普通设备和物料制作HDI积层板的工艺开发
2012-8-31 13:10:21
线路板朝着HDI积层板的方向发展，而目前国内大部分线路板的生产厂家都是普通设备和物料，只能制作普通的多层板，最终导致高端产品不能做，低端产品打价格战的局面，能够使用现有的设备和物料制作高端产品，是国内很多企业所期望的，我们针对使用现有的设备和物料，对HDI积层板进行了工艺开发，内容主要有三个方面：积层法制作多层板、加成法制作细线路、电镀法进行表面处理。
1、    积层法多层板
1.1、普通多层板
普通多层板和普通盲埋孔板如下图所示：
 
  普通多层板由于通孔会占据其他层的空间，造成层数会很多，因此采用上面右图所示的埋盲孔方法，但是此种埋盲孔不能实现相邻的层同时互联，如下图所示的结构就必须采用积层板的技术。
 

1.2、积层板的介绍
   下图是典型的积层板的切片：
 
上图的IC载板是二阶积层板，刚性印制板是一阶积层板（1+6+1），通过积层法可以减少通孔占据其他层的空间，也就可以减少层数，线路板作为只有2面可以焊接的结构，如果只从连接性能上来说，三阶积层板已经能够满足目前所需。

1.3、积层板所用到的设备和物料
    一般积层板的孔是用激光设备打出，激光可以实现单面打孔，控制打孔的深度，而机械钻孔是只能钻出通孔或者不能精确控制深度。
 
 
  激光的能量一般较低，不能打出很深很大的孔，因此一般要使用到RCC（附树脂铜箔）。

1．4、积层板的其他一些技术和尝试
等离子体蚀孔与上述激光打孔颇为相似，只是将盲孔内的非金属板材改用等离子体蚀空使露出碗底，不过等离子体只能吃掉树脂而不能咬玻璃，普通FR-4板材难以实现此种方法。
还有感光法打孔技术，我试验过阻焊感光法打孔技术，但是出现镀铜层附着力不够的问题。
也采用日本太阳专门开发的油墨，但是也会出现需要专门的砂带磨板机（普通线路板厂没有这种设备）进行处理和油墨厚度难以控制的问题。
 
上图为三种盲孔制程(等离子体\激光\感光的简明对比情形)
这三种制程比较如下：
 

湿式化学蚀孔，当孔位铜箔被蚀去后以化学溶液对绝缘基材进行溶蚀，直到露出底部铜垫后即得到被淘空的盲孔，此法曾在日本业界使用，中国电科十五所采用浓硫酸对RCC基材进行蚀孔，这种方法必须使用RCC，蚀出的盲孔会出现纺锤形状态。
 
尝试不使用RCC进行化学蚀孔，下图是我们2007年采用对半固化片钻孔、层压，然后蚀去铜盖之后，以化学品去咬去树脂形成的盲孔，由于盲孔处的玻璃纤维被预先钻去，所以不用刻蚀玻璃，但是这种方法会出现半固化片玻纤层压后移动，不得不加大孔径。
 

1.5、普通设备和物料制作积层板工艺的开发
   我们使用普通设备和物料进行了积层方法的试验，层压后的图片如下：


以上只是层压后的切片，对盲孔连接性能要求不高时可以采用这种压接方式，如果为了让盲孔跟基底铜结合更紧密，还需对孔内用浓硫酸进行去除树脂处理和盲孔电镀处理，具体制作流程如下：

A、 对积层用的双面覆铜板的铜箔进行减薄处理，双面覆铜板的绝缘层厚度一般是0.1mm以上，铜箔厚度由18um尽量减薄直至局部出现露基材，减薄是为了减小外层细线路的側蚀量，具体请参考下一部分的加成法细线的制作方法；此时使用的是普通的覆铜板，不需使用积层板特殊物料RCC（附树脂铜箔）。
B、对减薄铜后的板进行机械钻出所需的盲孔（钻出的是通孔）、沉铜、电镀处理；机械钻孔时可以一次叠多层，以实现生产效率的提升，此时沉铜、电镀的孔是通孔，使用普通的钻孔、沉铜、电镀设备，不需使用激光钻孔机、超声沉铜、脉冲电镀等设备。
C、采用图形转移方法，对电镀后的覆铜板的钻孔只做出单面孔环；此步骤只需制作与芯板互联的那一面的孔环，孔环外是绝缘基材；另一面全部是铜皮。
D、制作积层板所用的芯板；芯板可以是多层板，已经制作出所需的线路、孔和导通盘，为保证以上步骤所制作的孔环与芯板金属连接良好，芯板表面不要进行棕化处理，而是进行微蚀粗化处理。
E、对芯板表面进行粗化处理后使用半固化片110~120℃低温层压；半固化片在TG温度以下只发生流动而不易发生交联反应，通过层压，芯板的孔内会灌满半固化树脂。
F、剥离玻璃纤维布后芯板表面就被涂覆上一层半固化树脂；剥离掉玻璃纤维布，在芯板表面留下半固化树脂。
G、把以上2种材料对准真空热压压合，半固化树脂在此步骤进行完全交联反应，把芯板和外面的薄板紧密地粘连在一起，也实现了孔环与芯板的连接盘的直接接触。
H、用浓硫酸去除盲孔内的树脂；浓硫酸对压合后流到盲孔孔内的树脂进行咬蚀，其他位置都是铜层，浓硫酸对铜层没有咬蚀作用。
I、进行正常的钻通孔、沉铜、电镀、外层图形转移、阻焊、表面处理；在钻通孔和沉铜之前注意不要有粉尘落入盲孔内，以防止堵塞盲孔，造成盲孔无法被电镀上铜。
 
上图是积层盲孔示意图

本工艺方法采用机械钻通孔、通孔沉铜电镀的设备，不需要一般积层板的激光盲孔、盲孔沉铜电镀的设备；本方法使用覆铜板和半固化树脂涂覆的方法替代RCC物料；本方法使用浓硫酸处理盲孔内的胶渣，不需要使用等离子体除胶渣设备；这些设备和物料是线路板厂最常用的设备和物料，为一般线路板厂制作积层板提供了一个经济实用的方法。

2、    加成法线路
   目前线路板的线路制作方法一般只有二种，半加成法和减成法。
采用图形电镀工艺制作线路板的方法是半加成法，此法是在基底铜箔基础之上进行化学铜、全板加厚镀铜、干膜图形转移、图形电镀二次加厚镀铜、镀锡铅、退膜、蚀刻、退锡铅的工艺流程来制作线路板的。
采用干膜掩孔工艺制作线路板的方法是减成法，此方法是在基底铜箔基础之上进行化学铜、一次镀厚铜、图形转移、蚀刻、退膜的工艺流程来制作线路板的。
从目前的工艺路线来看，一般日、台背景的线路板厂选择减成法制造工艺，美、港背景的线路板厂选择半加成法制造工艺。
半加成法和减成法的流程简单、工艺成熟，但是都会存在对基底铜箔的蚀刻，会造成线路的侧蚀，对于极细线路和超厚铜箔来说，此二种工艺存在固有的极限问题，一般来说小于4mil的线宽和间距制作起来就非常困难，大于4OZ的铜厚就难于蚀刻。
随着线路板的发展，极细线路的HDI线路板和超厚铜箔的大电流线路板需求逐渐增多，开发能够制作出来极细线路和超厚铜箔的线路板工艺是大家所期盼的，而加成法可以容易地做到，以下是加成法的流程图：
 
加成法制作线路板的工艺采用铜箔减薄至小于3um厚度后残留的与基材牢固结合的基铜为桩基，采用这种桩基主要是为了提高加成铜与基材的结合力，还有一个目的是为了去除化学铜后残留的催化剂-钯对线路板的影响。
铜箔减薄后进行化学铜生产，以在绝缘材料上沉积上一层很薄的做金属加成的基底，化学铜和减薄的铜都很薄，在进行干膜图形转移的时候不要进行微蚀和刷磨而进行直接贴膜。
加成电镀前不要进行微蚀，在加成电镀的过程中可能会存在孤立线路电流集中的现象，在工程设计的时候要在孤立线路附近增加抢电铜皮。细线路只需要一次加成就可以达到干膜厚度的线路，厚铜线路可以通过多次干膜图形转移膜-电镀来完成。
加成电镀后的基底铜采用微蚀的方法予以去除，也就是说对基底铜和加成铜整体予以微蚀，如下图所示：
 
采用电镀法进行表面处理时（见第三部分的内容），此基底铜的微蚀要在湿膜显影之后进行。
减成法流程简单，但是蚀刻去除的铜箔较多，铜的损耗较大；侧蚀量很大，不能制作极细线路和超厚铜箔的线路板。减成法生产时发生的过孔不通问题较多，这是因为钻孔和对位发生偏移都会造成蚀刻液进入孔内，本方法由于孔位的偏移不会造成孔铜被蚀刻，可以大大减少过孔不通问题的发生。减成法对图形转移车间的环境要求很高，曝光时的垃圾会造成断线，无法修理；加成法曝光的垃圾会造成短路，可以很容易地对线路进行修理。
相对半加成法来说，本方法不使用锡铅等抗蚀金属，在成本上和环境友好方面上都有较大的优势。
   
3、    电镀法表面处理
   线路板的表面处理技术目前主要有：热风整平、化学镍金、全板电镀镍金、化学沉锡、抗氧化膜涂覆等。
热风整平是最常用的表面处理技术，此法处理后的表面不平整，锡厚度在1~20UM之间，不容易实现表面贴装工艺对表面状态的高平整性要求。
 化学镍金和化学沉锡工艺的表面平整度非常好，但是采用化学沉积的金厚度和锡厚度不能做到较高的厚度，不容易实现高厚度要求。
 全板电镀镍金在不需要的线路上面浪费很多昂贵的金属，镍金面的阻焊附着力也不好。
抗氧化膜的平整度较好，但是耐多次焊接的能力较差，也不能作为按键等有导电性要求的表面。
    采用电镀法进行线路板的表面处理，只在需要的焊盘、按键上电镀所需要的金属，可以方便地实现焊接表面平整性和较高的厚度要求，也很容易实现多种金属电镀的处理，包括锡、镍金、银、钯等金属。
目前所采用的热风整平和化学沉积的方法流程是：线路制造→阻焊涂覆→表面处理→后续生产，表面处理工序都是在阻焊涂覆之后。
电镀法表面处理的具体过程是：线路制造→化学沉铜→湿膜图形转移→酸性微蚀→电镀法表面处理→退湿膜→碱性微蚀→阻焊涂覆。如果采用加成法制作了线路（第二部分内容有说明），就可以免去本次化学铜直接进行湿膜图形转移了。
化学沉铜采用普通的化学铜工艺，不需要进行除胶渣处理，化学沉铜的目的是把所有的焊盘进行电性导通。
湿膜涂覆采用与阻焊涂覆一样的方法，湿膜涂覆的目的是把不需要电镀的表面覆盖住，湿膜的厚度是10~15um，湿膜涂覆前不要进行化学清洗和机械刷板处理。湿膜曝光采用跟阻焊曝光同样的菲林进行曝光，如果要电镀的网络没有阻焊覆盖则不会电性导通，所以湿膜所用曝光菲林要预先进行检查和修正，没有被阻焊覆盖到的网络需要延伸到阻焊层下面，确保每个网络都要连铜，采用湿膜而不是干膜的原因是干膜对凹凸线路的密贴性不好。
酸性微蚀的目的是去除焊盘附近的化学铜，微蚀量为1~2um,只暴露出焊盘位置，以利于只对焊盘进行电镀。
电镀法表面处理是把焊盘作为阴极，待镀金属作为阳极进行电镀，可以在焊盘上电镀各种金属，例如锡、镍金、银，由于是采用电镀的方法，电镀金属的纯度和厚度都可以很方便的控制，可以实现很厚的金层以达到航空等高可靠性的要求。
退湿膜采用正常的烧碱进行剥离处理，电镀的金属活性较大时，可以采用异丙醇、丙酮等有机溶剂去除湿膜。
 碱性微蚀是为了去除辅助的化学铜层，而不对电镀的金属层产生腐蚀，碱性微蚀量为1~2um，碱性微蚀液的成分为氨水和双氧水，氨水在微蚀液中的含量为13%（质量百分比），双氧水的含量为0.5%（质量百分比），化学反应式如下：
      Cu +4NH3 +H2O2-->  [Cu(NH3)4](OH)2
    阻焊涂覆时不能采用机械的方法进行前处理，以免刷磨掉电镀的金属，对铜面进行粗化可以与碱性微蚀步骤合在一起，也就是碱性微蚀后水洗烘干后直接涂覆阻焊。
采用以上电镀方法进行的表面处理，相对普通的表面处理在成本上主要增加了化学铜和湿膜制作2个步骤，总体物料成本增加大约在30元人民币/平方米。
如果对表面处理要求很高，在金属层的平整度、硬度、纯度、厚度和特殊金属等方面采用普通方法不能达到的情况下，或者普通化学沉积的方法除了所镀金属物料成本之外的成本高于30元人民币/平方米时，采用本发明进行表面处理是一个非常值得考虑的方法。   

参考资料
[1] 采用RCC与化学蚀刻法制作高密度互连印制板---中国电科15所  殷春喜
[2] 电路板与载板之技术发展、增层法多层板与非机钻式导孔---台湾TPCA顾问  白蓉生