Интегрированная система металлизации для межсоединений высокой надежности и модифицированной полуаддитивной обработки

Краткое изложение

Конструкторы печатных плат постоянно повышают технологическую сложность продукции. Это включает в себя большее использование глухих отверстий и более высокую плотность рисунка. Также востребовано применение более тонкой медной фольги (< 17 мкм) для нанесения более плотных рисунков. Создание более сложных плат часто выходит за границы возможностей существующих производственных процессов и средств контроля. Производители должны исследовать альтернативные методы производства этих высокофункциональных устройств, при сохранении качества и низкой стоимости. В этой статье будет подробно описана простая, высокоавтоматизированная система металлизации, которая может позволить производителю постоянно производить высококачественные платы.

Эта система металлизации сочетает в себе горизонтальный процесс desmear, горизонтальную углеродную технологию и вертикальную систему нанесения покрытий. Проверенная на производстве углеродная система хорошо подходит для модифицированных полу аддитивных процессов (MSAP) в сочетании с недавно разработанной технологией травления меди. Эта инновационная система очистки меди полностью удаляет углерод с медных поверхностей со скоростью травления 0,2 мкм – 0,3 мкм, устраняя стравливание внутренних слоев и клиновые пустоты, сохраняя при этом высокопроводящее покрытие на диэлектрической подложке.

В этой статье мы опишем эту интегрированную систему металлизации, которая выпускает HDI технологию с той же или лучшей производительностью, что и химическая медь, обеспечивая при этом дополнительные преимущества в виде снижения затрат, более простого управления технологическим процессом и дешевого оборудования, чем обычные вертикальные процессы химической меди. Кроме того, мы сравниваем процесс очистки меди с традиционной очисткой микротравления серной кислотой/персульфатом, поскольку относится к целостности сквозных и надежности глухих отверстий.

Введение

Горизонтальная обработка хорошо зарекомендовала себя в индустрии PWB, и ее преимущества легко поддаются количественной оценке. Горизонтальные линии позволяют улучшить прохождение растворов в глухих и сквозных отверстиях за счет применения ультразвука, а также использования систем погружения. Нет никаких простоев, как в вертикальной обработке, и каждая плата находится в одних и тех же условиях. Горизонтальное гальванопокрытие имеет преимущества для покрытия тонких плат, стоимость и эксплуатация, необходимые для постоянного производства, делают этот вариант менее привлекательным для крупносерийного производства стандартных толщин HDI. Вертикальные линии (VCP), способны к высокому объему за счет размещения в ограниченном пространстве. Дают отличное микро/макрораспределение, могут быть оснащены выпрямлением постоянного тока (DC) или импульсным током (PPR), а оборудование имеет высокую доступность к механическим элементам (анодные корзины, катодные стержни и т. д.). Объединение преимуществ горизонтальной активации с высокой производительностью вертикальной непрерывной гальванизации позволила создать систему, которая является более экономически эффективной для производства технологии HDI при сохранении высоких стандартов качества.

Процесс Desmear (перманганатная очистка)
Лазерное и механическое сверление может оставлять после себя мусор в виде потери материала в отверстии, или размазывания смолы по межсоединениям. Для лучшей надежности мусор должен быть удален, чтобы последующая металлизация могла нанестись на стенку отверстия, проникнуть в глухие отверстия и медные межсоединения. Стандартный процесс заключается в использовании органического набухания, который проникает в смолу и делает ее более восприимчивой к последующему воздействию щелочного перманганата.
Правильное соотношение температуры и времени между набуханием и щелочным перманганатом имеет решающее значение для обеспечения полного удаления мусора и новолакивания, а также для получения микрошероховатой поверхности для максимальной адгезии.

Разработка методики эксперимента используется для оптимизации параметров desmear. Графики (рис. 1) иллюстрируют влияние на потерю веса времени нахождения в набухании и перманганате.


Рисунок 1

Цикл потери массы был определен, вариации цикла используются для обработки просверленных образцов, а стенки отверстий оцениваются на микрошероховатость.

Рисунок 2

Чистые медные межсоединения необходимы для надежной электрической целостности, в то время как шероховатая эпоксидная поверхность обеспечивает основу для отличной адгезии и последующей металлизации.

Прямая металлизация
Углеродная Технология
В настоящее время в промышленности для металлизации используется химическое меднение. Технология химического меднения используется уже более 40 лет.

Ценовое давление на производителей усугубляется ростом затрат на сырье, причем наибольшие затраты приходится на палладий и медь.

 

Кроме того, экологические нормы становятся все более строгими, как и ограничения на водопользование, что увеличивает затраты на изготовление.

Доступен более дешевый, горизонтальный процесс. Рисунок 4 сравнение химического меднения с углеродным процессом.

Химические ванны сокращаются с 8 до 4, а ванны промывки-с 6 до 3. Площадь, необходимая для углеродной технологической линии, составляет примерно 1/3 от коммерчески доступных вертикальных линий химического меднения, а капитал, необходимый для углеродной технологической линии, составляет менее половины стоимости вертикальной линий химического меднения.

Учитывая, что химия углерода постоянна (без разгона на холостом ходу), становится ясно, как эта система снижает общую стоимость эксплуатации. Дополнительными преимуществами углеродной системы являются ее простота и экологичность.

Химические ванны сокращаются с 8 до 4, а ванны промывки-с 6 до 3. Площадь, необходимая для углеродной технологической линии, составляет примерно 1/3 от коммерчески доступных вертикальных линий химического меднения, а капитал, необходимый для углеродной технологической линии, составляет менее половины стоимости вертикальной линий химического меднения.

Учитывая, что химия углерода постоянна (без разгона на холостом ходу), становится ясно, как эта система снижает общую стоимость эксплуатации. Дополнительными преимуществами углеродной системы являются ее простота и экологичность.

Химия углерода не имеет побочных реакций. Химия не меняется в зависимости от времени. Нет никакого образования газообразного водорода во время нанесения, исключающего возможность захвата пузырьков, вызывающих пустоты. Углеродный процесс не содержит тяжелых металлов или канцерогенов и полностью соответствует требованиям RoHS.

Производительность процесса углеродной технологии эквивалентна или превышает производительность стандартных процессов химической меди из-за прямого соединения гальванической меди с медными соединениями. Эта прямая связь меди с медью является самой прочной из возможных, без промежуточных слоев (таких как палладий или пористая химическая медь). Уникальный механизм углеродной технологии демонстрирует преимущества надежности по сравнению с другими процессами прямой металлизации.

В отличие от полимерных типов прямой металлизации, углеродная технология обрабатывает все типы материалов с помощью одного и того же набора параметров. Одной из проблем системы углеродных технологий была не возможность обработки тонкой медной фольги и внутренних слоев. Модифицированная полуаддитивная обработка использует очень тонкую поверхностную фольгу, чтобы иметь возможность создавать проводники в  30 микрон. 13-микронные внутренние слои становятся все более распространенными, как и лазерные глухие отверстия. Углеродная система требует травления в качестве заключительного шага.

Проблема в том, что проводник прямой металлизации (углерод) будет осаждаться на всех поверхностях, как диэлектрических, так и медных. После этого осаждения необходимо использовать медное травление, чтобы полностью удалить углерод с медных поверхностей. Если травление меди слишком агрессивно, может возникнуть перетрав или клиновые пустоты на внутренних слоях. Типичными дефектами, которые может иметь отрицательное травление при прямой металлизации, являются клиновые пустоты (рис. 5) и тонкая медь в отверстиях с высоким соотношением сторон(рис. 6).

Рисунок 5

Рисунок 6

Для устранения этих проблем была разработана новая система низкого травления. Эта система использует улучшенное кондиционирование и микротравление, включающее новые органические добавки, которые значительно снижают скорость травления без необходимости сокращения времени контакта в модуле. Поддержание надлежащего времени контакта в секциях распыления и погружения травления имеет решающее значение для достижения полностью чистых медных поверхностей. Эти органические добавки также приводят к улучшенным характеристикам в удалении остатков дисперсии углерода с медных поверхностей без какого-либо негативного воздействия углеродного осадка на диэлектрик.

Первым шагом новой системы является очиститель, который удаляет легкие масла/грязь с подложки, смачивает отверстия.

На рис. 7 показаны ИК — спектры меди, обработанной стандартным очистителем и новым очистителем.

Рисунок 7

Раствор подавляет прямое связывание углеродной дисперсии с медью и повышает способность травления.

Заключительная стадия травления с использованием органических добавок снижает удаление меди более чем на 80% и дает очень чистые медные поверхности. Использование этого нового травления приводит к превосходному распределению в отверстиях с высоким соотношением сторон, устраняя истончение меди в середине отверстия (рис. 8)

Рисунок 8

Даже при окончательном травлении, уменьшенном >на 80%, площадки на глухих микрототверстиях  (HDI) остаются идеально чистыми (рис. 9).

Гальваническое меднение

Технология HDI требует возможности покрывать сквозные и заполнять глухие отверстия. Большинство коммерчески доступных химикатов требуют заращивания микроотверстий с последующим этапом планаризации для удаления части поверхностной меди. Затем эти платы отправляются на сверление, сквозных отверстий активацию и гальваническое меднение, чтобы завершить процесс. Эти дополнительные шаги увеличивают стоимость и время цикла производственного процесса. Возможность первоначально завершить все лазерное и механическое сверление, активировать отверстия в углеродном процессе, нарастить необходимую медь в сквозных отверстиях и заполнить глухие отверстия без необходимости последующей планаризации, является огромным преимуществом в материалах, времени цикла и трудозатратах.

Нанесение покрытия в сквозных отверстиях и заполнение глухих отверстий без необходимости последующей планаризации может быть выполнено с помощью химической/механической конструкции. Компания MacDermid, новатор в разработке систем вертикального непрерывного нанесения покрытий, продолжает сотрудничать с поставщиками оборудования VCP для оптимизации конструкций.

Вид поперечного сечения гальванической ванны показан на рис. 10.

Рисунок 10

Конструкция включает в себя использование эдукторов и воздушного перемешивания. Тип анода может быть растворимым (медь) или нерастворимым. Область анода закрыта, чтобы предотвратить смешивание любых частиц из медных шариков (если используется растворимый анод) или газа, выделяющегося на аноде (если нерастворимый анод), с объемным раствором.

Химия viafill была специально разработана для нанесения покрытия VCP. Добавки были сбалансированы таким образом, чтобы работать с оборудованием, обеспечивая хорошее покрытие сквозных отверстий при одновременном заполнении глухих отверстий. Комбинация VCP / химии обеспечивает превосходное распределение по каждой плате (+/- 10%) при сохранении толщины поверхности меди 20 мкм или менее.

Оборудование включает в себя встроенную систему перемешивания в качестве первой электролитической ступени. Эта секция распространяет медь через сквозные и в глухие отверстия и начинает процесс заполнения. Патентованный раствор используется, чтобы значительно улучшить механизм заполнения снизу вверх. Конечный результат — полностью заполненные отверстия с минимальной поверхностной медью. На фотографиях ниже показаны возможности заполнения.

Надежность продукции

Благодаря устранению отрицательных дефектов травления и улучшенным чистящим свойствам нового травителя повышается надежность. Испытания на термоциклирование продемонстрировали эти преимущества как на сквозных отверстиях, так и на глухих отверстиях и межсоединениях.

На 22-слойных испытательных платах IST новая система прямой металлизации продемонстрировала производительность, эквивалентную или лучшую, чем химическое меднение. Сравнительная таблица (рис. 11).

Таблица показывает циклы IST до отказа после 6-кратного предварительного условия до 230°C и циклы IST до 150° C.

Рисунок 11

Тестирование глухих отверстий IST также продемонстрировало повышенную надежность. Результаты испытаний, приведенные ниже, были получены с помощью IST cycling, специально разработанного для мониторинга гальванической медной площадки. В этом тестировании купоны IST сначала были предварительно нагреты до 260° C с использованием нормальных условий IST. После предварительной подготовки микросхема (S2) была подключена к источнику питания, а тест-купон, не нагретый, был подключен к сенсору. Затем микросхемы microvia S2 циклически нагревались до 190° C (рис. 12). Эта методология специально контролирует качество интерфейса плат.

Вывод

Интегрированный процесс, описанный в этой статье, достигает целей снижения затрат, повышения надежности и решения проблем травления в  прямой металлизации. Эти усовершенствования позволяют производить гораздо более сложные платы, включая смешанные конструкции и очень тонкую медную фольгу. Обладая высокой надежностью, описанный интегрированный процесс металлизации предлагает четкую альтернативу горизонтальным системам, основанным на химическом меднении, и гарантирует значительно более низкие эксплуатационные расходы. Наконец, экологические выгоды от сокращения объемов очистки воды и отходов являются существенными.