Ниже подробно описана прямая металлизация печатных плат с использованием ENVISION® HDI для селективного образования существенного электропроводного полимера. Данный технологический процесс обладает несколькими преимуществами по сравнению с наиболее распространенными процессами химического осаждения меди:
- более высокая пропускная способность;
- не происходит осаждения на металлические поверхности, что устраняет необходимость последующей обработки в составе для микротравления;
- малое количество операционных стадий;
- значительное снижение расхода потребляемой воды и количества сточных вод, которые, что очень важно, не содержат опасных примесей, таких как, металл, хелатные агенты и формальдегид.
ENVISION HDI состоит всего из трех стадий (1 — кондиционер, 2 — инициатор и 3 — катализатор), каждая из которых контролируется простыми, стандартными аналитическими процедурами. В этой статье более подробно описывается подход к контролю качества каждой из составляющих стадий процесса для обеспечения высокого уровня работы и гарантирования качества всего процесса в целом.
Вступление
Индустрия печатных плат в мировом масштабе пережила необыкновенно сильный подъем, особенно с наступлением нового текущего тысячелетия. Компьютеры, средства связи, потребительские товары – это те отрасли, которые продолжают диктовать потребность в более сложных, более функциональных, более разнообразных электронных устройствах. Разработки печатных плат для этих устройств подразумевают более высокую плотность, монтаж с меньшим шагом, что требует больших возможностей от технологического процесса изготовления плат. Сегодняшняя технология металлизации, предназначенная для получения проводящего слоя печатной платы, состоит из трех производственных модулей:
- Дисмеринг, который восстанавливает целостность подложки после механической обработки печатной платы (главным образом, после механического или лазерного сверления отверстий).
- Металлизация отверстий, в результате которой сквозные отверстия и/или глухие микроотверстия приобретают электропроводное покрытие. Для этого обычно применяется метод химического осаждения меди (E’Cu), но также могут быть использованы альтернативные процессы.
- Гальваническое меднение, которое создает слой меди необходимой толщины: на поверхности плат; в сквозных отверстиях; в глухих микроотверстиях.
В течение последних 30 лет химическое осаждение меди считалось стандартом в производстве печатных плат, несмотря на то, что это не самый простой процесс металлизации отверстий с точки зрения обслуживания и контроля. Однако управление процессом, его свойства и надежность хорошо известны и описаны.
Метод химического нанесения медного покрытия состоит из шести стадий (обработка кондиционером, микро травление, предварительное окунание, обработка катализатором, обработка ускорителем и химическое осаждение меди). В интервале между каждыми двумя последовательными операциями происходит ополаскивание водой (за исключением интервала между предварительным окунанием и обработкой катализатором). Все пять этапов вместе взятые связаны со значительным расходом воды. С точки зрения воздействия на окружающую среду, это не единственный негативный аспект, поскольку большинство ванн химического меднения имеют в своей основе формальдегидную восстановительную систему, характеризуемую высоким уровнем образования хелатных веществ при использовании ЭДТА или другого комплексообразователя. Кроме того, производительность процесса ограничена, так как стадия собственно химического осаждения меди является «узким местом» всего процесса: почти 50% всего времени работы приходится на этот заключительный этап.
Традиционно химическое меднение происходит на вертикальном оборудовании, хотя в последние годы появилась тенденция использовать горизонтальное оборудование, вызванная, главным образом, потребностью улучшить металлизацию глухих микро отверстий. Сопутствующими факторами стали забота об окружающей среде и необходимость автоматизации.
В качестве альтернативы химическому осаждению меди для металлизации отверстий печатных плат разработаны, опробованы и сегодня применяются в промышленных масштабах несколько систем прямой металлизации на основе угля, графита и проводящего полимера. В частности, селективное нанесение полимерного покрытия с собственной электропроводностью привлекает большое внимание как реальная альтернатива химическому меднению. Преимуществами метода являются высокая производительность и надежность, хорошая совместимость с различными типами ламинатов, малое количество стадий и низкий уровень воздействия на окружающую среду («дружественная человеку и животному миру» химия). Последнее стало возможным благодаря снижению расхода потребляемой воды и небольшому количеству отработанной воды, не содержащей опасной химии.
Система прямой металлизации ENVISION® HDI основана на селективном нанесении полимерного покрытия (пленки) на печатную плату и широко применяется в мировом масштабе более 20 лет. Применение проводящего полимера для прямой металлизации впервые было представлено на рынке в середине 1980-х, когда в качестве мономера использовался пиррол. Несколько лет спустя был внедрен процесс с производным тиофена (ЭДТ): вначале как 4-стадийный, затем как 3-стадийный химикат. С развитием технологии высокой плотности межсоединений было выпущено 4-ое поколение процесса ENVISION® HDI. Сегодня процесс прямой металлизации ENVISION® HDI состоит из трех производственных стадий и трех модулей ополаскивания (всего 6 ступеней по сравнению с 11-тью в химическом меднении). Весь процесс на 50% короче химического меднения и на 75% короче по времени процесса.
Поскольку эта статья посвящена, главным образом, контролю за процессом ENVISION HDI и его надежности, ниже представлены только некоторые основные параметры для сравнения. (Прилагается перечень литературы, где можно найти более подробную информацию о процессе.)
Преимущества процесса ENVISION HDI следующие:
- Высокая надежность благодаря селективной полимеризации только на неметаллических поверхностях печатной платы.
- Высокая производительность: на 50% выше, чем у химического меднения (E’Cu).
- Низкий уровень воздействия на окружающую среду: в целом на 66% меньше химических отходов, при этом не содержащих опасных металлов, хелатных агентов и формальдегида.
- Снижение расхода воды: более 50% по сравнению с E’Cu технологией.
Технологический процесс ENVISION HDI
Полимеризация проводящего полимера в катализаторе ENVISION HDI представлена очень схематично на рисунке 1. Ключевым моментом полимеризации является присутствие окислителя (MnO2) только на неметаллических поверхностях печатной платы. Восстановление марганца со степени окисления +IV до +II возможно за счет реакции полимеризации мономера ЭДТ.
Рисунок 1: 3 компонента, необходимые для образования электропроводного полимера ENVISION HDI
Ранее описанный процесс для создания электропроводного полимера состоит всего из трех реакций (стадий), которые происходят независимо друг от друга, но в строго определенной последовательности. Последовательность имеет критическое значение для качества финального покрытия.
ENVISION HDI использует диоксид марганца (MnO2) в качестве окислителя в реакции полимеризации, поскольку имеется возможность в достаточно широком интервале процесса осаждать диоксид марганца (MnO2) только на неметаллические поверхности печатной платы.
Анализ поверхности с использованием технологий Auger и XPS не выявил следов полимера на медных поверхностях. Полимер образуется только на диэлектрическом ламинате и стекловолокне.
Селективное образование MnO2 происходит в инициаторе (ENVISION HDI Initiator), который представляет собой раствор перманганата, работающий при pH от 5 до 7 и при температуре 80 – 90°C. Можно использовать соль натрия или калия, но рекомендуется натриевое соединение, обладающее большей растворимостью и меньшей склонностью к выпадению в осадок и рекристаллизации.
Очевидно, что органическое происхождение диэлектрика само по себе является основой для образования MnO2. В случае ламината, армированного стекловолокном, стекловолокно представляет собой поверхность, легко не поддающуюся окислению. Без предварительной подготовки MnO2 может не образоваться на стекловолоконной поверхности в количестве, достаточном для создания равномерного покрытия из проводящего полимера во время реакции полимеризации.
За кондиционированием диэлектрической и стекловолоконной поверхностей печатной платы в кондиционере (ENVISION HDI Conditioner) следует образование MnO2 в перманганатном инициаторе, а завершается прямая металлизация образованием электропроводного полимера в катализаторе (ENVISION HDI Catalyst).
Обзор последовательности операций
Блок-схема процесса прямой металлизации, включающая этапы как до (механическая обработка и дисмеринг), так и после (гальваническое осаждение меди) ENVISION HDI представлена на рисунке 2. Смысл представленных операций – гарантировать с помощью контроля качества процесса и контроля работы процесса для каждого шага, что качество печатной платы, выходящей после обработки в ENVISION HDI, высочайшее. В реальной жизни все не обязательно происходит в точности так же, но эта статья и не ставит своей целью полностью охватить ход работы.
Рисунок 2: Блок-схема процесса прямой металлизации с управлением процессом: Контроль качества процесса (ККП) и Контроль работы процесса (КРП)
Контроль качества процесса (ККП)
Процесс ENVISION HDI состоит из трех шагов, для каждого из которых существует отдельное техническое описание, содержащее подробную информацию о составе рабочего компонента, процедуре приготовления ванны, аналитическом контроле и обслуживании процесса.
Кондиционер (Conditioner) представляет собой кислый водный раствор, специально разработанный для технологии высокой плотности межсоединений и кондиционирования глухих микро отверстий. Замены электролитов ванн в основном связаны с изменяемым со временем выносом химических элементов, значение самого выноса определяется соотношением между общей обрабатываемой металлической поверхностью и общей диэлектрической/стекловолоконной поверхностью. pH раствора (серная кислота) легко определяется стандартным титрованием. При работе на горизонтальном оборудовании важно наличие системы принудительного затопления.
Время обработки кондиционером зависит от ламината и обычно составляет 30 – 60 сек для горизонтального оборудования.
Затем следует стадия Инициатор (Initiator), представляющая собой основу из перманганата натрия, к которой добавляется борная кислота для создания pH. Содержание перманганата контролируется с помощью УФ-спектроскопии. Сравнивается поглощение при длине волны 526 нм и 603 нм. Для определения содержания борной кислоты применяется стандартное титрование.
Время обработки на горизонтальном оборудовании обычно от 55 до 70 секунд, как и для кондиционера, конструкция системы затопления является критическим параметром.
Катализатор (Catalyst) содержит производное мономера ЭДТ. Пополнение происходит на основании замера в УФ-спектрофотометре при длине волны 254 нм. Органическая сульфоновая кислота пополняется на основании анализа pH (стандартное титрование). Время обработки катализатором определяется последовательностью операций и обычно составляет от 90 до 120 секунд.
Контроль работы процесса (КРП)
В предыдущем разделе шла речь о мониторинге и контроле химического состава каждой из стадий процесса с помощью аналитических методов. Однако даже при наличии контроля содержания химикатов за контролем качества должен следовать контроль работы для обеспечения полного управления процессом.
КРП на выходе после обработки кондиционером осуществляется с помощью теста при контровом («заднем») свете. Если в результате кондиционирования стекловолокно полностью покрылось органическим веществом, насыщенном электронами, последующее образование MnO2 в инициаторе также будет полным. Если этого не произошло, часть стекловолокна будет светопроницаемой после теста электролитического сернокислого меднения, который является метрологической основой теста при контровом свете. Тестовый образец – это микро шлиф, вырезанный через серию сквозных отверстий с разным диаметром, как показано на рисунке 3. При нормальном контровом свете любое нарушение непрерывности покрытия легко идентифицируется под микроскопом как белые точки (рисунок 3). Одна или 2-3 маленькие «белые точки» допустимы и не нарушают надежность процесса.
Рисунок 3: Тест при контровом свете, демонстрирующий стекловолокнные пустоты в сквозном отверстии
Также после первого этапа производится количественный анализ общего осажденного MnO2 на диэлектрическом ламинате и стекловолокне.
Чтобы оценить качество электропроводного полимера, полученного в катализаторе, используется измерение латерального роста меди (ЛРМ) на специальном тестовом оборудовании. Применяемый метод определяет количество наращенной электрохимической меди за заданное время и при заданной плотности тока (5 мин при 2 А/дм2). Когда латеральный рост меди снижается до 2 мм/мин, наступает время приготовить новый катализатор.
Рисунок 4: Пластины теста при контровом свете до и после гальванического меднения (слева) и изменение электропроводности полимера по мере старения ванны (справа) (Cuprostar® LP-1, 2 мин при 2 А/дм2).
Следует также упомянуть, что латеральный рост меди зависит не только от электропроводности полимера, но и тесно связан с химическим составом ванны гальванического меднения. Процессы блестящего сернокислого меднения с высоким содержанием добавок могут давать рост меди на 30% ниже по сравнению с матовым меднением, производимым в продуктах с меньшим содержанием органики, например, CUPROSTAR® LP-1. Самый высокий латеральный рост меди достигается с недавно разработанным специальным процессом меднения CUPROSTAR®, который даже выше и примерно на 30% быстрее, чем у матовой добавки меднения Cuprostar LP-1. Очевидно, что процесс ENVISION совместим с разными показателями латерального роста меди в процессах кислого меднения, но, тем не менее, оптимизация для еще более быстрого осаждения является преимуществом.
Выводы
ENVISION HDI значительно менее затратный процесс, чем химическое меднение или любой другой альтернативный процесс прямой металлизации (на основе углерода, графита или др. полимерных систем). Одновременно он обеспечивает самую высокую надежность благодаря своей избирательности, селективности. ENVISION HDI на сегодняшний день не только самый короткий по времени процесс, обеспечивающий электропроводность перед гальваническим меднением, но также наиболее безопасный для окружающей среды. Контроль за процессом очень простой, и его основная концепция, как описано в этой статье, обеспечить надежность и качество. Для каждого этапа процесса прямой металлизации ENVISION HDI осуществляется простой мониторинг с помощью стандартных аналитических процедур, позволяющих поддерживать рабочие условия в пределах оптимального диапазона. Помимо контроля рабочего режима для каждого этапа, качество на выходе после каждого из этих этапов контролируется с помощью второго комплекса процедур, задача которых убедиться в том, что цель работы каждого отдельного этапа достигнута и, таким образом, обеспечено максимальное качество.
Литература
D. Ormerod: “Environmental Challenges to Conventional PTH Metallization — A Time for Change?” To be published at CPCA Autoum Forum 2008
E. Stafstrom: “Utilizing Conductive Polymers To Improve HDI Yields”. Ciruitree, Oct. 2004
ENVISION HDI Quality Manual, Enthone Inc. Sept. 2008