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，孔壁裸露的電介質必須經過金屬化和鍍銅導電處理，毫無疑問，其目的是為了確保良好的導電性和穩(wěn)定的性能，特別是在定期熱應力處理后。
　　在印制線路板電介質的直接金屬化概念中，ENVISION HDI工藝在高密度互連PCB的生產中被認為是高可靠性、高產量的環(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。
　　本文總結了CUPROSTAR CVF1最新研發(fā)結果、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電聚合體用于硬板和軟板的直接金屬化技術新的發(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)有的電鍍設備(直流電源和可溶性陽極)進行微孔填銅。
　　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的電鍍反應機理。通過預浸，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，具體取決于微孔的直徑大小)在較短的時間(15-30分鐘)內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，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電鍍液的交換有密切關系，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，未來工藝技術的發(fā)展方向是在無需改變化學添加劑及電鍍設備(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通孔的 PTH 活化層和閃鍍銅層的品質對填充效果有很大的影響，不良的化學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，如果化學銅沉積出了問題，則后續(xù)的閃鍍銅的品質就無法接受。特別對于高縱橫比的微孔來說，由于孔內溶液交換量的不足，先天不足的化學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電層。
　　采用導電聚合物導電的直接金屬化工藝則不存在諸如孔內溶液交換量必須足夠的限制，由于無需孔內溶液交換就可以在微孔內壁介質上產生約 200 nm厚 的導電聚合膜(圖8)，此外，CUPROSTAR CVF1 與導電聚合體兼容，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。
　　使用導電聚合體進行直接金屬化
　　導電聚合體的本質是通過噻吩中的C-C雙鍵連接結構來實現(xiàn)的。聚合體工藝是PEDT(EDT單體)的一種氧化聚合反應，在MnO2物的作用下，PEDT與聚苯乙烯磺酸(PSSA)結合形成不溶性的導電聚合物。具體反應機理請參看 J. Hupe High Reliable and Productive Metallisation Process for Blind Micro Via Applications (2)。
　　從化學反應機理來分析，介質表面必須先要有小量的MnO2存在，才能為聚合反應提供必須的“氧化能力”。眾所周知，PEDT在聚酰亞胺基材上的導電性比在標準FR4和高Tg板材的導電性明顯地低。
　　除了“在導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，僅只在介質層上形成聚合體。然而，在低聚體的形成中，因氧化副反應的存在，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。當催化劑老化時，吸收峰值增大，催化劑的老化程度與導電性能下降緊密相關。
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　　如前文所述，在80-85℃的高錳酸鹽的處理過程中，與標準的 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準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的環(huán)境里儲存36天后仍有優(yōu)異的導電性。
　　有關新型改良導電聚合體工藝和軟板用的低溫引發(fā)劑更詳細介紹請參閱參考文獻3《導電聚合體與電介質層金屬化》。
　　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多層板內層間存在粘合劑(由客戶供應的品質決定)。
　　閃鍍銅后，在含有抑制劑的鍍液中(包括預浸)同時進行填孔和鍍通孔。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，內層連接性能仍很優(yōu)異。
　　結論
　　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到100%。
　　在不改變鍍槽設備和基本化學品的情況下，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，在介質層金屬化后可閃鍍銅形成薄的化學銅層。