解決微盲孔填充及通孔金屬化的方法

引言

　　線路板在機加工之后的微、通孔板，孔壁裸露的電介質(zhì)必須經(jīng)過金屬化和鍍銅導(dǎo)電處理，毫無疑問，其目的是為了確保良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的性能，特別是在定期熱應(yīng)力處理后。
　　在印制線路板電介質(zhì)的直接金屬化概念中，ENVISION HDI工藝在高密度互連PCB的生產(chǎn)中被認(rèn)為是高可靠性、高產(chǎn)量的環(huán)保工藝。
　　這項新工藝可使微盲孔填充及通孔金屬化同步進(jìn)行，使用普通的直流電源就具有優(yōu)異的深鍍能力。另外一些研究顯示，CUPROSTAR CVF1不改變電源及鍍槽設(shè)計的條件下仍能保證填盲孔，不影響通孔電鍍的性能。
　　本文總結(jié)了CUPROSTAR CVF1最新研發(fā)結(jié)果、工藝的潛能以及對不同操作控制條件的兼容性，描述了微盲孔和通孔的物理特性和導(dǎo)電聚合體用于硬板和軟板的直接金屬化技術(shù)新的發(fā)展方向以及與CVF1電鍍的兼容性。
　　半一站垂直浸入式工藝(表1)，可利用現(xiàn)有的電鍍設(shè)備(直流電源和可溶性陽極)進(jìn)行微孔填銅。
　　常規(guī)的電鍍液中含有活化劑和抑制劑(甚至還含有整平劑)，CUPROSTAR CVF1的兩種添加劑是分開的：預(yù)浸液中只含有活化劑，鍍液中只含有抑制劑。各添加劑成份可用CVS定量分析，即使是在鍍液老化后，添加劑分解造成的污染還是可維持在最低水平。
　　圖1 簡明表現(xiàn)了CVF1的電鍍反應(yīng)機理。通過預(yù)浸，PCB銅面浸附上活化劑分子。電鍍過程中，板面銅層被氯化物和抑制劑分子共同抑制，迫使銅電鍍只能在盲孔的底部及通孔的中部的低電流密度區(qū)進(jìn)行。
　　在用高電流密度填充前先要用低電流密度(1.5-2.0A/dm2范圍內(nèi)，具體取決于微孔的直徑大小)在較短的時間(15-30分鐘)內(nèi)在微孔底部鍍上一層均勻的銅，在抑制劑的作用下，PCB工件表面電鍍銅的厚度控制在較薄的范圍內(nèi)，整個填充電鍍的時間為60-90分鐘(具體取決于微孔的直徑大小)。
　　眾所周知，微孔的填充功效與槽液因添加劑分解而積聚的有機污染有密切關(guān)糸，通常情況下，一般填充電鍍槽液在電鍍 40-60 Ah/L 后，填充功效會下降，此時需過濾處理槽液(活性碳處理/UV 曝光處理)，
　　表1 CUPROSTAR CVF1的流程步驟及操作控制參數(shù)
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　　生產(chǎn)因此而停頓。CUPROSTAR CVF1 因其簡單、獨立的添加劑體系，槽液的工作壽命比一般的填充電鍍槽液提高了3倍以上 (圖3)。
　　通孔金屬化效果與通孔內(nèi)電鍍液的交換有密切關(guān)系，電鍍時必需有攪拌(圖 4)。工作槽液的流動從只使用單一空氣攪拌(中試線實驗)的“緩和流動”發(fā)展到“強烈流動”(空氣攪拌 + 噴射)，其結(jié)果是不管縱橫比如何，通孔金屬化功效均可提高 20%。在客戶生產(chǎn)線上，使用最佳的攪拌方式，同樣可以得到同中試線一樣的效果。
　　CUPROSTAR CVF1是因微盲孔的電鍍填充需求而發(fā)展，不管怎樣，未來工藝技術(shù)的發(fā)展方向是在無需改變化學(xué)添加劑及電鍍設(shè)備(圖5)的條件下，保持電鍍及通孔金屬化功效不受影響。
　　很顯然，填充電鍍銅前微盲孔和導(dǎo)通孔的 PTH 活化層和閃鍍銅層的品質(zhì)對填充效果有很大的影響，不良的化學(xué)銅活化層或不均勻的閃鍍銅(圖6)以及高縱橫比深鍍能力差的閃鍍銅層都會導(dǎo)致填孔不完整，出現(xiàn)空洞。
　　CUPROSTAR CVF1 具有優(yōu)異的深鍍能力，可用于閃鍍銅流程，填充電鍍前在微盲孔和通孔孔鍍上 4- 5 μm厚的均勻銅層是必需的(圖7)。
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　　不管怎樣，如果化學(xué)銅沉積出了問題，則后續(xù)的閃鍍銅的品質(zhì)就無法接受。特別對于高縱橫比的微孔來說，由于孔內(nèi)溶液交換量的不足，先天不足的化學(xué)銅工藝已不能滿足流程的需要，這就需要一種新工藝能在微孔壁均勻鍍覆上一層鍍銅導(dǎo)電層。
　　采用導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電的直接金屬化工藝則不存在諸如孔內(nèi)溶液交換量必須足夠的限制，由于無需孔內(nèi)溶液交換就可以在微孔內(nèi)壁介質(zhì)上產(chǎn)生約 200 nm厚 的導(dǎo)電聚合膜(圖8)，此外，CUPROSTAR CVF1 與導(dǎo)電聚合體兼容，優(yōu)秀的通孔金屬化性能，可直接用于下一步的“閃鍍銅及鍍通孔”工藝中。
　　使用導(dǎo)電聚合體進(jìn)行直接金屬化
　　導(dǎo)電聚合體的本質(zhì)是通過噻吩中的C-C雙鍵連接結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。聚合體工藝是PEDT(EDT單體)的一種氧化聚合反應(yīng)，在MnO2物的作用下，PEDT與聚苯乙烯磺酸(PSSA)結(jié)合形成不溶性的導(dǎo)電聚合物。具體反應(yīng)機理請參看 J. Hupe High Reliable and Productive Metallisation Process for Blind Micro Via Applications (2)。
　　從化學(xué)反應(yīng)機理來分析，介質(zhì)表面必須先要有小量的MnO2存在，才能為聚合反應(yīng)提供必須的“氧化能力”。眾所周知，PEDT在聚酰亞胺基材上的導(dǎo)電性比在標(biāo)準(zhǔn)FR4和高Tg板材的導(dǎo)電性明顯地低。
　　除了“在導(dǎo)電聚合體形成過程中無需體積交換”外，ENVISION HDI工藝步驟少、成本低、流程控制簡單，僅只在介質(zhì)層上形成聚合體。然而，在低聚體的形成中，因氧化副反應(yīng)的存在，溶液的壽命大約限制在5-6天(或~5m2/L)，具體取決于生產(chǎn)條件。
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　　新一代穩(wěn)定EDT溶液(ENVISION HDI CATALYST 7375)已問世，它通過減少不必要的低聚體的形成從而將工作液的壽命從5天延長至10天(圖10)。除了延長工作液的壽命外，新的流程監(jiān)控方法能夠通過用 UV 儀測量吸收率(@870nm)來連續(xù)監(jiān)控低聚體的形成。當(dāng)催化劑老化時，吸收峰值增大，催化劑的老化程度與導(dǎo)電性能下降緊密相關(guān)。
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　　如前文所述，在80-85℃的高錳酸鹽的處理過程中，與標(biāo)準(zhǔn)的 FR4層壓板相比，極少 MnO2吸附在聚酰亞胺上。新一帶低溫高錳酸鹽引發(fā)劑已研發(fā)，操作溫度在 50-60℃之間，特別適用于聚酰亞胺板(ENVISION HDI-Flex 7325)。盡管引發(fā)劑 7325主要用于 PI板，但也可以同樣用于標(biāo)準(zhǔn)FR4層壓板和高Tg層壓板。
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　　使用低溫引發(fā)劑會使更多的MnO2吸附在聚酰亞胺板基材上，可以大大增強后工序生成的PEDT聚合體的導(dǎo)電性。與FR4相比，雖然聚酰亞胺上的MnO2量只有FR4上的25%，但同樣可以確保在通風(fēng)的環(huán)境里儲存36天后仍有優(yōu)異的導(dǎo)電性。
　　有關(guān)新型改良導(dǎo)電聚合體工藝和軟板用的低溫引發(fā)劑更詳細(xì)介紹請參閱參考文獻(xiàn)3《導(dǎo)電聚合體與電介質(zhì)層金屬化》。
　　案例分析：CUPROSTAR CVF1與ENVISION HDI-Flex
　　我們用多層聚酰亞胺基材證實新研發(fā)的引發(fā)劑和改良的催化劑優(yōu)異的性能，經(jīng)過 ENVISION HDI工藝后，層壓板用 CUPROSTAR CVF1鍍液鍍銅。
　　直流微孔填充電鍍的深鍍能力很好，亦可用于閃鍍銅。電鍍銅層保持板材不均勻的輪廓(圖11)，不均勻的輪廓緣于 PI多層板內(nèi)層間存在粘合劑(由客戶供應(yīng)的品質(zhì)決定)。
　　閃鍍銅后，在含有抑制劑的鍍液中(包括預(yù)浸)同時進(jìn)行填孔和鍍通孔。無論孔的表面形態(tài)如何，都可以100%填孔和通孔金屬化(6個點測試法)，通孔也可以獲得均勻的銅層。按照Auger 分析，選擇性地在孔壁電介質(zhì)上形成的聚合體被證實在通過3次漂錫熱沖擊測試(測試溫度為260℃) 后，內(nèi)層連接性能仍很優(yōu)異。
　　結(jié)論
　　CUPROSTAR CVF1 微、盲孔填充電鍍工藝適用傳統(tǒng)可溶性陽極垂直電鍍線，具有優(yōu)異的填孔效率和深鍍能力。在鍍液流動性優(yōu)良的情況下，縱橫比6:1 的通孔深鍍能力可達(dá)到100%。
　　在不改變鍍槽設(shè)備和基本化學(xué)品的情況下，CUPROSTAR CVF1仍能保持對微通孔有卓越的深鍍能力。
　　此外，CUPROSTAR CVF1 通孔金屬化性能卓著，在介質(zhì)層金屬化后可閃鍍銅形成薄的化學(xué)銅層。