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适合于迭孔结构的半加成工艺研究

2010-05-12来源：百能网（PCBpartner)5174

适合于迭孔结构的半加成工艺研究

付海涛，程凡雄，任潇璐，羅永红(上海美维科技有限公司）

摘要: 本文介绍了一种适用于迭孔结构HDI 類产品的创新性半加成工艺，即SAP3 ™技术（Semi-Additive Process with Plated Pillar）。这种半加成技术融合了SAP 工艺，激光钻孔和电镀填孔的长处，既可以通过闪蚀工艺完成精细线路（L/S=50um/50um）的制作，也可以通过激光钻孔，电镀填孔与一定的蚀刻工艺完成迭孔结构。研究内容包括主要的工艺流程，使用的材料，各制程的技术难点及解决方法。

前言

随着电子产品向轻薄短小的方向发展，对产品精细化程度的要求也越來越高。在印制电路板的制作中，除了减小导通孔孔径外，缩小线路尺寸也是提高产品密度，减小完成板尺寸的一个重要方向。线路板制作的过程中面臨兩个主要问题：1，精细线路的制作；2，层间的可靠互連。对精细线路制作而言，减成法是传统且应用最多的成熟工艺，但加工细线条的能力有限。全加成法适合制作精细线路，但成本高且工艺还不成熟。半加成法虽然可以进行精细线路的加工，但也存在化铜层与介质层间结合力较差，热可靠性表现不佳的缺点。在线路板制造工艺中，另一个关键的问题是通过一定的手段实现层间的可靠互連。除了采用机械钻孔和沉铜电镀方式加工导电通孔的工艺，随着高密度互連技术的发展，先采用激光加工盲孔，再沉铜电镀的方式也被大范围地使用。在盲孔排布上，既可以采用错孔设计的方式，也可以采用迭孔设计的方式。对于这兩种聯通方式，由于迭孔形式节约了布线空间，同时在高频传输时可以减少电磁干扰，是目前高端高密度印制电路板产品所采用的导通方式。为了实现这种结构，关键的一点是要采用电镀填孔的方式将盲孔电镀填平。目前线路板制造行业采用整板电镀填孔的工艺來实现该目的。

综上所述，立足于如何克服减成法、加成法与半加成法在精细线路制作上各自存在的问题，同时又能实现层间迭孔结构的連接方式，本研究提出了一种创新性的半加成工艺，即SAP3 ™技术（Semi-Additive Process with Plated Pillar），在完成迭孔结构的同时制作精细线路。这种技术不仅适用于PCB 迭孔工艺的制作，还可以制作Substrate 产品，在本文中主要介绍该技术在PCB 迭孔方面的应用，半加成工艺流程，使用的材料，主要制程的技术难点及解决方法。关于本技术在Substrate 产品上的应用，将在另一篇文章中介绍。

1. SAP3™工艺路线

下圖為 SAP3 ™ 工藝路線，主要包括：芯板製作，層壓，銅箔減薄，鐳射直接鑽孔，化學銅，垂直連續電鍍填孔，形成銅柱(Plated Pillar Forming)，化學銅，圖形轉移與圖形電鍍，去膜和閃蝕，這一層build-up 完成後，可以繼續進行層壓，開始第二層build-up試板的製作。

3.6 除钯

闪蚀后的线路容易出现阳離子迁移失效和化学镍金后渗金兩种缺陷。这兩个缺陷产生的原因是由于闪蚀后试板的树脂表面存在着钯離子。在SAP 工艺中，整板面进行化学铜，化学铜过程中使用钯作为催化剂，在树脂表面会均匀的覆盖了一层钯粒子。闪蚀过程仅仅能处理树脂表面的化学铜，对钯的处理效果不明显。在绝缘电阻测试中，线路间绝缘树脂上的钯粒子会在潮湿环境和偏压的作用下发生导致阳離子迁移（CAF），使线路间的绝缘电阻小于1MOhm。或者在后续化学镍金处理中，由于树脂表面残留钯，造成线路之间本应绝缘的区域渗金。下图所示的兩张图片为闪蚀后的试板经过化学镍金的线路表面狀况。

目前，除钯药水可分为兩類：钝化钯和去除钯，下面进行简单的介绍。

（1）钝化钯

外层蚀刻完毕后，将试板浸在钝化药水中，树脂面残留的钯離子用一层有机膜包覆，使其不会发生渗金及離子迁移。但这种方法有一个很大的缺陷，钝化药水并不是选择性只钝化钯離子，它同时也会将线路表面的铜层进行钝化。

（2）去除钯

去除钯的药水对基板材料上的钯进行咬蚀，将钯粒子去除，药水在咬蚀钯的同时，对铜也有轻微的咬蚀作用。除钯药水供货商通过添加抑制剂來减少药水对铜的侵蚀作用。

图11a是未经过除钯处理的线路，线路之间出现严重的渗金现象，已经发生短路。

图11b 为我们采用去除钯药水处理后制作的线路，线路之间没有渗金现象。

2. SAP3™工艺技术难点及解决方法

2.1 铜柱的制作

在SAP3 ™的工艺路线中，与常规的半加成法最大的差别在于可以实现迭孔设计。为实现该工艺目的，采用传统的RCC 或FR4 材料进行层压，然后进行激光直接钻孔，电镀填孔完成后，将板面铜层去除，仅保留铜柱的部分。去除整板面铜层，形成铜柱既可以采用化学蚀刻的方法或者物理研磨的方法，但是都有一定的局限性。我们采用物理

研磨和化学蚀刻兩者相结合的方法，制作出了理想的铜柱结构。

（1）化学蚀刻

用化学蚀刻方法将板面的铜层去除，这种方法简单，但控制比较困难，主要的原因是：铜层不均匀性和Dimple 的存在。现有的电镀填孔（copper filling）设备，用填孔药水将盲孔填平。在填充过程中，常出现兩个问题：1，板面的铜厚不均匀，电镀30um，极差在10um 左右；2，在填孔过程中，dimple 在10um 左右。在化学蚀刻过程中，使用的药水通常没有选择性，板面铜和盲孔中的铜一起蚀刻。如何保证整板面的铜被完全去除干净，而不影响盲孔铜柱是本步骤的重点。下面三张图片为电镀填孔后，进行蚀刻后dimple 过大的铜柱形态，进行蚀刻后理想的铜柱形态示意图。

为了获得如图2c的理想狀态，我们进行以下三方面的研究：1，考虑盲孔与板面蚀刻速率的差異，我们需要板面的速度比较大，而盲孔的蚀刻速率小，因此考虑形成差分蚀刻。；2，蚀刻设备的选择。化学蚀刻可以通过不同生产线进行，包括DES、HE 等。不同的设备其蚀刻的特点也不尽相同。喷淋设备可以得到较大的蚀刻速率而浸没式蚀刻的均匀性比较好，可根据需要进行选择。3，蚀刻參數的控制，蚀刻要求：整板面铜去除干净，盲孔不受影响。

（2）物理研磨

选用物理研磨去除板面铜，需要在研磨的过程中控制切削量。同时，树脂层被研磨后表面的粗糙度有所降低，在后续Desmear 中很难形成需要的表面粗糙度，有可能导致树脂与化学铜的结合力低下，无法通过耐热性测试。

（3）物理研磨和化学蚀刻相结合的方法

采用物理研磨和化学蚀刻相结合的方法，利用它们彼此的优势达到最终的要求。下图是试验得到的铜柱照片。

3.2 化学铜和介质材料间的结合力

在半加成法中，介质层上的导电层是通过化学镀的方法形成化铜层，然后在化铜层上用电镀加厚的方法得到。化学铜层与介质材料之间的结合力一般比较差。在进行元器件贴装时，线路板一般要经过230-260摄氏度左右的高温，如果结合力比较差，铜层与介质层之间容易分離，线路板热可靠性表现不佳。我们选择合适的esmear和化学铜药水，在Desmear中，在树脂表面制作出具有一定粗糙度的形貌，然后采用适合的化学铜药水，提高化学铜和树脂之间的结合力。

1) RCC

RCC在处理过程中，容易受Desmear的咬蚀作用，表面形貌发生改变。图4是RCC表面形貌的SEM照片，表1是RCC上进行化学铜后，进行电镀30um并测试结合力测试和漂锡试验，结果剥離强度（peel strength）可以达到5.9lb/in，并可以通过8次漂锡测试。

2) FR4

FR4材料，特别是在无铅焊接領域中使用的高Tg的FR4材料，在Desmear处理过程中，Desmear咬蚀速率低，形成表面形貌不够理想，因此结合力不高。我们采用特殊的处理过程，使树脂与铜之间的剥離强度可以达到5.0 lb/in，并可以通过6次漂锡测试。

3.3 图形转移

在细线图形转移制作的过程中，常常出现干膜与化学铜的结合力低，导致“干膜飞线”（dry film flying）的现象。見下图6，干膜的一部分已经脱離化学铜表面，这种情况不仅会降低产品的良率，还有可能导致批量报废。

我们选择了合适的干膜种類，通过控制Desmear 咬蚀的表面形貌，化学铜沉铜的致密程度等。制作了线宽/间距：75/75，50/50，40/40，30/30um 的线路，图7 是显影后干膜在铜表面的SEM 照片，没有发生“飞线”现象。图8 是制作的线宽/间距：50/50um 电镀后将干膜去除的SEM 照片。

3.4 图形电镀

SAP工艺中，在化学铜的基础进行电镀加厚，实际上是利用图形电镀形成线路。在图形电镀过程中，图形分布不均匀导致电力线分布不均，造成不同位置沉积速率不同，线路的厚度差異变大。在精细线路区域，线路的厚度比较大，通常在30um，而在大铜面比较集中的区域，线路的厚度比较小，通常在15um，这样，在整个板面上铜厚度分布极不均匀。关于改善的方法，我们首先进行了图形电镀不均匀原因的分析。金属镀层在阴极上的分布取决于初次电流分布，二次电流分布以及电流效率，对于硫酸铜镀铜液而言，阴极电流效率几乎相同，因此影响金属镀层阴极分布主要是初次电流分布和二次电流分布。初次电流分布是仅考虑阴极不同表面至阳极几何距離不同时的阴极电流分布情况。不同的阴阳极形狀，不同图形分布，阴极表面的平整性等都会导致阴阳极之间距離不同，从而带來电力线分布的差異，导致铜层厚度差異。一般而言，在板边缘会存在边缘效应，导致边缘铜层偏厚。而在实际的操作中，很难保证板面的绝对平整性，因此造成板面靠近阳极的区域铜层偏厚。当电流通过镀液时，阴极和阳极都会有不同程度极化，特别是存在添加剂的镀铜液而言，极化现象更是普遍，这种由于极化存在而导致的不同电流密度分布称之为二次电流密度分布。溶液导电能力，阴极极化程度以及阴阳极之间距離都会影响二次电流分布情况。

下面就可能影响电镀铜层厚度均匀性各因素及应对措施进行介绍。

（1）设备因素

电极的形狀和尺寸、电极间的距離、电极在镀槽中的位置和镀槽的形狀、改变搅拌等，都会影响电力线的分布从而影响电镀层的厚度均匀性。

不同电镀设备采用不同的阴阳极布置方式，从而得到不同的电镀均匀性。一种是普通的垂直板电线，阴阳极位置固定，采用了浮架等方式对板面下部进行厚度进行调整，

正常电镀条件下，可以得到厚度极差均匀性约为50%。第二种是垂直連续电镀线，电镀缸较长，阴极在阳极缸里从一端进入，向另外一端运行，运行过程同时进行电镀。由于阴极和阳极相对位置并不固定，因此电力线的微区分布密度也随着运行过程不断变化，使得电力线的分布趋于均匀，从而提高电镀均匀性。正常电镀条件下，垂直連续电镀线板电的极差均匀性约为30%。水平电镀是第三种电镀线，其中，阴极也是采用移动的方式进行电镀，因此具有垂直連续电镀线的优点。其它的不同包括电流方式等。正常生产条件下，水平电镀的铜厚极差均匀性约为10%。

由此可以看出，可以利用不同阴阳极设置，包括辅助阳极、辅助阴极，阴极行走，挡板遮挡，加大阴阳极距離等等方式，有效提高电镀均匀性。当然，搅拌对于SAP 工艺具有重要的作用，孔内的充分交换是保证填孔以及铜柱生长最基本的条件。

（2）溶液因素

阴极极化变化，会调整二级电流分布。极化度越大，二级电流分布越均匀，从而得到更好的度层均匀性。因此，凡是有利于增强阴极极化的措施都有利于镀层均匀性的提高。在镀铜液中加入适量的络合剂或者添加剂，均能达到改善镀层分散能力提高均匀性的目的。比如，通常会在镀液中增加整平剂，此類添加剂带有很强的正电性，很容易吸附在镀件表面电流密度较大初，与铜離子竞争，使铜離子在高电流处不易沉积，同时又

不影响低电流区的铜沉积，使原本起伏不平的表面变得更为平坦，从而达到提高均匀性的目的。

一般來說，提高电导率，能提高覆盖能力。特别是当阴极极化度较大时，提高电导率能够显著地提高溶液分散能力，得到较好的电镀均匀性。镀铜溶液硫酸和铜離子浓度的比例，对导电性影响很大，因此成为影响电镀均匀性的关键因素。一般而言，溶液中高酸铜比能够得到较好的电镀均匀性。纵观SME 用于板面电镀的各种药水，都采用高酸低铜的成分。

因此，实际研究中，需要对不同厂家药水的特点进行评估，找到符合要求的药水。

（3）电镀參數因素

电镀參數包含电流方式以及电流大小兩个方面。共有三种电流方式可用于镀铜生产。

第一种是直流，在直流电镀方式下，铜離子連续不断堆积到阴极表面。随着时间的延长，厚度的差異增大。另外，电流的增加提高了阴阳极之间的电场强度，沉积速度加快，电力线强度差異加剧，惡化板面镀层均匀性。因此，推荐采用小电流密度进行铜层加厚。

第二种是无反向电流的脉冲电镀。脉冲电镀和直流相比，具有一个静止时间，在这段时间内，被消耗的铜離子可以得到补充，从而降低了浓度极化，可以采用更大的电流进行生产。但是，由于脉冲电镀具有静止非电镀期，因此在电镀过程中，要得到和相同直流条件下的沉积速率，必须采用更高的峰值电流密度，导致有效电镀沉积期沉积速度高于直流，因此等效电流条件下，其均匀性比直流要差。

第三种是含反向电流的脉冲电镀。反脉冲电镀不仅具有脉冲电镀的静止期，更为重要的是它具有一段高电流密度的反脉冲时间，在反脉冲时间内，电力线的分布和正脉冲一样，因此电镀期间电力线集中厚度较厚的区域铜的溶解速度加大，因此可以得到极高的电镀均匀性。在反脉冲电镀中，电镀均匀性更多取决于正反脉冲的时间和电流高低的搭配。

普通板电线采用直流电镀，极差均匀性约为50%，而采用反脉冲的水平线在制备相同铜层时，虽然电流高达6ASD，但铜厚极差均匀性在10%。实际研发过程，除了评估低电流密度条件下的电镀均匀性，还要评估含反向电流的脉冲电镀的均匀性结果，选择最优的电镀方式,此外，还需要适当增加辅助阴极图形，才能保证试板的均匀性达到设计的要求。

3.5 闪蚀

半加成法工艺过程在基板上进行化学铜，形成抗蚀图形后经过电镀将基板上图形加厚，去除抗蚀图形，然后再经过快速蚀刻将树脂表面多余的化学铜层去除。这一步快速蚀刻被称之为“闪蚀”（Flash Etching），其作用机理是：利用化学铜与电镀铜蚀刻速率的不同，形成差分蚀刻的效果，达到去除基底化学铜的目的，形成完整的线路图形。闪蚀是半加成法与传统工艺的显着差别之一，有较多的问题需要进行摸索。

闪蚀过程中，最常見的缺陷是线路底部的under cut，这种缺陷会造成线路底部与基材结合面积少，线路与基材的结合力下降，特别是在精细线路制作过程中，容易产生线路与板面分離的现象。图9a采用的是普通减薄药水进行的闪蚀，线路底部的under cut严重，线路几乎脱落，不可接受。而图9b，c，d 是采用三种不同闪蚀药水制作的线路图片。可以看到在这点上有明显改善，但是不同药水的闪蚀效果仍互有差異。

闪蚀过程中，另一种缺陷是线路的顶部发生变形，这是由于线路顶部直角的区域药水交换充分，顶点的电势比较高，容易受到蚀刻药水的攻击。线路顶部发生变形后会导致AOI 检测时，会产生很多假点。由于同样的原因，通孔孔角处的铜厚也会由于闪蚀而造成过薄。因此，在考察闪蚀能力的过程中，也应该将这一点列入考察项目之中。

除了上述兩个线路形狀控制以外，还需要对蚀刻过程中线宽的缩减量进行考量。在闪蚀过程中，基底的化学铜层被蚀刻的同时，线路的宽度会随同一起缩减。闪蚀药水开发的过程中，在药水中添加各种添加剂，使线路在X、Y 方向上的蚀刻速率有所区别，保证线路宽度符合客户要求。我们按照上述控制方法，已经成功的制作了50/50 的线路图形，如下图所示。