一種疊孔三階HDI板制作技術(shù)研究

陳世金 羅 旭 覃 新 喬鵬程 徐 緩

博敏電子股份有限公司

1 前言

隨著3G、智能手機和平板電腦等消費類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，推動PCB技術(shù)不斷向更高布線密度方向發(fā)展，同時也要求PCB設(shè)計具有小型化、輕薄化和高可靠性等。因此，傳統(tǒng)的盲孔設(shè)計（交錯孔、跨層等）已無法滿足要求，其局限性主要表現(xiàn)在空間節(jié)約、制作難度和可靠性等方面，唯有疊孔設(shè)計可滿足要求。實現(xiàn)盲孔與盲孔的互連方法主要有四種（如圖1），隨著電子產(chǎn)品對PCB可靠性要求的提高，當前使用最多的是第三種設(shè)計（填銅疊孔互連法）。其制作方法是：次外層盲孔制作時，把該孔直接用電鍍銅填滿，再壓合激光下一層，層層疊加，實現(xiàn)層間互連。電鍍填孔互連法既可減少工藝流程，也能確保更高的可靠性和更優(yōu)良的電氣性能。因此，電鍍?nèi)追ㄊ潜容^理想的盲孔堆疊制作方法，為現(xiàn)行業(yè)最常用的電鍍填孔互連法[1 ]。

本文將以一款疊孔三階10層的HDI板為例，講述其制作難點和解決方法，突出其制作的控制重點和注意事項等，為業(yè)界工作者制作該類疊孔設(shè)計的HDI板提供一定的參考。

圖1 多階盲孔實現(xiàn)層與層互連方式

2 技術(shù)原理

疊孔三階HDI板的其技術(shù)原理主要是采用盲孔與盲孔堆疊的方式來實現(xiàn)層與層之間的導(dǎo)通和互連，重點是疊孔堆疊重合性（層間對準度）和互連可靠性的控制。以一款疊孔三階HDI板為例看一下該類板的疊合結(jié)構(gòu)圖（如圖2）：

圖2 疊孔設(shè)計的三階10層HDI板

2.1 層間盲孔堆疊技術(shù)

在前言部分我們已經(jīng)談到了層間堆疊技術(shù)的幾種方法，就當前的主流層間堆疊技術(shù)來看，填銅疊孔設(shè)計具有高可靠性、高布線密度等優(yōu)點，也有研究表明提高印制板布線密度最有效的方法之一是減少通孔數(shù)增加盲孔數(shù)[2]。而采用填銅技術(shù)除了具有高可靠性優(yōu)點外，還可在流程上得到簡化，總體核算成本具有一定的優(yōu)勢。因此，該類設(shè)計攻破了成本與性能的難題，是當前PCB技術(shù)最佳的互連設(shè)計方法。該設(shè)計所帶來的難點是如何保證層與層間的對位精準度，解決好該項難點將成為我們掌握疊孔設(shè)計三階或多階、甚至是Any-layer HDI技術(shù)的關(guān)鍵所在。

2.2 電鍍盲填孔技術(shù)

該項技術(shù)的另一個難點是電鍍填孔技術(shù)，填孔效果的好壞直接決定互連可靠性的成敗，如dimple（凹陷度）、filling power（填充率）和面銅厚度的控制等。圖3是我們對填孔效果的控制主要表征[3]。

圖3 填孔能力表征示意圖

由于涉及到精細線路的制作，我們還需要對填銅后的面銅進行控制，如設(shè)計線路為75 μm/75 μm線時，需要將面銅厚度控制在30 μm以內(nèi)，以保證蝕刻工序能夠順利制作。否則，如填銅后的面銅厚度過厚則需要減銅或樹脂磨板等，對成本是一種浪費，同時也不利于漲縮的管控。

3 制作設(shè)計

3.1 工藝流程

根據(jù)我技術(shù)中心研發(fā)人員對此項目的研究和探討，結(jié)合實際生產(chǎn)制作和現(xiàn)有成熟的工藝技術(shù)，最終制定該疊孔三階HDI板的工藝流程如下：

芯板（L5-L6）下料→內(nèi)層線路制作→內(nèi)層蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊、減銅（L4-L7）→鉆埋孔→沉銅、板電→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（L3-L8）→減銅、棕化→激光→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（L2-L9）→減銅、棕化→激光→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（外層）→減銅、棕化→激光→鉆通孔→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→阻抗測試→阻焊、文字→印選化→沉鎳金→退選化→電銑成型→FQC→OSP→二次FQC→FQA→包裝→入庫

3.2 材料的選擇

在材料的選擇上，我們一方面要考慮其穩(wěn)定性，如低CTE（熱膨脹系數(shù)）、低吸水率和高耐熱性等。另一方面要考慮對該類板材制作技術(shù)的成熟性，即選擇已經(jīng)多次使用，并完全掌握其加工特性的板材，同時，也兼顧成本考慮。該板材所需具備的特性要求如表1所示。

表1 使用基板材料的主要性能

板材的穩(wěn)定性對我們的漲縮控制極為有利，而選擇多次使用、掌握其加工特點的板材對提升我們的合格率有很大的幫助，對重點管控項目可做針對性地跟進和控制。基于以上兩個控制因素的考慮，我們選擇了A廠家的T型號板材（以及相匹配的pp材料）。

4 制作技術(shù)研究

針對該類疊孔三階HDI板的制作難點，主要涉及到精細線路制作技術(shù)、層間對位精度控制技術(shù)和填孔電鍍技術(shù)，下面將就這三個方面做相關(guān)講述。

4.1 精細線路制作技術(shù)

在制作精細線路時，常見制作難點及問題頻發(fā)點有：

（1）線寬補償設(shè)計問題；

表2 幾種前處理方式粗糙度和附著力對比

（2）板面粗糙度對附著力的影響；

（3）貼膜、曝光、顯影條件對開短路的影響；

（4）蝕刻條件（噴淋壓力、蝕刻因子等）對蝕刻效果的影響；

（5）面銅厚度及干膜厚度對精細線路制作的影響。

針對以上問題，對其成因機理進行分析，并提出相應(yīng)解決方案：

（1）線寬的補償按照相關(guān)的設(shè)計準則來執(zhí)行，但針對特殊精細線路（如L/S≤3 mil），須實行特殊補償和分段補償，以保證L/S≤75 μm類線寬補償5.1 μm ～ 12.7 μm，最小線距為63.5 μm。根據(jù)之前補償設(shè)計實驗結(jié)論和經(jīng)驗總結(jié)，可保證該款板的圖形形成條件。

（2）板面粗糙度對附著力的影響可分幾組對比試驗進行，如超粗化、磨刷+噴砂、磨刷等，然后通過表觀檢查（SEM掃描電鏡）和表面粗糙度檢測等手段[4]，干膜結(jié)合力測試原理與國際通用規(guī)范IPC-TM-650中之阻焊油墨相關(guān)規(guī)定結(jié)合力測試相同，可對比出哪種前處理效果最優(yōu)，粗糙度在多少的范圍內(nèi)可保證干膜與銅面有良好的結(jié)合力。表2為幾種前處理方式粗糙度及結(jié)合力測試情況：

對于精細線路的制作，不是說粗糙度越大就結(jié)合力越好，一般是需要根據(jù)實際測試情況來確定的。通常來說，單采用磨刷的方式來處理銅面，會出現(xiàn)定向的擦傷，有耕地式的溝槽、銅面劃痕，嚴重時會出現(xiàn)銅被翻起，不適合精細線路的制作。而單采用超粗化（微蝕）的方式，不能保證銅面膠漬、油污、銅瘤和凹痕等缺陷的處理，采用磨刷加噴砂的方式則可保證對以上缺陷的修復(fù)。

（3）貼膜、曝光、顯影條件的設(shè)定是需要根據(jù)干膜的類型、線路/線距的等級和設(shè)備等具體情況確定的。對于精細線路來說，干膜厚度較低，其解像度就越高，合適的干膜厚度是保證精細線路制作的要素之一，曝光時選擇合適的光源形式，尤其是對高密度、精細導(dǎo)線的圖形的光成像，光源的特性直接影響曝光質(zhì)量和效率。目前干膜的吸收光波長為325 nm ～ 365 nm，較短的波長的光曝光后成像圖形的邊緣清晰整齊。光能量與光波長的關(guān)系式如下：

式中：ε——光能量；h——布郎光常數(shù)；r——光的頻率；c——光速；λ——波長。

從式中可以看出，光的波長越短，其能量也就越大，所以大多數(shù)曝光機都是采用波長在320 nm ～ 400 nm之間。從光源發(fā)散形式來說，平行光照度均勻，不易失真，其成像分辨率更高，更有利于精細線路的制作。曝光能量的控制也是一個重要因素，采用25 μm的干膜能量控制在40 mJ/cm2～ 50 mJ/cm2，曝光尺約4-6格較為合適。根據(jù)膜分辨率的實際，掌握適當?shù)娘@影速度，使細線條能均勻的齊正。精細線條的顯影速度在正常工藝規(guī)范內(nèi)，一般要比粗線條的要快一些，以便使露銅的兩邊膜壁少受顯影液的攻擊造成導(dǎo)線變形失真或者附著力下降；但若線距也同時較小，則要兼顧到小線路圖形的顯影速度要稍微放慢的情況，二者要根據(jù)實驗綜合考慮。其具體制作參數(shù)如表3所示：

表3 貼膜、曝光和顯影制作參數(shù)

（4）蝕刻條件（噴淋壓力、蝕刻因子等）對蝕刻效果的影響，主要需要控制好蝕刻藥水參數(shù)（濃度、溫度等）、噴淋壓力及蝕刻均勻性等?？刂贫r銅的含量，它是蝕刻銅的主劑，可以加快蝕刻速度，以減少側(cè)蝕發(fā)生的機會，使化學(xué)反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對精細導(dǎo)線的蝕刻至關(guān)重要。為確保數(shù)據(jù)變化在規(guī)定的范圍內(nèi)，就需要嚴格控制蝕刻液的比重、補充液的均勻流量和基板在蝕刻機內(nèi)的運送速度等。對于精細線路的制作，最重要的是要考慮如何保證密集線路區(qū)域的藥水交換，對噴嘴交疊的角度、重合情況，上下噴淋壓力，放板方式、位置等都有一定的要求，這些都直接關(guān)系到最終的蝕刻效果。

（5）面銅厚度和干膜厚度對精細線路的影響，這一點根據(jù)蝕刻線的能力可以計算出最大面銅厚度的控制上限，干膜的厚度越薄是越有利于精細線路的制作的。這在之前做過較多的試驗，在此不再作贅述。

4.2 層間對位精度控制技術(shù)

要做好HDI板層間對準度控制的精確性，首先要搞清楚導(dǎo)致HDI板對準度偏差的制成因素。以靶標為參考點，HDI產(chǎn)品的對準度偏差主要可以分為內(nèi)層圖形和盲孔之間的偏差、內(nèi)層圖形與通孔之間的偏差、外層圖形與盲孔的偏差和外層圖形與通孔的偏差，即導(dǎo)致HDI對位偏差的因素很多[5]。

（1）層壓板偏差。該類HDI板都是經(jīng)過逐次層壓而成，在日本也稱之為積層板（BUM板），在經(jīng)過多次壓合后，板材必然會出現(xiàn)一定的收縮，而每次收縮又會存在一定的差異，故就會出現(xiàn)尺寸偏差。而選擇高Tg材料的基板會有利于這方面的控制，另外，在壓合程式或參數(shù)上進行一定的優(yōu)化和控制，對改善不規(guī)則性變形引起的層偏會起到一定的改善效果。

（2）X-Ray打靶偏差。因為涉及到打靶定位問題，打靶的精確度應(yīng)控制在±15μm以內(nèi)，而X-Ray打靶的鉆咀也應(yīng)保持一定的鋒利，避免產(chǎn)生披鋒，引起孔型的變化。

（3）激光鉆孔的偏差。激光鉆孔機本身存在一定的精確度，一般在±7.5μm，激光鉆孔時一般采用抓雙靶標的方式來定位，即通孔、盲孔都抓，這類情況引起的偏差幾率相對較小。

（4）菲林漲縮、曝光對位偏差等。如不采用LDI來制作，則需要考慮菲林的變形或漲縮問題，多因室內(nèi)溫濕度控制不好引起，有時候也會存在光繪機繪出的底片與設(shè)計存在一定的差異引起。曝光對位精度由設(shè)備的類型、性能等決定的，圖形對孔位對位控制范圍一般控制在±50μm，而要是精細線路則設(shè)定范圍就應(yīng)該更小一些。

（5）樹脂磨板引起漲縮偏差。針對這一點除了保證樹脂研磨時方向、次數(shù)作特別管控外，對參數(shù)的設(shè)定、研磨方式等也要做相關(guān)控制，否則，極易引起同批板出現(xiàn)不同漲縮的情況。但是，我們還是要盡量做到面銅控制在蝕刻能力范圍內(nèi)，減少樹脂磨板加工。

其實，層間對位精準度的控制所涉及的方面是很多的，要做到層間精準度的控制，除了對以上幾個方面進行控制外，還要從靶標的設(shè)計、對位方式的選擇和工藝流程的優(yōu)化等方面著手，對其造成影響的每一個因素都要進行排除。圖4為我們最終獲得的層間對位效果盲孔堆疊圖片。

圖4 最終成品層間對準度情況

4.3 填孔電鍍技術(shù)

關(guān)于填孔電鍍的原理在行業(yè)內(nèi)有較多相關(guān)的介紹[6-10]，在此就不做講述。筆者將主要對填孔電鍍的控制項目進行相關(guān)講解。

（1）流程的選擇。填孔電鍍一般有閃鍍和不閃鍍兩種流程選擇方式，至于是選擇哪種流程都需要根據(jù)實際情況來定。如果是小批量的板子，可考慮直接填孔電鍍，重要的是保證停放時間盡量短，一般控制在2小時內(nèi)完成。而如果是大批量的板子，同時藥水性能不是很優(yōu)良的情況下，則最好選擇閃鍍流程，有利于品質(zhì)管控。流程選擇不當或過程控制不嚴，極有可能引起填孔效果的不良，如出現(xiàn)dimple過大等問題。

（2）dimple和filling power的控制。對于這方面的控制主要從藥液的管控和電鍍參數(shù)的設(shè)定來控制，通常來說，填孔電鍍的藥液管控要求要較常規(guī)的電鍍藥液要嚴格許多，如濃度、溫度的控制等。市面上填孔添加劑的種類也是比較多的，我們需要選擇操作條件相對較寬、性能較優(yōu)的添加劑，可以通過多次對比試驗來進行選擇。藥液的濃度、溫度需要進行嚴格管控，最好設(shè)置有自動添加、溫控等控制系統(tǒng)，以確保人為操作引起的失誤。電鍍參數(shù)的設(shè)定對電鍍填孔效果的影響是相當大的，選擇怎么樣的電鍍參數(shù)，既能保證良好的填孔效果，有能最大程度的節(jié)省時間和節(jié)約成本？這是我們需要考慮的問題，也需要我們在制作過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，使我們的參數(shù)設(shè)定趨于合理化、科學(xué)化，達到最好的填孔效果。

（3）面銅厚度的控制。為什么在這里要提到面銅的控制？這是由于涉及到精細線路的制作問題，在電鍍填盲孔的時候必須對此進行控制。否則，如果只追求填孔效果（filling power）的控制，不考慮后工序的制作順利，那就不能保證此板的品質(zhì)和最終合格率。對于面銅厚度的控制，要控制好藥水參數(shù)，保證填孔效果的前提下，盡量將面銅厚度控制的最薄。面銅厚度的控制也是與藥水性能和電鍍參數(shù)的設(shè)定有很大的關(guān)系，在這里就不再贅述。

（4）其它方面。要得到好的填孔效果，除了以上控制要求外，還需要對激光盲孔的孔型、孔徑等進行控制。盲孔的孔型包括over hang 、under cut和孔壁質(zhì)量等，如over hang需單邊控制在10μm以內(nèi)，盲孔孔型呈倒梯形，不能出現(xiàn)腰鼓形、孔壁粗糙度過大等。要得到完好的成孔效果，一方面要從材料的選擇入手，基板對電鍍填孔的影響也是不可忽視的，介質(zhì)層材料對填孔有影響這是十分顯見的。另一方面要從激光鉆孔的參數(shù)進行改善或優(yōu)化，使用何種材質(zhì)的介電層、厚度等對鉆孔孔徑的影響是比較大的，需要結(jié)合實際試驗情況來確定合適的激光參數(shù)。

5 成品可靠性測試

依照上述解決方案，生產(chǎn)的成品整板外觀平整，檢測弓曲度、扭曲量均滿足IPC-600H標準，切片確認孔壁、面銅、層間介電層厚度等符合MI要求，熱應(yīng)力測試無分層、爆板、綠油氣泡等不良問題出現(xiàn)。具體可靠性測試結(jié)果可參見表4。

表4 成品可靠性測試結(jié)果

6 結(jié)語

隨著PCB技術(shù)的飛速發(fā)展，對疊孔多階HDI板的制作要求將會越來越嚴，為我們提出了更多新的挑戰(zhàn)。該類疊孔HDI板的制作關(guān)鍵技術(shù)仍然是層間對位精準度、精細線路和電鍍填孔等方面，要使我們對該類板制作技術(shù)達到成熟化，這需要我們今后的工作中不斷深入，不斷總結(jié)經(jīng)驗、積累成果，逐漸提高我們制作疊孔多階HDI板的工藝水平。

[1]陳世金. 填銅疊孔二階HDI工藝技術(shù)的研究[J]. 印制電路資訊, 2012.03:107-111.

[2]楊宏強, 王洪, 駱玉祥. 多階盲孔板制作中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 印制電路資訊, 2007.05:72-75.

[3]葉成鏡,藍國興,電鍍銅填孔技術(shù)之探討[J]. 電路板會刊 第19期:53-59.

[4]白蓉生. 表面粗糙度[J]. 印制電路資訊, 2003.04:42-50.

[5]夏智, 湯攀, 于湛. HDI對準度研究[J]. 印制電路信息, 2009.S1:55-64.

[6]Barthelmes,Dr.J.,Acid Copper Plating with Insoluble Anoele-A Novel Technology in PCB Manufacturing[J]. Proceedings of the Electronics circuits word convention 8.Tokyo.september7-10.1999.

[7]Kobayashi T , Kaw asaki J , Mihara K, etal. Via2fill2ing using electroplating for build2up PCB[J]. Elec2t rochim. Acta,2001,47: 852-859.

[8]李亞冰, 王雙元, 王為. 印制線路板微孔鍍銅研究現(xiàn)狀[J]. 電鍍與精飾, 2007.01:32-35.

[9]Jun J N, O h S C. A study on the development of co l2o ring stainless steel (electrolytic method)[J]. Yongu Pogo2Kungnip Kisulwon (Ko rean), 1993,4(3).

[10]C.Q.Cui and Kelvin ,Cu Fully Filled UItra-Fine Blind Via ON Flexible Substrate for High Density Interconnect,International Electronic Manufacturing Technology, 2006.pp18.