印制電路板孔線共鍍銅工藝研究

何 杰，何 為，陳苑明，馮 立，徐 緩，周 華，郭茂桂，李志丹

(1.電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054;2.博敏電子股份有限公司，廣東梅州 514000)

引 言

電子產(chǎn)品微小型化與多功能化促使印制電路板趨向高密度互連方向發(fā)展，而高厚徑比導(dǎo)通孔與精細(xì)線路是印制電路板高密度化的有效解決方法之一［1］。印制電路板線路的精細(xì)化主要體現(xiàn)在線寬線距的不斷縮小，而傳統(tǒng)減成法工藝所采用的照相底版成像與蝕刻方法已經(jīng)難以滿足線路精細(xì)化的要求［2-3］，且當(dāng)使用的銅箔較厚，會(huì)加大精細(xì)線路的側(cè)蝕問(wèn)題甚至?xí)鹁€路的斷開(kāi)而影響印制電路產(chǎn)品的合格率;減成法工藝同樣不利于高厚徑比的微小導(dǎo)通孔制作，其原因是高厚徑比的微小導(dǎo)通孔需要電鍍時(shí)間較長(zhǎng)才能完成孔金屬化過(guò)程，由此導(dǎo)致板面的銅層厚度過(guò)大，加大精細(xì)線路的制作難度［4-5］?？拙€共鍍法結(jié)合了半加成法、圖形電鍍與孔金屬化技術(shù)要點(diǎn)，其過(guò)程是采用負(fù)相抗蝕層阻擋底層超薄銅箔的非線路圖形區(qū)域，整板活化后用電鍍方法增加導(dǎo)通孔孔壁銅層與精細(xì)線路的厚度，再去除抗蝕層并差分快速蝕刻底層超薄銅層，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通孔金屬化與精細(xì)線路同時(shí)制作，該方法可消除精細(xì)線路制作的側(cè)蝕問(wèn)題［6-7］，滿足導(dǎo)通孔孔壁銅層的厚度要求。

應(yīng)用孔線共鍍法同時(shí)實(shí)現(xiàn)板δ為1.5mm、孔d為200μm的導(dǎo)通孔與線寬、線距均為50μm精細(xì)線路的制作。研究了圖形轉(zhuǎn)移、圖形電鍍等工藝過(guò)程對(duì)導(dǎo)通孔與精細(xì)線路制作質(zhì)量的影響，對(duì)比了孔線共鍍法與減成法在導(dǎo)通孔與精細(xì)線路制作上的優(yōu)劣。

1 孔線共鍍法的工藝過(guò)程

孔線共鍍法實(shí)現(xiàn)孔金屬化與精細(xì)線路制作的原理，是先對(duì)覆銅板進(jìn)行鉆孔與鉆污清洗，形成抗蝕層后進(jìn)行整板活化，通過(guò)電鍍方法同時(shí)增加導(dǎo)通孔孔壁與精細(xì)線路圖形區(qū)域的銅層厚度，板面其它未經(jīng)圖形電鍍加厚的非線路超薄銅箔區(qū)域，采用酸性蝕刻液將其快速蝕刻去除，保留下來(lái)的部分則為同時(shí)制作的導(dǎo)通孔及精細(xì)線路，如圖1。

圖1 孔線共鍍法工藝流程

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料為FR-4雙面覆銅箔層壓板(聯(lián)茂IT158)，YQ-40SD型抗蝕干膜(旭化成)，國(guó)產(chǎn)H2SO4-H2O2蝕刻液、顯影液、退膜液等。儀器與設(shè)備為 ND-6NI210E型日立鉆孔機(jī)(日立公司)，F(xiàn)W-FLM610型自動(dòng)貼膜機(jī)(上海飛為自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司)，SPRESS QI型激光直接成像(LDI)系統(tǒng)(奧寶科技有限公司)，化學(xué)鍍銅線，H2SO4-H2O2減銅線，顯影線，去膜線，電鍍生產(chǎn)線，ASIDA-JX22C型金相顯微鏡(愛(ài)思達(dá)公司)等。

2.2 制作工藝

1)開(kāi)料。將介質(zhì)層為1.5mm、銅箔 δ為17.5 μm的FR-4雙面覆銅板裁剪成544mm×412mm的規(guī)格。

2)鉆孔。設(shè)置兩組不同的鉆孔機(jī)參數(shù)分別鉆出孔徑d為200μm的導(dǎo)通孔，其中A組參數(shù)為鉆刀速 110kr/min，下刀速 1.6m/min，退刀速 20 m/min;B組參數(shù)為鉆刀速145kr/min，下刀速1.8 m/min，退刀速20m/min，選取鉆孔效果較好的參數(shù)作為后續(xù)的鉆孔參數(shù)。

3)減銅。用H2SO4-H2O2蝕刻液進(jìn)行面銅減薄，將面銅δ減至4μm左右。

4)化學(xué)鍍銅。經(jīng)高錳酸鉀清洗、微蝕、活化等處理后進(jìn)行化學(xué)鍍銅t為50min。

5)圖形轉(zhuǎn)移?；瘜W(xué)鍍銅后烘干并熱壓貼40μm厚的干膜，放置15min后用LDI系統(tǒng)進(jìn)行曝光，其中曝光能量為450J/m2，放置15min后顯影，將所需線路部分及導(dǎo)通孔全部露出，其余部分全部覆蓋。

6)孔、線共鍍銅?？刂?0g/L硫酸銅，190g/L硫酸，60mg/L Cl－，適量的光亮劑、平整劑，Jκ為1.5 A/dm2進(jìn)行圖形電鍍t為80min。

7)快速蝕刻。通過(guò)去膜線除去板面余下干膜，用H2SO4-H2O2蝕刻液進(jìn)行快速的差分蝕刻去除板面多余銅箔完成導(dǎo)通孔及精細(xì)線路的制作。

2.3 測(cè) 試

圖形轉(zhuǎn)移后檢測(cè)線路和孔的對(duì)位精度及非線路部分干膜與覆銅板結(jié)合效果;圖形電鍍后測(cè)試導(dǎo)通孔的深鍍能力并用金相顯微鏡觀察精細(xì)線路與導(dǎo)通孔的制作效果;快速蝕刻后用3M膠帶對(duì)線路部分做3次剝離強(qiáng)度測(cè)試，檢測(cè)電鍍后線路與基材結(jié)合效果。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 圖形轉(zhuǎn)移效果分析

印制電路板(PCB)圖形轉(zhuǎn)移主要包括貼膜、曝光及顯影等步驟，圖形轉(zhuǎn)移效果對(duì)電鍍加成制作精細(xì)線路的質(zhì)量有較大的影響。實(shí)驗(yàn)選用了δ為40μm的干膜進(jìn)行貼膜，完成貼膜后用放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)干膜與銅面間結(jié)合良好，無(wú)氣泡、無(wú)褶皺情況出現(xiàn)，說(shuō)明貼膜效果較好。實(shí)驗(yàn)制作的精細(xì)線路線寬線距均為50μm，且線路排布較為密集，為了得到較好的圖形轉(zhuǎn)移效果，選用激光直接成像(LDI)曝光機(jī)對(duì)線路進(jìn)行曝光，完成曝光后用放大鏡觀察線路及孔的曝光效果，發(fā)現(xiàn)曝光后線路部分線條非常清晰，孔的對(duì)位情況較為精準(zhǔn)，如圖2(a)。與傳統(tǒng)的采用照相底片的圖形轉(zhuǎn)移方式相比，LDI曝光系統(tǒng)不僅縮短了工藝流程，且將圖形對(duì)位精度提高到±5μm之內(nèi)(由于照相底片的生產(chǎn)和保存、曝光機(jī)光源的特性及其它的多種因素所帶來(lái)的尺寸誤差非常大，可達(dá)到±25μm)。將曝光后的覆銅板放置15min后顯影，顯影后檢測(cè)板面干膜發(fā)現(xiàn)無(wú)甩膜翹起等情況出現(xiàn)，如圖2(b)，可知最終的圖形轉(zhuǎn)移效果較好，滿足電鍍加成制作精細(xì)線路的要求。

圖2 曝光、顯影后的板面照片

3.2 電鍍過(guò)程控制分析

3.2.1 硫酸銅及硫酸質(zhì)量濃度的影響

實(shí)驗(yàn)制作的印制電路板導(dǎo)通孔孔徑較小，d為200μm，且厚徑比為7.5∶1，這對(duì)電鍍銅溶液的深鍍能力提出了較高的要求。鍍液中深鍍能力受酸銅配比、陰極電流密度、添加劑組成等多個(gè)因素的影響，硫酸銅和硫酸的質(zhì)量濃度對(duì)深鍍能力影響進(jìn)行分析?？刂棋円?0g/L硫酸銅，190g/L硫酸，光亮劑、平整劑及適量Cl－進(jìn)行電鍍。隨機(jī)選取十個(gè)導(dǎo)通孔，通孔示意圖由圖3所示;按公式(1)計(jì)算深鍍能力，計(jì)算結(jié)果列于表1。

圖3 通孔示意圖

式中，A、B、C及D表示孔口上方處板面鍍銅層厚度，E、F表示孔中心處鍍銅層厚度。

表1 導(dǎo)通孔深鍍能力檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，導(dǎo)通孔的深鍍能力，均在60%以上，說(shuō)明鍍層的均勻性較好，鍍液深鍍能力較強(qiáng)。硫酸銅溶液中的Cu2+質(zhì)量濃度即不能太高也不能太低，Cu2+太低雖然可提高鍍液的深鍍能力但在高電流密度區(qū)易出現(xiàn)鍍層燒焦，太高又會(huì)降低鍍液的深鍍能力;硫酸的質(zhì)量濃度也必需合理控制，硫酸太低鍍液的導(dǎo)電性及分散能力較差，硫酸太高鍍銅層的光亮度和平整性會(huì)受到影響［8］?？傊岣咝】捉?jīng)、高厚徑比PCB板導(dǎo)通孔的深鍍能力，必需控制好硫酸銅及硫酸的質(zhì)量濃度。

3.2.2 電鍍參數(shù)及溶液攪拌的影響

實(shí)驗(yàn)控制 Jκ為 1.5A/dm2，t為 80min，采用空氣攪拌、平行于板面方向噴射鍍液和陰極移動(dòng)加強(qiáng)電鍍?nèi)芤旱慕粨Q。孔線共鍍完成后，對(duì)導(dǎo)通孔和精細(xì)線路分別制作切片觀測(cè)導(dǎo)通孔的孔金屬化效果及精細(xì)線路的制作效果如圖4。由圖4可知，孔線共鍍后導(dǎo)通孔的孔金屬化及精細(xì)線路的制作效果較好，這是由于控制Jκ為1.5A/dm2，可減小導(dǎo)通孔孔中心與孔口及板面的電位差，使鍍層的分布更加均勻且小電流有利于提升導(dǎo)通孔的深鍍能力。電鍍t為80min，這是基于孔金屬化、精細(xì)線路所需銅層厚度的綜合考慮，時(shí)間過(guò)短導(dǎo)通孔及精細(xì)線路鍍層厚度過(guò)薄，不能滿足工藝要求;電鍍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成精細(xì)線路厚度超過(guò)干膜厚度而出現(xiàn)夾膜情況。同時(shí)采用空氣攪拌可加快溶液的循環(huán)、平行于板面方向鍍液的噴射增強(qiáng)孔內(nèi)溶液交換、陰極移動(dòng)可使溶液穿過(guò)導(dǎo)通孔，加快導(dǎo)通孔內(nèi)電鍍?nèi)芤旱牧鲃?dòng)及交換速度，從而提高鍍層的均勻性和深鍍能力。

圖4 電鍍后導(dǎo)通孔及精細(xì)線路的截面圖

3.3 孔線共鍍工藝與減成法工藝對(duì)比分析

在導(dǎo)通孔的孔金屬化制作上，孔線共鍍工藝與減成法工藝均是采用電鍍加厚的方法制作，但孔線共鍍的工藝有著明顯的優(yōu)勢(shì)?？拙€共鍍工藝圖形電鍍是同時(shí)加厚導(dǎo)通孔孔壁及線路銅厚，制作效率更高;減成法工藝是采用整板電鍍，該過(guò)程不僅導(dǎo)通孔孔壁銅層厚度增加，面銅厚度也會(huì)相應(yīng)增加，增加了后續(xù)蝕刻制作線路的難度。

在精細(xì)線路的制作上，孔線共鍍工藝采用的是先電鍍加厚線路，再用H2SO4-H2O2蝕刻液進(jìn)行快速的差分蝕刻法去除非線路部分的較薄銅箔完成精細(xì)線路的制作，所得線路側(cè)蝕量非常小，線路的截面基本呈矩形狀;而減成法工藝是通過(guò)化學(xué)蝕刻法去除非線路部分的銅箔制作精細(xì)線路，由于減成法制作中銅箔的厚度一般較厚，因此線路的側(cè)蝕問(wèn)題較為嚴(yán)重，線路的截面呈梯形狀。實(shí)驗(yàn)中用美國(guó)3M公司生產(chǎn)的PCB專(zhuān)用膠帶均勻貼在孔線共鍍工藝制作的精細(xì)線路部分，迅速撕下膠帶，重復(fù)以上步驟3次，發(fā)現(xiàn)膠帶上無(wú)銅箔脫落痕跡，說(shuō)明線路鍍層與基板間的結(jié)合良好。圖5和圖6分別為采用孔線共鍍工藝和傳統(tǒng)減成法工藝制作的精細(xì)線路截面切片圖，由圖5圖6可知，孔線共鍍法避免了減成法制作精細(xì)線路側(cè)蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，其截面切片呈矩形狀，提高了線路制作的質(zhì)量。

圖5 孔線共鍍法制作的線路截面切片圖

圖6 減成法制作的線路截面切片圖

4 結(jié)論

印制線路板向著導(dǎo)通孔微小化和線路精細(xì)化方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)孔線共鍍工藝中圖形轉(zhuǎn)移、圖形電鍍等關(guān)鍵步驟的嚴(yán)格控制，制作了板δ為1.5 mm，導(dǎo)通孔孔徑 d為 200μm，線寬和線距均為50μm的導(dǎo)通孔及精細(xì)線路。結(jié)果表明，采用LDI系統(tǒng)進(jìn)行曝光圖形對(duì)位精度高、圖形轉(zhuǎn)移后干膜與覆銅板結(jié)合效果好無(wú)甩膜翹起等現(xiàn)象;圖形電鍍時(shí)控制電鍍?nèi)芤褐辛蛩徙~、硫酸質(zhì)量濃度分別為70g/L及 190g/L，Jκ為 1.5A/dm2，t為 80min 及適當(dāng)溶液攪拌，完成電鍍后導(dǎo)通孔深鍍能力達(dá)60%以上，精細(xì)線路與基板結(jié)合力較強(qiáng);與減成法相比，孔線共鍍法可同時(shí)完成導(dǎo)通孔的孔金屬化及精細(xì)線路的加厚制作，是一種效率極高的印制電路板制造方法，此法制作的線路側(cè)蝕量較小，線路截面基本呈矩形狀，提高了線路的制作質(zhì)量。因此，孔線共鍍的方法可適用于印制線路板微小導(dǎo)通孔及精細(xì)線路的制作。

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