Надежное кислотное меднение для металлизации печатных плат

Мария Николова, старший научный сотрудник, Джим Ватковски, директор по технологиям металлизации, Дон ДеСальво, менеджер приложений по металлизации, и Рон Блейк, инженер по приложениям MacDermid Inc, Electronics Solutions
227 Freight Street Waterbury, CT

Аннотация

Меднение широко используется в электронной промышленности для изготовления электронных устройств. Особенно это касается изготовления печатных плат и полупроводников. Медь наносится гальваническим способом на поверхность печатной платы и на стенки сквозных отверстий. Массовое производство печатных плат требует интенсификации и в то же время упрощения процесса металлизации без образования сколов и еще большего повышения надежности. Были изучены различные подходы к покрытию сквозных отверстий с высоким аспектным отношением (AR) с улучшенным микропроцессором и улучшенными механическими свойствами гальванической меди, такими как прочность на разрыв и удлинение. Были исследованы кислотная медь постоянного тока PTH (покрытие сквозных отверстий) при низких плотностях тока, а также покрытие PPR для высокого AR (> 12). В этой статье описаны параметры нового процесса кислотного меднения с большой протяженностью. Приведены механические свойства и термические характеристики гальванической меди.
Приведены результаты измерений распределения.
Также был изучен высокотемпературный кислотный процесс меди. Для большого количества предприятий по производству печатных плат в районах с более жарким климатом нанесение покрытия при повышенной температуре представляет трудности. Уменьшение блеска, увеличенный размер частиц и повышенная шероховатость приводят к снижению показателей надежности. Описан новый процесс нанесения гладких, блестящих и плоских слоев меди при температуре до 40 ° C. Приведены измерения предела прочности и удлинения, а также тепловые характеристики слоев меди, осажденных при комнатной температуре и при повышенных температурах.

Введение

Меднение широко используется в электронной промышленности для изготовления электронных устройств. В частности, он используется для изготовления печатных плат, печатных плат и полупроводников. Во время изготовления схемы, медь наносится гальваническим способом на выбранные участки поверхности печатной платы и на стенки сквозных отверстий, проходящих между поверхностями основного материала печатной платы. Стенки сквозных отверстий металлизированы для обеспечения проводимости между слоями схемы печатной платы. Электропроводящий канал должен иметь одинаковую толщину покрытия. Таким образом, во многих процессах изготовления печатных плат и полупроводников гальваника была принята в промышленности в качестве основного средства осаждения для металлизации меди. [1-2].
Тенденция к портативности наряду с увеличением функциональности электронных устройств, привела к миниатюризации печатных плат. Массовое производство печатных плат требует интенсификации и в то же время упрощения процесса металлизации без образования сколов и еще большего повышения надежности. Существует проблема изготовления надежных печатных плат.
В большинстве случаев желательно получить хорошую рассеивающую способность в процессах электроосаждения. В частности, при металлизации сквозных отверстий печатных плат требуется равномерное распределение осажденной меди. Как правило, процессы меднения, которые обеспечивают лучшее выравнивание отложений по поверхности подложки и внутри сквозных отверстий, имеют тенденцию к ухудшению разбрасывающей способности гальванической ванны. Покрытие сквозных отверстий с различными соотношениями сторон, включая высокое AR(соотношение сторон), представляет проблему для производителей печатных плат. Электролиты с высокой рассеивающей способностью становятся все более важными из-за требований электронной промышленности к производству печатных плат с высоким соотношением сторон.
В этой статье был изучен процесс кислотного меднения Hi Throw с различными параметрами покрытия, чтобы покрыть сквозные отверстия с улучшенным микрораспределением и улучшенными механическими свойствами плакированного металла, такими как прочность на разрыв и удлинение. Исследована структура осадка. Тепловые характеристики плакированной меди соответствуют стандартам IPC и гарантируют, что во время последующих операций пайки не произойдет сбоев.

Также был исследован высокотемпературный кислотный процесс получения меди. Поскольку электролиты для меднения предназначены для использования при комнатной температуре, они обычно не подходят для покрытия сквозных отверстий при повышенных температурах. Уменьшение блеска, увеличенный размер зерна и повышенная шероховатость приводят к снижению показателей надежности.
Производство печатных плат резко возросло за последние несколько лет в географических регионах с более жарким климатом. Чтобы поддерживать желаемую температуру в этих областях, необходимы охладители или другие охлаждающие средства. Таким образом, желательно упростить процесс в этих областях, чтобы исключить необходимость охлаждающих средствах и при этом получить желаемый слой покрытия. В этой статье описывается новый процесс нанесения постоянного тока на гладкие, блестящие и плоские слои меди при температурах до 40 ° C.

Процесс кислотного меднения с высоким распределением

Типичный раствор для меднения содержит сульфат меди, серную кислоту, ионы хлора и органические добавки, которые контролируют процесс осаждения и качество гальванических покрытий [3-6]. Мощность броска гальванической ванны зависит от проводимости раствора, кинетики электроосаждения (наклон поляризационной кривой), геометрии ячейки и температуры. Целью данной работы было определение влияния различных видов органических добавок и их концентрации на силу распределения. Также было изучено влияние основного состава раствора. Была проведена оценка серии растворов для гальванической меди.

Тестовые заготовки

Заготовки для испытания на распределяющую способность
Тестовые заготовки, которые использовались при оценке процесса, представляли собой платы толщиной 1,6 мм и 3,2 мм со сквозными отверстиями различного размера. Диаметр сквозных отверстий для плат 1,6 мм составлял 0,2 мм, 0,25 мм, 0,35 мм и 0,5 мм. Диаметр сквозных отверстий для плат 3,2 мм составлял 0,2 мм, 0,25 мм, 0,35 мм, 0,5 мм и 0,8 мм. Соотношение сквозных отверстий AR варьировалось от 3.2-16. На все геометрические формы тестовых заготовк наносили металлическое покрытие одновременно.

Микрораспределение

Микрораспределение определяется как отношение толщины осажденной меди в центре сквозного отверстия к ее толщине на поверхности. Он рассчитывается по формуле:

Микрораспределение в

% = (C+D)*100 / 2
(A+B+E+F) / 4

На рис. 1 показано поперечное сечение сквозного отверстия с указанием точек измерения толщины.

Рисунок 1 — Поперечное сечение гальванического покрытия отверстия

Состав ванны

Оптимизированные компоненты ванны и параметры покрытия приведены в таблице 1. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании раствора с низким содержанием меди и высокой концентрацией кислоты.
Гальваника при малых плотностях тока позволила надежно покрыть сквозные отверстия более высокого соотношения АР.

Компонент Значение Диапазон
CuSO4x5H2O 50 г/л 45 – 80 г/л
Серная кислота 250 г/л 220 300 г/л
Хлориды 75 мг/л 60 мг/л — 85 мг/л
Wetter 10 мл/л 8 — 15 мл/л
Brightener 4 мл/л 2 – 6 мл/л
Температура 22oC 20 – 24oC
Плотность тока 1.0 а/дм2 0.5 – 3.0 а/дм2

Таблица 1 — Параметры процесса большого распределения

Результаты измерений микрораспределения

Microdistribution
Измеренные значения микрораспределения для проверенной плотности тока показаны на рисунках 2 и 3. Было достигнуто превосходное микрораспределение. В зависимости от конструкции платы можно выбрать подходящую плотность тока и время нанесения покрытия для достижения необходимой толщины меди на стенках сквозных отверстий.

Microdistribution
Рисунок 2 — Микрораспределение для платы толщиной 1,6 мм

Рисунок 3 — Микрораспределение для панели толщиной 3,2 мм

Особенности процесса

Структура и внешний вид поверхности
Из этого электролита были нанесены блестящие ровные осадки. Изображения были получены с поверхности меди до и после травления для изучения морфологии поверхности. Рисунок 4 показывает медь, нанесенную на поверхность панели, с перпендикулярного вида. Выявлена мелкая ровная зернистая структура. Никакой конкретной текстуры не определялось.

Рисунок 4 — Изображения (а) поверхности платы (б) поверхности платы после травления.

Изображения были получены из поперечных сечений поверхности панели (более высокая плотность тока) и изнутри сквозных отверстий (более низкая плотность тока). Для выявления кристаллической структуры осадка использовался травильный раствор. Изображения поперечных сечений показаны на рисунке 5. Они показывают однородную ориентацию зерен. Наблюдается мелкозернистая структура.

Рисунок 5 — Поперечное сечение платы 1,6 мм с покрытием на 0,5 ASD (a) Поверхность (b) Сквозные отверстия 0,35 мм

Покрытие медью внутри сквозного отверстия на стенках сквозного отверстия было гладким и выровненным. На рисунках 6 и 7 показаны изображения поперечных сечений плат, покрытых при различных условиях покрытия.

 

Рисунок 6 — Поперечное сечение сквозного отверстия 0,2 мм в панели 3,2 мм с покрытием 0,5 ASD

Рисунок 7 — Поперечное сечение сквозного отверстия 0,2 мм в панели 1,6 мм, покрытой с шагом 1,0 ASD

Свойства гальванических медных покрытий:
Прочность на разрыв и удлинение
T en s ile S tre n g th , p s i
Предел прочности на разрыв и удлинение гальванической меди измеряли в соответствии с IPC TM-650, 2.4.18.1. Были измерены вертикальные и горизонтальные тяги. Результаты оценки прочности на разрыв приведены на рисунках 8. Увеличение избыточного потенциала покрытия увеличивает скорость образование ядер и приводит к образованию осадков с более высоким пределом прочности. Это показано на Рисунке 8: увеличение CD для осаждения с 0,5 ASD до 2,0 ASD увеличивает значения измеренной прочности на разрыв. Относительное удлинение до 19%. Покрытие при всех условиях соответствовало или превышало спецификации IPC.

Рисунок 8 — Предел прочности на разрыв в зависимости от плотности тока Надежность сквозного отверстия
Испытания на термоудар припоя согласно IPC TM-650 2.6.8 использовались для исследования тепловых характеристик плат с покрытием. Условия удара припоя: 10 секунд плавания при 288ºC 6 раз. Испытания проводились для медной фольги с покрытием на 0,5, 1,0 и 2,0 ASD. Тепловая целостность была превосходной для всех размеров покрытых сквозных отверстий. Ни угловые трещины, ни стволовые трещины не наблюдались, как показано на рисунке 9, во всем исследованном диапазоне плотностей тока.

Рисунок 9 — Процесс высокоскоростного постоянного тока, покрытие при 1.0 ASD; Поперечное сечение сквозного отверстия 0,5 мм после 6x ударов припоя

Вывод

Технология кислотной меди Hi Throw была разработана для надежного гальванического покрытия сквозных отверстий с различным соотношением сторон с отличным микрораспределением. Использовался режим постоянного тока. Гальваническое покрытие при низких плотностях тока было исследовано для того, чтобы покрыть сквозные отверстия с более высоким соотношением сторон с желаемым распределением. Была нанесена блестящая гладкая медь. Достигнуто хорошее выравнивание внутри сквозных отверстий и на поверхности платы. Покрытие из меди соответствовало или превышало отраслевые стандарты прочности на разрыв, удлинение и ударопрочность припоя.

Высокотемпературный процесс кислотной меди

Значительное производство печатных плат переместилось в районы с более жарким климатом. Был разработан процесс получения кислотной меди постоянного тока для тропического использования без охлаждения. Он был разработан для того, чтобы удовлетворить требования к крупносерийному производству жестких печатных плат. Гальваническая ванна содержит органические добавки, которые стабильны при повышенных температурах, что позволяет использовать процесс в диапазоне температур от 22 ° C до 40 ° C. Параметры покрытия приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Параметры процесса при высоких температурах

Компонент Значение Диапазон
CuSO4x5H2O 75 г/л 65 – 85 г/л
Серная кислота 200 г/л 190 – 220 г/л
Хлориды  75 мг/л 60 – 90 мг/л
HT 100
Make up
8 мл/л 6 – 10 мл/л
HT 100 Wetter Дозирование во время покрытия
HT 100
Brightener
0.8 мл/л 0.6 – 1 мл/л
Температура  22 – 40C
Плотность тока  2.0 – 2.5 ASD 1.0 – 4.0 ASD

Особенности процесса

Из этого электролита получали мелкозернистые отложения до 40 ° C. Покрытая медь была гладкой и выровнена внутри сквозного отверстия. Тонкой меди в отверстий не наблюдалось. Никаких складок покрытия и никаких тонких участков внутри отверстия не обнаружено. Толщина покрытия была одинаковой по всему стволу отверстия.

Микрораспределение

Хорошие значения микрораспределения были измерены в широком диапазоне плотности тока, 1.0 ASD —
3.0 ASD, как показано на рисунках 10 и 11. Рабочие характеристики ванны соответствовали исследованному диапазону температур.

Micro distrib utio n.

Рисунок 10 — Микрораспределение для панели толщиной 1,6 мм, покрытой 24oC

Microdistribution

Рисунок 11 — Микрораспределение для панели толщиной 1,6 мм, покрытой 35oC

Свойства
Прочность на разрыв и удлинение
Предел прочности на разрыв более 40 000 фунтов на квадратный дюйм и относительное удлинение в диапазоне от 17% до 22% были измерены для медного покрытия из ванны HT 100 при различных температурах и различной плотности тока. Были протестированы компакт-диски 1.0, 2.0 и 3.0 ASD. Температура была 24oC и 35oC. Увеличение CD и снижение температуры покрытия увеличивает прочность на разрыв. Уменьшение CD и повышение температуры покрытия увеличивает удлинение.

Тепловые характеристики

Для надежности сквозных отверстий были взяты секции и припаяны 6 раз при температуре 288 ° C. Отверстия осмотрели на предмет дефектов. Никаких трещин или начальных трещин не было, рисунок 12.
Рисунок 12 — Процесс HT, покрытие при 35 ° C, 2,0 ASD; Поперечное сечение сквозного отверстия 0,5
мм после 6x ударов припоя
Оборудование и контроль
Изучали перемешивание воздуха и безвоздушного перемешивание. Использовались сопла Euductor. Не было никакой разницы ни во внешнем виде, ни в свойствах плакированной меди между воздушным перемешиванием и эдукторными соплами.
За электролитом было легко ухаживать. Органические добавки, смачиватель и отбеливатель можно анализировать методом CVS. Для контроля процесса можно использовать испытания ячеек корпуса. Расход добавки при изменении температуры изменялся незначительно.

Вывод

Новый процесс постоянного тока был разработан для производства жестких печатных плат в больших объемах. Этот процесс дает стабильные результаты в широком диапазоне температур до 40 ° C. Получены блестящие ровные соадки меди. Гальваническая медь имеет отличные физико-механические свойства, соответствующие стандартам IPC. Процесс может использоваться с воздухом или с эдукторными соплами в режиме рисунка или панельной плиты, что обеспечивает большую гибкость. Это CVS анализируемый или управляемый ячейкой Хулла.

Рекомендации

  • 1. Клайд Ф. Кумбс мл., Справочник по печатным схемам, пятое издание, Нью-Йорк (2001).
  • 2. Дубин, В.М., «Методы медного покрытия для ULSI-металлизации», усовершенствованные системы металлизации и межсоединений для применения ULSI в 1997: Материалы симпозиума Общества исследования материалов, (январь 1998 г.) 405-411, Общество исследования материалов, Варрендейл.
  • 3. Юнг, Эдвард К., «Покрытие медью сквозных отверстий и переходных отверстий», J. Electrochem. Soc., 136 (1989) 206-215
  • 4. Дж. Дж. Kelly, C. Tian, A.C. West, J. Electrochem. Soc., 146 (1999) 2540
  • 5. J. Horkans, J.O. Дукович, в: P.C. Andricacos, J.L. Stickney, P.C. Searson, C. Reidsema-Simson, G.M. Олезек (ред.), ECS Proceedings on Electrochemical Processing in ULSI Fabrication III, vol. 8, 2000, с.103.
  • 6. Дж. П. Хили, Д. Плетчер, М. Гуденаут, J. Electroanal. Chem., 338 (1992) 179.