微孔電鍍銅層的質量,降低了產品的可靠性。

3. 做陽極氧化保養或鍍液進行碳處理,增加了制作成本。

氧化膜清洗用高純度的水或用高純度的活性炭做碳處理,方能確保鍍液的質量,通常,鍍液最常見的污染是氯離子超標,正常施鍍要求氯離子的濃度控制在40-60 mg/l之間,超過該標準,就會帶來不利后果,不過,選用優質不溶性磷銅陽極可以減小陽極氧化和碳處理的次數,而用劣質低價的不溶性磷銅陽極則不能。

高密度互聯板HDI生產設備特點

在高密度互聯板(HDI)產線成本居高不下的情況下,如何提高現有產線的產率問題以及原材料價格,尤其是銅的價格上漲的情況下,如何在產品可靠性、產品質量與經濟實惠作出權衡也值得斟酌的。所有這些,都是高密度互聯板(HDI)制作商面臨和期待解決的問題,具體如下:.

1. 采用電鍍工藝電出的鍍層厚度要均勻

2. 用高電流密度在薄基銅板上進行施鍍的能力以及鍍銅層厚度均勻一致

3. 針對HDI的過孔、微孔等,要求鍍液有良好的分散能力

4. 針對HDI的過孔、微孔等,要求凹陷度在同類鍍液中是最小

5. 提高產出可以通過優化設備和施鍍電流密度加以改善

6. 無銅面污染、鍍出銅層粗糙度要小、鍍液污染低

7. 優化的鍍液能把使薄芯板上的基銅控制在1-5µm之內

為此,人們開發出了水平電鍍線,它不是采用不溶性磷銅陽極標準分布,而是采用分段式分布,這種分布的特點是在不同的電鍍段配上不同功率的整流器提供不同的電流密度,借以保證在薄基銅電出厚度均勻一致的鍍層。整流系統必須有提供穩定直流電的能力或脈沖電鍍的能力,脈沖電鍍與傳統的直流相比,可提高鍍層的純度,降低鍍層孔隙率,改善鍍層的均勻性。脈沖電鍍屬于一種調制電流電鍍,它實質是一個通斷的直流電鍍,不過通斷周期是以毫秒計的。電流導通時的峰值電流相當于普通電流的幾倍甚至數十倍,這個瞬間的高電流密度使金屬離子在極高的過電位下還原,從而得到晶粒細小、密度高、孔隙率低的鍍層,而在電流斷開或反向的瞬間,則可以對鍍層和陰極雙電層內的鍍液進行調整,瞬間停止的電流使得外圍金屬離子迅速傳遞至陰極附近,使雙電層的離子得以補充,使氫或雜質脫附返回鍍液,有助于提高鍍層純度和減小氫脆,瞬間的反向電流會是鍍層邊角過多的沉積物溶解,有利于提高鍍層厚度的均一性,脈沖電鍍的實現不僅需要一個工藝參數與鍍液匹配的脈沖電源,加強過濾振動甚至超聲攪拌等等傳質過程。

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 圖4:分段式陽極優化后的平面分布

(四段獨立控制不溶性磷銅陽極分布)

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圖5:大拼版薄板水平電鍍線用的高性能夾具

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圖6 用夾具把一塊基銅3-5 µm板,放入分段式陽極水平電鍍線中,將電流密度調整到9A/dm2,進行試鍍后,試鍍結果表明表銅厚度分布均勻。圖6表明在一塊基銅為3-5µm板進行試鍍后表銅厚度均勻,基本上無差異。

電鍍厚度分布均勻性首先依賴所采用電鍍設備、電鍍工藝及施鍍時的各參數設定,如上圖所示,是在各種優化條件下、采用高電流密度的水平脈沖電流電鍍線在薄基銅電出的板(18 inch×24inch),除夾邊是從板邊15mm外,其他邊則是從板邊10mm內測量的,測量結果表明,表銅厚度分布均勻,公差在±10%之內,合格率基本上都在92%以上。

電鍍法填盲微孔

用電解質電沉積填盲微孔已經成為線路板行業在制作高密度互聯板HDI時所用的標準方法,在使用該電鍍法填充微盲孔時,電流密度要足夠低,才能抑制Cu2+在非微孔處析出,(有關用電鍍法填盲孔的理論和應用進一步的討論,請參閱文獻2)。對于制作高密度互聯板HDI來說,要求電鍍時能任意地填充盲微孔的同時對精細線條無影響,采用的電鍍工藝要么用全板電鍍,要么用圖形電鍍。下圖便是用圖形電鍍工藝填充過孔生產出來集成電路板,在該例填充盲微孔時,采用不溶性磷銅陽極的垂直直流電鍍線,優化各電鍍參數,這樣確保表銅厚度分布均勻。

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圖7:在集成電路板基材面用圖形電鍍工藝填充出來的盲微孔

對于手提式電子產品及集成電路板材面上過孔填充是不常用的,圖8 為一張有過孔微截面的典型PCB板,其上的過孔是用不溶性磷銅陽極垂直電鍍線生產的(施鍍電流為1.5 A/dm2),結果表明,用垂直電鍍線填充的過孔跟用電鍍法填充微盲孔一樣好,且盲微孔填充的質量和表銅厚度分布也和電鍍法填充微盲孔的質量及表銅厚度分布無差異。

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圖8:在一張PCB板上既有過孔填充,也有盲微孔填充

圖中板材厚度為1.2mm

盲孔孔徑為0.25 mm

將原有水平直流電鍍線在選擇合適電解質參數和專用整平用的添加劑條件下,改裝為脈沖電鍍(施加強的反向脈沖電流)已成為制作高密度互聯板行業一種新工藝,用這種新工藝進行超填充的盲微孔,可以使板面鍍層凹陷度控制在10 µm之內。

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圖9:水平脈沖電鍍線和特制電解質超填充出來盲孔

測試結果:

盲孔直徑為170µm

盲孔深度為100µm

表銅電鍍層厚度為15µm

水平脈沖電鍍線(強反向脈沖電流密度)所用的電鍍液完全是按生產的實際需要配制的,這種電鍍液能平滑地將銅沉積在板面上,產品滿足可靠性要求。用這種工藝填充盲微孔、過孔,除鍍層面厚度分布均勻外(2.5µm),同時凹陷度要小,當凹陷度達到±5µm,對于高質量的產品來說,這將視為是不合格的。

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圖10 :整板表面微盲孔的微截面凹陷度分布圖.

用超填充電沉積方法填充過孔 (PCB板的插頭)

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圖11. 為在PCB板面用超填充技術鍍出的通孔

銅箔厚度為:150µm

孔徑為:120µm

鍍層厚度為:24µm

凹陷度小于10µm

熱性沖擊實驗

實驗結果表明電鍍工藝填過孔的高密度互聯板過孔,經封裝制成芯板后能承受住熱沖擊循環,在一些情形下,例如在基材厚度60 µm 、基銅 5µm的板上,用電鍍工藝填直徑為100µm過孔來取代以往盲微孔也是可能,整個工藝再配上激光鉆孔后,生產成本降低了,產率也提高了。

總而言之:在水平電鍍線和垂直電鍍線中用不溶性磷銅陽極電鍍工藝生產PCB板,能夠保證鍍層符合預定的要求,尤其適合手提式電子產品或集成電路板材產品為主的高密度互聯板(HDI)。這種工藝一個明顯的優點是,不斷向電鍍液提供穩定的Cu2+離子,能使鍍液里的Cu2+離子濃度穩定在某一水平,這對于長時間填充填充盲微孔非常有利的。而采用水平脈沖電流電鍍線,并調整鍍液參數和施鍍條件,是超填充高密度互聯板上的過孔全新工藝,這種工藝能在15 µm鍍層上順利地填充凹陷度小于10µm盲微孔,這種新開發的工藝還能生產出線寬、線距50 µm板。且用全板電鍍工藝生產板,鍍層厚度相當均勻的。據調查這種采用半加成法在薄基銅板電鍍銅來制作集成電路板材電路板變得非常流行,在整板面板上做化學銅首要任務改善沉銅液的成分、調整沉銅參數,以及沉銅前的圖形轉移和其后的盲孔填充,以及閃蝕參數和電鍍使用的抗蝕劑性能等。