叠孔类多阶HDI板制作难点探讨_吴秉南

叠孔类多阶HDI板制作难点探讨_吴秉南

叠孔类多阶HDI板制作难点探讨

吴秉南

(博敏电子股份有限公司,广东 梅州 514768)

摘 要 以一款16层的叠孔三阶HDI板的制作为例,讲述该类产品的制作难点、控制重点和注意事项等,为同行技术工作者制作该类产品提供参考。

关键词 盲孔;叠孔设计;三阶HDI;激光;电镀填孔

中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009-0096(2013)02-0035-04

Stacked via HDI board production key points discussion

WU Bing-nan

Abstract Taking a 16 layer of 3-stacked via HDI board production as an example, this paper describes the production dif ? culties, key control points and matters requiring attention for the peer and technical workers. It is hoped to provide certain reference for production of the products.

Key words Blind Hole; Stack Via; 3-Stack Via; Laser-Drilling; Plating Filling

1 前言

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随着智能手机、平板电脑等消费类电子产品的飞速发展,推动PCB 向高密度化、小型化和网络化等方向发展。叠孔类的设计可最大限度地节约空间,已越来越受到业界的追捧,其应用将会越来越广泛。而采用电镀铜填盲孔的方法来实现盲孔与盲孔的堆叠方式,由于其具有可靠性高、流程简单等优点,成为目前最理想的填孔方法。多阶HDI 板的制作技术大多采用激光钻盲孔、电镀铜填盲孔的方式来实现层与层之间的互连,其制作难点在于盲孔加工、电镀铜填盲孔、精细线路制作和对位精准度的控制等[1]

本文将以一款16层的三阶高层HDI 板的制作为例,重点讲述其几个制作难点的控制方法,该款板的结构图如下(图1):

该板由5张芯板经三次压合、三次电镀、三次激光钻孔和八次线路完成,有埋盲孔、结构复杂、工艺流程较长。因此,制作该类结构的HDI 板对设备、员

工操作、生产环境和工艺参数控制等均有较严格的要求,尤其是激光、电镀、压合和线路等几个重点工序的控制,成为制作该类板的关键所在。

2 工艺原理及流程

2.1 工艺原理

主要是采用盲孔与盲孔堆叠的方式来实现层与

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层之间的导通和互连,重点是叠孔堆叠重合性(层间对位度)和互连可靠性的控制。因此,叠孔设计和电镀铜填盲孔技术即是该工艺原理的核心技术,叠孔设计如何确保对位精准度、层间对位度?电镀铜填盲孔如何控制凹陷度(Dimple )和可靠性?这些将是下文重点探讨的内容。

2.2 工艺流程

从该类板的结构图就可以看出其制作流程是很长的,具体流程如下:

下料(5张)→内层图形转移→内层蚀刻、AOI →棕化→压合(L3-L4)→铣边→减铜→棕化→激光→钻埋孔→沉铜→电镀填铜→树脂塞孔、磨板→图形转移→蚀刻、AOI →棕化→压合(L2-L5)→铣边→减铜→棕化→激光→沉铜→电镀填孔→次外层图形→蚀刻、AOI →棕化→压合(外层L1-L6)→铣边→减铜→棕化→激光→钻通孔→沉铜→电镀填孔→树脂塞孔、磨板→图形转移→蚀刻、AOI →阻抗测试→阻焊、文字→沉镍金→铣成型→FQC →FQA →包装→入库

2.3 关键技术研究

针对该类叠孔三阶HDI 板的制作难点,主要涉及到精细线路制作技术、层间对位精度控制技术和电镀填孔技术,以下将就这三个方面做相关讲述。

3.1 精细线路的制作

该款三阶HDI 板的线路等级主要为75 μm/75 μm 和100 μm/100 μm 两种,由于外层通孔铜厚要求较高(最小20 μm ,平均22 μm )、孔径较小(最小通孔为φ0.2 mm )、纵横比高达9.45:1,要达到MI 的铜厚要求就会存在面铜超出蚀刻制作能力的可能。为此,须保证最后达到线路工序后的面铜厚最高不超过33 μm (根据公司蚀刻能力而定),在电镀时除需要采取必要的控制措施外,还需要在完成电镀后根据实际情况进行减铜、磨板等处理,以保证线路工序的顺利制作。

3.1.1 线路补偿

要保证最终的线路满足MI 要求,首先是要做好工程线宽的补偿,这个补偿需要根据蚀刻能力而定的,一些特殊的线条(如孤立线)还需要进行特殊分段补偿。但是,由于这个板具有与普通板不同之处,按照正常的补偿准则也不一定能保证蚀刻线宽的准确性,根据试样情况来看,线宽应该尽量多补,以保证最小间距满足曝光、显影和蚀刻的能力即可。故要求工程CAM 将最小间距保证57 μm 的情况下,线宽尽量多补,同时对几个特殊线条进行单独补偿。

3.1.2 前处理选择

板面前处理有磨板、磨板+喷砂和超粗化三种,具体选择要根据各公司具体的设备、工艺能力及实际测试结果来确定。板面粗糙度对附着力的影响可分几组对比试验进行,如超粗化、磨刷+喷砂、磨刷等,然后通过表观检查(SEM 扫描电镜)和表面粗糙度检测等手段[2],干膜结合力测试原理与国际通用规范IPC-TM-650中之阻焊油墨相关规定结合力测试相同,可对比出哪种前处理效果最优,粗糙度在多少的范围内可保证干膜与铜面有良好的结合力[3]。表1为几种前处理方式粗糙度及结合力测试情况:

对于精细线路的制作,不能单从粗糙度来考虑,还是要根据实际综合测测试结果来确定。通常来说,单采用磨刷的方式来处理铜面,会出现定向的擦伤,有耕地式的沟槽、铜面划痕,严重时会出现铜被翻起,不适合精细线路的制作。而仅采用超粗化(微蚀)的方式,不能解决铜面胶渍、油污、铜瘤和凹痕等缺陷的问题,采用磨刷+喷砂的方式则可避免上述的缺陷的发生。

3.1.3 贴膜、曝光、显影等控制

在这方面的控制技巧其实还是很多的,除此之外,还与设备种类、工艺能力等有着密切的关系。对于精细线路来说,干膜厚度较低,其解像度就越高,合适的干膜厚度是保证精细线路制作的要

表1 几种前处理方式粗糙度和附着力对比

磨刷+喷砂(500目数) 0.38 2.68 良磨刷(500目数) 0.52 4.32 一般

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素之一,曝光时选择合适的光源形式,尤其是对高密度、精细导线的图形的光成像,光源的特性直接影响曝光质量和效率。曝光机有普通型,有平行光型,还有LDI(激光直接成像),各种设备性能的差别会在制作效果上表现出来。而对于显影的控制就相对简单一些,主要是从显影液的浓度、显影压力和运行线速等几个方面进行控制,可以根据曝光尺来对各项参数进行调整,从而达到最理想的显影效果。

以上是针对精细线路制作的讲解,当然其控制项目是不限于以上内容的,如蚀刻的参数控制、消除影响线宽、线距的因素等,限于篇幅,在此不作赘述。

3.2 电镀铜填盲孔技术

电镀填孔效果的好坏直接与盲孔的孔型、孔壁质量有关,这也是我们在前面要做重点阐述的原因。电镀填孔的控制项目主要有:填孔率(Filling Power)和凹陷度(Dimple)的控制[4],参见图2:

图2 填孔能力表征示意图

3.2.1 填孔原理

硫酸盐型的电镀填孔镀液成分包括硫酸铜、硫酸、氯离子和添加剂(含光亮剂、运载剂和整平剂),其各自作用机理如下所述。

(1)硫酸铜。参与电极反应,提供铜离子。填孔镀铜镀液一般需要高的硫酸铜浓度。

(2)硫酸。提高溶液导电性,防止铜盐水解,使镀层结晶细致。硫酸浓度太高会降低Cu2+的迁移,电镀效率会降低。镀铜填孔镀液一般需要较低的硫酸浓度。

(3)氯离子。阳极活化剂,降低镀层应力,与添加剂协同作用使镀层光亮、平整。但浓度控制要适量,一般填孔镀铜镀液控制在40×10-6~60×10-6为宜。

(4)添加剂。包括光亮剂(Brightener)、运载剂(Carrier)和整平剂(Leveler)。光亮剂的作用主要是由于其在电极界面上具有特性或电性吸附现象,影响电极和双电层的性质,从而影响金属电沉积过程,改变沉积层形态和性质,以达到我们所需的预期镀层。运载剂可协助光亮剂前往阴极凹陷各处分布,但必须在氯离子协助下才能发挥作用,使原本镀铜不均匀的分布变得较为均匀,具有一定的整平能力和提高均镀能力的效果。整平剂在酸液中有很强的正电性,很容易吸附在镀件表面负电性较强的地方(即电流密度大处,如凸起处,板角、孔口高电流处),与带正电的铜离子形成竞争,使铜离子在高电位区不易沉积,但又不影响低电位密度区的铜沉积,是原本起伏不平的表面变得更为平坦,以此达到对镀层整平作用。

3.2.2 填充率和凹陷度的控制

填充率是反应填孔能力的一个重要指标,一般来说,填充率越大凹陷度越小,就越有利于盲孔填孔品质的控制。凹陷度一般要求控制在15 μm以内,凹陷度过大时在进行二次盲孔加工时,该位置会被树脂填充,在激光烧蚀时无法将其完全除去,从而形成钻污,影响产品可靠性[3]。图3为盲孔填孔凹陷度过大,易造成互连失效。

图3 叠孔盲孔凹陷度过大造成互连失效要想达到理想的填孔效果必须对电镀药水的成分控制十分的精准,如酸性电镀铜中的硫酸铜、硫酸、Cl-、加速剂、抑制剂和载体等成分须严格按照工艺要求进行有效管控。通过对以上电镀填孔原理及影响因素的了解,我们知道控制好药水参数及选择合适的电镀参数十分关键,为此,我们选用喷流式设计的VCP(Vertical Continuous Plating,即垂直连续电镀线)来制作此板,取得了较好的填孔效果。

3.3 精准层间对位技术

叠孔类HDI产品的层间对位技术较普通错孔类HDI 产品要难得多,主要是该类叠孔的“堆叠重合度”要求非常高。要做好这些,需要对以下方面进行控制。

3.3.1 设计合理的对位系统靶标

对位靶标是进行线路制作、盲孔加工和压合

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叠板等十分重要的要素,对位靶标的设计形状、位置和对位方式的选择等都对最终的层间对准度产生影响。多层板内层的层间对准度是由各层尺寸稳定性(或对位度)来决定的,但是传统底片成像的底片尺寸稳定性是造成多层板层间对位偏差的主要原因。激光直接成像即LDI 是直接于“在制板”上成像的,因而消除了底片成像技术产生的偏差问题[6]。因此,为保证良好的对位精准度和层间偏移引起的对接不良,我们选用最新的LDI 技术来制作此板。

要保证最终的层间对准度良好,除选择LDI 来保证线路制作对位的精准度外,还需要从对位靶标的设计、对位方式的选择等进行控制,还包括钻孔、激光钻孔、X-射线(Ray )打靶等多个制程的控制。对位靶标的选择除芯板(L5-L6)采用单一机械孔外,其余层次均采用复合靶标对位(即同时抓通盲孔靶标),具体如图4所示:

图4 对位靶标的设计

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芯板首次对位靶点是用机械钻孔的方式来完成的,其钻孔的精度、孔壁质量等会直接影响到激光钻孔的对位和线路制作的对位,因此,对于钻工具孔时也要控制好叠板的数量、钻咀的质量等,同时还要测试底板的Cpk ,为后面的对位基准做好必要的控制。只有每次都以同一控制基准来进行对位,才能使最终的盲孔叠加呈一条直线效果。故在每一个层次完成压合后就要注意X-射线(Ray )打靶、线路对位、激光精度的检查,以便进行及时调整和进行相关管控。

3.3.2 板材选择及影响涨缩因素的控制

生产该类板一般要求板材的稳定性比较好,只有板材稳定性好才能经过多次压合、线路制作后,其仍能保持尺寸的相对稳定。因此,根据笔者的制作经验,对与该类板的制作选材应作为一个控制重点,其主要性能要求有:低CTE (热膨胀系数)、低吸水率和高耐热性等。

我们知道,在进行印制线路板加工过程中,

是需要经过许多工序的,这些工序都有可能对板子造成一定的涨缩影响,从而最终会影响到层间对位的精准度。如线路的图像转移、下料烤板、树脂磨板及压合等,这些制程中的控制点是很多的,需要逐一消除或尽量减小,才能对大限度地控制板子产生的涨缩影响。涨缩的控制是一个十分复杂、而又贯穿印制板整个流程的控制项目,需要对我们的无尘室温湿度、烤板的叠板层数、树脂研磨的方法等进行很细致的管控,并制定出一系列切实可行的措施,由品质部门加强执行监督,为标准化的操作提供必要的管控制度。

根据以上管控要求,我们可得到最终的层间对准度效果图,可参见图5:

图5 最终成品层间对准度情况

从对位情况来看,整体重叠效果非常理想,这证明我们以上的涨缩管控措施是有效的。

4 结语

通过以上对叠孔类HDI 产品的难点分析,我们对该类板的制作基本有了较为深刻的认识,可以达到很好地制作该类板的目的。当然,对于叠孔类HDI 板的制作难点绝不限于以上所述,该类板具有流程长、结构复杂等特点,对设备、人员操作和环境的要求都是非常高的。为此,我们也愿与业界工作者对其加工难点、工艺技术进行更为全面的探讨,解决在实际制作过程中出现的各类品质问题,为提升PCB 参考文献

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