由于碳系列直接電鍍系統(tǒng)擁有成本低和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),電子制造商選擇其代替化學(xué)沉銅工藝。如今,全球各地有數(shù)百條高產(chǎn)量碳系列直接電鍍生產(chǎn)線。這些系統(tǒng)之所以受歡迎,是因?yàn)闇p少了用水量,減少了廢水產(chǎn)生,減少了設(shè)備占地面積并降低了能源消耗。 除此之外,這些系統(tǒng)不需要鈀等貴金屬來(lái)活化,從而可顯著節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。
在最新一代的智能手機(jī)技術(shù)中,高密度互連(HDI)技術(shù)朝向更精細(xì)的線寬和線距發(fā)展,從而需要采用超薄銅箔作為整個(gè)生產(chǎn)制程的起點(diǎn)。這種超薄銅箔技術(shù)要求在銅互連形成過(guò)程中精密控制蝕刻精度。直接電鍍工藝(例如最新一代黑孔化技術(shù))已開(kāi)始在3微米的銅箔上進(jìn)行先進(jìn)的半加成法生產(chǎn)。
本文將回顧碳系列直接電鍍技術(shù)發(fā)展歷史,包括設(shè)備技術(shù)的新突破,以及如何應(yīng)用于當(dāng)今旗艦手機(jī)中設(shè)計(jì)極精細(xì)的線寬和線距。
碳系列直接電鍍的歷史
碳系列直接電鍍工藝廣泛應(yīng)用于電路板行業(yè)已有35年之久。工業(yè)中廣泛使用的工藝包括黑孔、日蝕和黑影。最初的黑孔直接電鍍技術(shù)于1984年獲得了專利,并作為電鍍FR-4通孔面板工藝在商業(yè)上取得了成功。
由于黑孔是涂覆工藝,而不是像化學(xué)沉銅那樣的氧化還原工藝,因此該技術(shù)對(duì)不同介電材料的表面活性不敏感,可處理金屬化難度高的材料。 因此,這種工藝已廣泛用于撓性電路中的聚酰亞胺薄膜、高性能或特殊材料,如聚四氟乙烯(PTFE)。 碳和石墨的直接電鍍技術(shù)被認(rèn)可用于航天和軍事航空電子應(yīng)用且符合IPC -6012D規(guī)范的 3.2.6.1節(jié)的要求。
電路板的發(fā)展
隨著印制電路板設(shè)計(jì)的需要,直接電鍍工藝在過(guò)去幾年中不斷發(fā)展。由于微型化的驅(qū)動(dòng),由引線元器件發(fā)展到表面貼裝元器件,PCB設(shè)計(jì)演變?yōu)橐m應(yīng)具有更多引腳數(shù)的微型元器件,這導(dǎo)致PCB的層數(shù)增加、電路板更厚、通孔直徑更小。為了應(yīng)對(duì)高縱橫比的挑戰(zhàn),生產(chǎn)線技術(shù)規(guī)范要涉及對(duì)微孔進(jìn)行溶液傳遞交換的改進(jìn),如使用超聲波快速潤(rùn)濕孔和去除氣泡,以及改善風(fēng)刀和烘干機(jī)的能力以有效烘干厚電路板上的小孔。
此后,PCB設(shè)計(jì)人員進(jìn)入了下一個(gè)階段:盲孔饑渴癥,引腳數(shù)和球柵密度超過(guò)了鉆孔和布線可用的板面。 隨著球柵陣列封裝(BGA)的1.27mm至1.00 mm柵格,轉(zhuǎn)向芯片級(jí)封裝(CSP)的0.80mm至0.64 mm柵格的,微盲孔已成為設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)HDI技術(shù)挑戰(zhàn)的利器。
1997年,功能手機(jī)開(kāi)始使用1 + N+1設(shè)計(jì)進(jìn)行批量生產(chǎn);這是在層芯上的疊加層帶有微盲孔的設(shè)計(jì),隨著手機(jī)銷售量的增長(zhǎng),通過(guò)預(yù)蝕刻開(kāi)窗和CO2激光、UV、UV-YAG激光和組合UV- CO2激光形成微盲孔。微盲孔允許設(shè)計(jì)人員在盲孔下布線,因此可以在不增加層數(shù)的情況下重新分布更多的引腳柵格。HDI目前廣泛應(yīng)用于三個(gè)平臺(tái):微型化產(chǎn)品、高階封裝和高性能電子產(chǎn)品。手機(jī)設(shè)計(jì)中的微型化是當(dāng)前產(chǎn)量最高的應(yīng)用。
直接電鍍
諸如黑孔之類的直接電鍍系統(tǒng)必須克服技術(shù)障礙,以應(yīng)對(duì)盲孔和HDI微小孔型的金屬化挑戰(zhàn)。當(dāng)盲孔尺寸縮小之后, 提高了清除盲孔底部碳顆粒的困難度,但是盲孔底部的清潔度有是影響可靠性的關(guān)鍵因子;所以,開(kāi)發(fā)新的清潔劑和微蝕劑,是改善盲孔底部清潔的方法。
另外,依據(jù)理論以及實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn),修改微蝕段的噴管設(shè)計(jì)為 噴灑-浸泡-噴灑的配置組合,實(shí)踐證明是有效的設(shè)計(jì)。減小了噴嘴與電路板表面之間的距離,縮小了噴嘴之間的間距,增加了對(duì)電路板的噴灑沖擊力。通過(guò)針對(duì)細(xì)節(jié)的掌握,新型的噴管設(shè)計(jì)可以有效處理高縱橫比的通孔以及盲孔。
隨著下一代智能手機(jī)的發(fā)展,制造商開(kāi)始使用任意層的堆疊盲孔設(shè)計(jì)而取消通孔,這引發(fā)了一種趨勢(shì),即隨著線寬和線距從60μm減少到40μm,電路板的制作流程采用的原始銅箔厚度從18μm穩(wěn)定地減少到12μm再到9μm。而任意層線路板的每一個(gè)疊加層都需要經(jīng)過(guò)一次金屬化和電鍍,這樣子就大幅度增加了濕制程的產(chǎn)能需求量。
智能手機(jī)也是撓性和剛撓結(jié)合電路的主要用戶。與傳統(tǒng)的化學(xué)沉銅工藝相比,直接電鍍?cè)谌我鈱?、撓性電路板?/span>FPC)和剛撓結(jié)合電路板生產(chǎn)中的應(yīng)用均顯著增加,這是因?yàn)樵摴に嚺c傳統(tǒng)的化學(xué)銅工藝相比成本更低、用水更少、廢水產(chǎn)生更少(圖1)。
圖1:直接電鍍工藝為制造商帶來(lái)了巨大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)利益
銅咬蝕量規(guī)格 :改良型半加成法(mSAP)
現(xiàn)在,最新一代的智能手機(jī)和先進(jìn)的封裝逐漸采用替代型的半加成法(mSAP)。mSAP采用3μm的超薄箔來(lái)實(shí)現(xiàn)30/30微米的線寬線距設(shè)計(jì)。而采用超薄銅箔的生產(chǎn)流程中,需要非常精準(zhǔn)地管控各個(gè)制程中的微蝕槽的咬蝕量。特別是對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)沉銅和直接電鍍工藝,必須非常精準(zhǔn)地控制表面銅箔的咬蝕量(圖2)。
圖2:PCB日益縮小的線寬/線距要求需要嚴(yán)格控制蝕刻深度
MacDermid Alpha公司的設(shè)備團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品專家小組現(xiàn)已成功將碳直接電鍍制程應(yīng)用在最新的領(lǐng)域;最新的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的碳直接電鍍生產(chǎn)線被應(yīng)用在3 μm銅箔的mSAP生產(chǎn)流程中。
設(shè)備配置方面的進(jìn)步
為了優(yōu)化直接電鍍工藝以配合mSAP工藝,在投入全面生產(chǎn)之前,逐步在實(shí)驗(yàn)線上測(cè)試幾種不同的設(shè)備設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果顯示,經(jīng)由良好的設(shè)備設(shè)計(jì),可以在一個(gè)操作范圍寬條件下提供均勻一致的導(dǎo)電碳涂層。
舉例來(lái)說(shuō),在碳系列的直接電鍍制程中,采用一種有專利保護(hù)的滾輪配置,可以讓碳涂層更趨均勻一致。并且降低生產(chǎn)板板面上的碳沉積量、減少碳懸浮液的帶出量,同時(shí)防止盲孔或通孔孔角處出現(xiàn)過(guò)厚碳層。
后微蝕槽的設(shè)備規(guī)格也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。盲孔底部是否100%完全清潔干凈是廠商最在意的品質(zhì)問(wèn)題。如果在盲孔底部的局部有碳?xì)埩?,在電性測(cè)試時(shí)是能夠通過(guò)測(cè)試的,但是因?yàn)閷?dǎo)通的橫截面面積減小、結(jié)合力也縮小,導(dǎo)致在組裝過(guò)程中因未受熱應(yīng)力沖擊而出現(xiàn)斷裂失效的問(wèn)題。 隨著盲孔直徑從傳統(tǒng)的100微米至150微米減小到80微米至60微米,升級(jí)微蝕槽的設(shè)備規(guī)格對(duì)于產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。
通過(guò)測(cè)試研究修改微蝕槽的設(shè)備規(guī)格提升制程能力來(lái)達(dá)到完全清除盲孔底部的的碳?xì)埩?,目前已?yīng)用于量產(chǎn)線。第一個(gè)主要改進(jìn)包括使用雙蝕槽來(lái)提供更精密的咬蝕量控制。第一階段去除銅表面的大部分碳,第二階段采用新鮮干凈的微蝕液,避免碳顆粒能會(huì)再重新返沾到量產(chǎn)板板面。第二階段同時(shí)采用了減銅線的技術(shù),大幅度度地提高線路板板面上的微蝕量的均勻性。
減少電路板板面咬蝕量的變異值,有助于精準(zhǔn)地控制盲孔底部的總蝕刻量,咬蝕量的變異值是由化學(xué)濃度、噴管設(shè)計(jì)和噴灑壓力參數(shù)嚴(yán)格控制(圖3)。
圖3:通過(guò)設(shè)備和化學(xué)改進(jìn)的均勻蝕刻控制可以完全去除目標(biāo)焊盤中的碳?xì)埩?/span>
化學(xué)品改進(jìn)
在化學(xué)品改進(jìn)方面,對(duì)傳統(tǒng)的清潔整孔劑和微蝕藥水進(jìn)行了測(cè)試和修改,同時(shí)考慮控制咬蝕能力。清潔劑中的有機(jī)添加劑,選擇性地只有沉積在銅表面,不會(huì)沉積在樹(shù)脂材料上。所以,碳顆粒也只會(huì)沉積在這一特殊的有機(jī)涂層上。當(dāng)線路板進(jìn)入微蝕槽時(shí),有機(jī)涂層在酸性藥水中有很高的溶解性,所以,通過(guò)微蝕槽中的酸移除有機(jī)涂層,同時(shí)側(cè)蝕碳顆粒底下的銅面,可以加速清除同面上的碳顆粒。
另一個(gè)改善項(xiàng)目是,采用雙組分的微蝕刻,可以提高去除碳顆粒的能力并且降低銅箔表面的微粗糙度。讓銅表面的粗糙度有利于干膜附著。測(cè)試結(jié)果顯示,相對(duì)平滑的盲孔底部有助于提高電鍍同在盲孔底部可靠性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的碳系列直接電鍍制程之后,盲孔底部的銅箔已經(jīng)完全干凈,可以讓電鍍銅依附銅箔上的銅晶格持續(xù)成長(zhǎng)而達(dá)到最佳的鍍層結(jié)合力(圖4)。
圖4:微蝕模塊已被證明是提高直接電鍍工藝中盲孔可靠性的關(guān)鍵
關(guān)鍵工藝槽和化學(xué)品的特定改進(jìn)相結(jié)合,構(gòu)成適用于采用超薄銅箔生產(chǎn)的先進(jìn)HDI / mSAP流程。通過(guò)銅-銅直接鍵合的單一界面,形成連續(xù)的金屬晶格,提高了盲孔的可靠性。微蝕槽的處理讓盲孔底部銅箔形成的理想的微粗糙度,當(dāng)作填孔電鍍銅基底。這促進(jìn)了盲孔底部上電鍍銅的晶格沿著銅箔的晶格持續(xù)成長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)正常的高溫?zé)崽幚碇?,銅晶粒出現(xiàn)晶格重組排列而形成了完整的連續(xù)向的金屬晶格。
采用FIB切割樣品形成薄片觀察分析顯示,界面線在晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)上是均勻的(圖5),在熱沖擊或熱循環(huán)之后,盲孔底部的銅箔和電鍍銅之間的界線很難找到,沒(méi)有其他制程容易出現(xiàn)的Nano-void,除非是由于氧化或污染等因素造成的。
圖5:電鍍銅層和目標(biāo)焊盤之間界面的聚焦離子束(FIB)成像,領(lǐng)先的直接電鍍技術(shù)可使強(qiáng)銅-銅鍵合在熱應(yīng)力下表現(xiàn)優(yōu)異
全速前進(jìn)
直接電鍍生產(chǎn)線,如“黑孔”,目前已經(jīng)用于3微米超薄銅箔的替代型半加成(mSAP)的量產(chǎn)流程上了。這些系統(tǒng)在批量生產(chǎn)中使用精準(zhǔn)控制微蝕量的相關(guān)設(shè)備,用這種設(shè)備生產(chǎn)的12層任意層電路板已通過(guò)了300 Cycle的IST測(cè)試。在上述產(chǎn)品中,黑孔應(yīng)用在采用mSAP流程的L2/10和 L3/11,盲孔的尺寸為80~100 x 45μm,每片線路板含有200萬(wàn)個(gè)盲孔。
在制程中使用AOI檢查是否有碳?xì)埩粑?。檢驗(yàn)結(jié)果顯示在5,000 PSM/月的產(chǎn)量中,沒(méi)有檢測(cè)到任何缺陷。這些電路板的電鍍是在垂直連續(xù)電鍍(VCP)生產(chǎn)線上完成的;內(nèi)層采用Tent-Etch流程的全板電鍍,而mSAP層必然是采用圖形電鍍。圖6中的電子背向散射衍射(EBSD)圖像顯示了目標(biāo)焊盤和電鍍銅層之間的界面處晶粒尺寸的均勻性。
圖6:盲孔和目標(biāo)焊盤橫截面的電子背向散射衍射(EBSD)晶粒結(jié)構(gòu)
備注:電路板在260°C下進(jìn)行熱處理,然后在170°C下循環(huán)300個(gè)周期,平均晶粒尺寸為3.12微米。
隨著微型化元器件要求更多引腳數(shù)且更小封裝,PCB基板發(fā)展需要應(yīng)對(duì)密度增加的挑戰(zhàn)。盲孔已成為HDI設(shè)計(jì)的代名詞。隨著PCB設(shè)計(jì)從通孔發(fā)展到HDI設(shè)計(jì)(如任意層和mSAP技術(shù))的變化,為了與行業(yè)的發(fā)展保持同步,直接電鍍技術(shù)已在化學(xué)和設(shè)備配置方面取得了一定的進(jìn)步。
目前,最先進(jìn)的高階直接電鍍系統(tǒng)正在為最新一代移動(dòng)裝置平臺(tái)的PCB制造商提供競(jìng)爭(zhēng)所需的可靠性和性能。在新的領(lǐng)域,例如利用撓性和剛撓結(jié)合電路,或新混合材料的領(lǐng)域,碳系列直接電鍍技術(shù)為尋求擴(kuò)大其電鍍能力的制造商提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)解決方案。
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