PCB制作中成像和電路制作的方式

徐杰棟 胡廣群 編譯

（江南計算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

描述了一些新的制程。由于創(chuàng)新領(lǐng)域總有部分技術(shù)最后無法實施，對于一些有希望但暫未成功的技術(shù)方向做了適當?shù)姆治觥Ｔ诖宋陌l(fā)表的時候，本文部分提及早期的研發(fā)也許已經(jīng)確定不能成功。

“Tech Talk”曾經(jīng)提到激光直接成像（LDI）和PCB制作中的噴墨技術(shù)[1][2]，本文也介紹了一些常見的噴墨和激光應(yīng)用。

1 半加成工藝和加成工藝

圖1給出了半加成工藝（SAP）的概述。圖1左側(cè)的制程是先進倒裝（FC）封裝常用的電路形成過程。無電鍍銅鍍在平坦的介質(zhì)層和微通孔孔壁上。制作一個抗蝕圖形后，根據(jù)這個圖形將銅層鍍厚，然后剝離抗蝕層，將無電鍍的基銅用差分蝕刻的方法去除。也就是說，電鍍的電路沒有被蝕刻而成的金屬抗蝕層所保護。

圖1 半加成工藝

一個關(guān)鍵的問題點是無電解銅和微粗化過的介質(zhì)層表面之間的結(jié)合力。這個過程需要非常高的控制精度和先進的介質(zhì)層材料以及光阻材料。為了保證銅的結(jié)合力，基銅的選擇中，銅箔會用來替代無電解銅。銅箔的制作可以是在支持銅層上繼續(xù)加厚或者用一個較厚的銅層做蝕刻，減薄到目標厚度。保留的基銅仍舊厚于無電解銅，因此不能用于小于30μm的特別細的線路制作。銅箔表面粗糙度（牙齒）是個常見的問題，因為集膚效應(yīng)，更光滑的濺鍍銅將被用于先進封裝中的高速信號層。

在圖1右方的流程圖包含了介質(zhì)層表面的凹槽制作，這些凹槽定義了之后形成電路的位置。這樣的溝槽可以用激光消融[3]，噴射塑模，熱壓或印刷圖形[4]的方式來加工得到。接著將整個介質(zhì)層表面，尤其是鍍盲孔和埋孔的位置，進行123qwe無電解鍍銅，然后用電鍍銅快速加厚。非電路位置的面銅將會用差分蝕刻、電解法拋光或化學機械拋光（CMP）的方法去除。凹進的電路將生成一個平整的表面，并在電路三面和基板之間提供更強的結(jié)合力。轉(zhuǎn)移積層[5]也可以達到同樣的效果。將一個電鍍的抗蝕圖形鍍在導(dǎo)電薄片上（例如不銹鋼）。然后根據(jù)該圖形將銅層鍍到薄片上，接著將抗蝕層剝離，這樣圖形銅層就被轉(zhuǎn)移（印刷）到了半固化片上。

圖2（a）描述了使用無電解銅沉積的帶種子層的基板的加成工藝。種子層可以用鈀，Kollmogen就使用了這個一流的非電解鍍銅工藝來完成整個制程。在這個應(yīng)用中，抗蝕層需要能耐數(shù)小時的強堿。這種制程的一個替代方案是用含多個不同種子層，例如復(fù)合有機金屬或金屬氧化物，在激光照射時轉(zhuǎn)換成金屬[6][7]，然后用非電解銅加厚。

圖2（b）描述了使用不含種子層基板的加成工藝。在一個這樣的工藝案例中（Parelec公司的Parmod?技術(shù)），預(yù)先印上導(dǎo)電墨層，經(jīng)過加熱后轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電金屬。導(dǎo)電墨可以用絲網(wǎng)印刷或者膠印技術(shù)印到基板上。在低電流應(yīng)用中，墨也可以直接提供足夠的電傳導(dǎo)性，或者將導(dǎo)電墨作為無電解鍍銅的基層使用[8]。還有一種不同的技術(shù)，將導(dǎo)電的聚合物涂布到基板表面，用激光照射的方式來形成電路圖形[9]。與之類似的一個技術(shù)是將不導(dǎo)電的聚合物涂布到基板表面，然后用激光照射的方式將其轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電聚合物。聚乙烯聚合物（PATAC）是一個現(xiàn)實中的例子[10]。噴墨形成導(dǎo)電圖形和介質(zhì)層圖形是近來加成工藝領(lǐng)域中的最新的創(chuàng)新方向[11]。一種噴墨打印機噴射絕緣墨和導(dǎo)電墨（含銀微粒的有機涂料）的方法，將金屬配線圖形以噴墨的方式噴到絕緣層上，然后在150°～200°的條件下烘烤。Z方向互連的金屬柱和絕緣層也可以用噴墨的方式加工，一種20 mm×20 mm規(guī)格的20層板已經(jīng)成功使用這種工藝加工。

2 激光成像的選擇

圖3描述了激光成像的概述。在這類技術(shù)中首先被關(guān)注的是LDI技術(shù)，包含了光阻的曝光，逐一像素對準，使用Orbotech[12]、Asahi Opical[13]、Fuji和其他公司提供的激光設(shè)備。

圖2 加成工藝圖

圖3 激光圖形轉(zhuǎn)移方法

PCB制造商在之后的幾年里對LDI技術(shù)表現(xiàn)了持續(xù)的關(guān)注。這種發(fā)展的主要驅(qū)動力有幾個方面的持續(xù)需求：

（1）成像的正確位置；

（2）層與層間的對準提高；

（3）縮放圖形，根據(jù)最佳對準的條件來改變或移動圖形。

（4）LDI設(shè)備便宜的價格。

這些需求現(xiàn)在已經(jīng)達到。提高的性能具體都有LDI成像儀，固體激光器更長的使用壽命和更低的能源消耗，用于初次成像的先進光阻和更快的加工速度。

圖3描述了幾種激光消融成像的應(yīng)用。激光成像作用在空曝光之后的光阻上，相對傳統(tǒng)光刻的光阻對光阻外形的需求更小。另一個激光消融成像的例子是是Atotech使用非光敏有機抗蝕層的浸漬涂布流程，光阻涂布之后用激光成像。這種抗蝕層在獨立的浸漬過程中會相對銅層形成色差。Lamwit[13]是一個介質(zhì)層基層激光消融成像的例子。西門子展示了浸錫選擇性蝕刻來建立鍍銅板的工藝，之后用堿式蝕刻。在INVINT的試行工藝案例中，激光用于消融導(dǎo)電聚合物層，剩余的圖形部分則用于生成電路圖形。

作為激光消融的例子，這里也需要提到印刷電路板的微控制系統(tǒng)的激光標志制作[14]，見圖4所示。

圖4 激光標記制作

一個不同于上述技術(shù)（LDI，激光消融成像）的例子是Anvik的激光投影成像體統(tǒng)Anvik HexSacanTM 2100 SPE[15]，見圖5所示，使用受激準分子激光器作為激光源。另一個例子是LPKF的激光系統(tǒng)用于活化3D結(jié)構(gòu)中的種子層圖形[16]。

3 PCB制造中的噴墨應(yīng)用

PCB制作中首先成功的噴墨案例是在阻焊層上的字符印墨[16]-[20]。這種應(yīng)用和紙上的噴墨印刷非常相近，它也迎合了噴墨印刷的強度需求：薄的顏色涂布，有限的分辨率需求和數(shù)字數(shù)據(jù)驅(qū)動。

圖5 Anvik投影成像系統(tǒng)

下一個有希望成功的應(yīng)用是用噴墨印刷抗蝕層，這個技術(shù)還在起步階段。同樣該應(yīng)用也有低厚度，無針孔的涂布能力的需求。

抗鍍層或阻焊層的噴墨印刷有較高的技術(shù)要求，例如更厚的涂布高度，多層噴嘴的需求，和良好的側(cè)壁精確度。擴散圖形可以用噴墨技術(shù)來形成電路而不是用于形成抗蝕層。這種工藝的原理是將選擇性溶解（或選擇性不溶）的化學制品用噴墨的方式噴到抗蝕層上。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)驅(qū)動噴墨機。一個例子是噴射胺溶液到覆銅基板上，覆蓋一種未曝光的負型光阻。被胺選擇性溶解的光阻隨后被顯影和空曝光。近來PCB制作中一種令人印象深刻的噴墨印刷技術(shù)是Seiko Epson的多層加成工藝。它的絕緣層和導(dǎo)電層圖形都是噴墨形成的。

4 投影成像

“分步重復(fù)”投影成像是IC制作工藝的選擇之一。即將用于精細線路倒裝封裝的線路成形。玻璃表面鉻掩膜是很常見的。投影光學成像能在X、Y方向等比例放縮來補償基板的漲縮。強光源能在使用慢光刻速度，高分辨率光阻的條件下滿足曝光時間的需求。

5 膠印

在2003Productronica上介紹了一個致力于研發(fā)印刷蝕刻光阻的膠印技術(shù)的協(xié)會。包含了研究所，大學，供應(yīng)商和制造商。追蹤了兩個技術(shù)版本，一個基于單側(cè)薄片膠印（使用MAN Roland 200的設(shè)備），另一個是軸到軸雙側(cè)印刷工藝，產(chǎn)能在2000片/小時。印刷凸輪是激光成像，且可以重復(fù)調(diào)整，類似于CDRW。

圖6 RTCircuits的膠印光刻工藝

[1]Fine Lines in High Yields, (Part CV): Laser Direct Imaging Update, Karl H. Dietz, CircuiTree, June 2004, pg. 46.

[2]Fine Lines in High Yields, (Part LXXIII): Ink-Jet Applications in Electronics, Karl H. Dietz,CircuiTree, October 2001, p.62.

[3]The Sharper Image: Current Alternatives to Direct Imaging/Patterning (Part II), Christophe Vaucher,CircuiTree July 2001 (covering Multek's Laser-Ablated Micro Wiring Interconnect Technology(Lamwit) technology).

[4]Innovative Uses for Imprinted, U-Shaped PWB Traces & Microvias, George Gregoire, IPC Expo‘98, Long Beach, CA.

[5]US Patent 4,606,787 to P. Pellegrino.

[6]Laser Technologies for HDI Applications--New Structuring--and Via Processing, D.J. Meier & J.Kickelhain, Proceedings, ECWC (9), October 7-9,2002, Cologne, Germany.

[7]Ultramid T als Traeger fuer MID-Schaltungen bei Laser-Direkt-Strukturierung, Production von Leiterplatten und Systemen, 9/2004, p.1535.

[8]RT Circuits: Additive Circuit Processes, Printed Circuit Europe, 3rd Quarter, 2001, p.51 (additive offset litho print seed layer ink).

[9]INVINT (www.invint.com).

[10]Laser Recording of Circuit Structures from Conducting Polymers in Insulating Polymer Layers,H. K. Roth et al, Circuit World, Vol. 22, No.2, 1996.

[11]Inkjet wiring advances 'desktop factory' goal, Yoshiko Hara, EE Times, 11/8/2004 (reporting on Seiko Epson Corp.'s inkjet printing technology by which conductor patterns are directly inkjetted onto a substrate).

[12]Market needs and LDI technological improvements drive further utilization of LDI, Orbotech, TPCA Proceedings, Oct.30-Nov.1, 2003, Taipei, Taiwan.

[13]http://www.pentax.co.jp/japan/products/system/directimager/index_2080.htmlControl Micro Systems, 4420 Metric Drive, Winter Park, FL 32792(tel: 407-679-9716).

[14]www.cmslasermarking.com.

[15]www.anvik.com.

[16]New System Company, Via III Armata, 131, 34170 Gorizia, Italy (www.new-system.com).

[17]Productronica, Product Launches, Printed Circuit Europe, 1st Quarter 2000, p.64.

[18]Jetmask Ltd. (www.jetmask.com).

[19]The Inkjet Legend, Printed Circuit Europe, 1st Quarter 2001, p.63.

[20]Printar, 5, Oppenheimer Street, PO Box 292, 76000 Rehovot, Israel.