導(dǎo)電銅漿塞孔工藝在多層板的應(yīng)用

劉 涌 王紅月 黃 偉

（上海美維電子有限公司，上海 201100）

1 導(dǎo)電銅漿及其應(yīng)用原理

1.1 導(dǎo)電銅漿簡介

導(dǎo)電銅漿是一種固化或干燥后具有一定導(dǎo)電性的膠粘劑。它可以將多種導(dǎo)電材料連接在一起，使被連接材料間形成電的通路。

在電子工業(yè)中、導(dǎo)電銅漿技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。

1.2 導(dǎo)電原理

1.2.1 導(dǎo)電粒子間的相互接觸

要使導(dǎo)電銅漿成為具有導(dǎo)電性的電路，必須將導(dǎo)電銅漿固化或干燥使銅導(dǎo)電塞孔膠層中的銅粒子相互穩(wěn)定接觸才能達到導(dǎo)電貫通。導(dǎo)電銅漿在固化或干燥前，導(dǎo)電粒子在膠粘劑中是分離存在的，相互間沒有連續(xù)接觸，因而處于絕緣狀態(tài)。導(dǎo)電銅漿固化或干燥后，由于溶劑的揮發(fā)和膠粘劑的固化而引起膠粘劑體積的收縮，使導(dǎo)電粒子相互間呈穩(wěn)定的連續(xù)狀態(tài)，因而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。

1.2.2 隧道效應(yīng)使粒子間形成一定的電流通路

當(dāng)導(dǎo)電粒子中的自由電子的定向運動受到阻礙，這種阻礙可視為一種具有一定勢能的勢壘。根據(jù)量子力學(xué)的概念可知，對于一個微觀粒子來說，即使其能量小于勢壘的能量，它除了有被反射的可能性之外，也有穿過勢壘的可能性，微觀粒子穿過勢壘的現(xiàn)象稱為貫穿效應(yīng)，也可叫作隧道效應(yīng)。電子是一種微觀粒子，因而它具有穿過導(dǎo)電粒子間隔離層阻礙的可能性。電子穿過隔離層概率的大小與隔離層的厚度及隔離層勢壘的能量與電子能量的差值有關(guān)，厚度和差值越小，電子穿過隔離層概率就越大。當(dāng)隔離層的厚度小到一定值時，電子就很容易穿過這個薄的隔離層，使導(dǎo)電粒子間的隔離層變?yōu)閷?dǎo)電層。由隧道效應(yīng)而產(chǎn)生的導(dǎo)電層可用一個電阻和一個電容來等效。

1.3 導(dǎo)電銅漿組成

導(dǎo)電銅漿主要由樹脂基體、銅導(dǎo)電粒子及其他類導(dǎo)電化合物和分散添加劑、助劑等組成。樹脂有環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚氯酯等。雖然高度共軛類型的高分子本身結(jié)構(gòu)也具有導(dǎo)電性，如大分子吡啶類結(jié)構(gòu)等，可以通過電子或離子導(dǎo)電，但這類導(dǎo)電銅漿的導(dǎo)電性最多只能達到半導(dǎo)體的程度，不能具有像金屬一樣低的電阻，難以起到導(dǎo)電連接的作用。市場上使用的導(dǎo)電銅漿大都是填料型。

填料型導(dǎo)電銅漿的樹脂基體，可以采用各種膠黏劑類型的樹脂基體，常用的一般有熱固性膠黏劑如環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂等膠黏劑體系。這些膠黏劑在固化后形成了導(dǎo)電銅漿的分子骨架結(jié)構(gòu)，提供了力學(xué)性能和粘接性能保障，并使導(dǎo)電填料粒子形成通道。由于環(huán)氧樹脂可以在室溫或低于150 ℃固化，并且具有豐富的配方可設(shè)計性能，環(huán)氧樹脂基導(dǎo)電銅漿占主導(dǎo)地位。

導(dǎo)電銅漿要求導(dǎo)電粒子本身要有良好的導(dǎo)電性能，其粒徑要在合適的范圍內(nèi)，能夠添加到導(dǎo)電銅漿基體中形成導(dǎo)電通路。導(dǎo)電填料可以是金屬粉末和石墨及一些導(dǎo)電化合物。

導(dǎo)電銅漿中另一個重要成分是溶劑。由于導(dǎo)電填料的加入量至少都在50%以上，所以使得導(dǎo)電銅漿的樹脂基體的黏度大幅度增加，常常影響了膠黏劑的工藝性能。為了降低黏度，實現(xiàn)良好的工藝性和流變性，除了選用低黏度的樹脂外，一般需要加入溶劑或者活性稀釋劑，其中活性稀釋劑可以直接作為樹脂基體，反應(yīng)固化。溶劑或者活性稀釋劑的量雖然不大，但在導(dǎo)電銅漿中起到重要作用，不但影響導(dǎo)電性，而且還影響固化物的力學(xué)性能。常用的溶劑（或稀釋劑）一般應(yīng)具有較大的分子量，揮發(fā)較慢，并且分子結(jié)構(gòu)中應(yīng)含有極性結(jié)構(gòu)如碳氧極性鏈段等。溶劑的加入量要控制在一定范圍內(nèi)，以免影響導(dǎo)電銅漿膠體的膠接整體性能。

除樹脂基體、導(dǎo)電填料和稀釋劑外，導(dǎo)電銅漿其他成分和膠黏劑一樣，還包括交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、防腐劑、增韌劑和觸變劑等。

2 導(dǎo)電銅漿工藝的設(shè)計

基于導(dǎo)電銅漿可以應(yīng)用在PCB產(chǎn)品中起到的導(dǎo)通作用，隨著市場的需求的發(fā)展，PCB的設(shè)計種類也越來越多，會出現(xiàn)同一個產(chǎn)品在正反面出現(xiàn)不同疊構(gòu)的設(shè)計，整個產(chǎn)品呈現(xiàn)不對稱疊構(gòu)，使用傳統(tǒng)的對稱疊構(gòu)、對稱壓合方式無法滿足產(chǎn)品設(shè)計。此時上下不同疊構(gòu)的兩部分分別按照各自的疊構(gòu)生產(chǎn)，兩個子板完成后結(jié)合層使用導(dǎo)電銅漿填充激光孔的方式將兩個子板網(wǎng)絡(luò)連接，形成完成的PCB產(chǎn)品。

根據(jù)以上的思路設(shè)計流程介紹如下。

（1）兩個子板的內(nèi)層先完成單面圖形制作，如圖1（A）所示。

（2）選擇其中的下半部分的子板在圖形面完成單張半固化片加單張銅箔方式的壓合制作，再于后續(xù)第二張半固化片的貼合，如圖1（B）所示。

（3）將以上壓合后的子板，內(nèi)層面圖形區(qū)域銅箔完全蝕刻，不會更改客戶產(chǎn)品的疊構(gòu)設(shè)計和介質(zhì)層厚度，同時利于兩張半固化片更加緊密結(jié)合。

（4）第二張半固化片預(yù)親貼合在前面完成單面蝕刻的子板內(nèi)層面，此處一方面要求半固化片間貼合完全，另一方面半固化片在貼合過程中有不能過度固化，因為外層兩塊子板的黏結(jié)主要依靠該張半固化片粘連，具體的參數(shù)選擇在后續(xù)內(nèi)容做詳細表述。

（5）半固化片表面貼合保護膜，后續(xù)完成激光鉆孔、導(dǎo)電銅漿印刷后需要撕除。該步序的設(shè)計有以下幾方面的考慮，首先，可以防止導(dǎo)電銅漿印刷后污染半固化片，出現(xiàn)層壓時板件異物，影響結(jié)合力；其次，導(dǎo)電銅漿本身具有導(dǎo)電作用，板面殘留導(dǎo)電銅漿后容易造成孔與孔之間短路，影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，出現(xiàn)電性能問題，再者，保護膜本身具有一定的厚度，在印刷完成后將其撕除，會在激光孔上部導(dǎo)電銅漿呈現(xiàn)一定的高度，導(dǎo)電銅漿在烘烤和層壓過程中由于溶劑蒸發(fā)，導(dǎo)電材質(zhì)會下沉，突出的部分可以保證孔內(nèi)導(dǎo)電銅漿填充飽滿，

（6）子板單面激光鉆孔，完成兩塊子板層間的激光孔制作，直接在完成貼膜和貼半固化片的子板上制作兩張子板間的激光孔，完成子板間的相互導(dǎo)通，如圖1（C）。

（7）激光孔除膠制作，完成激光孔制作后按照正常的HDI流程需要清潔激光孔，清潔方式有等離子除膠和化學(xué)除膠。在此處選擇等離子體（plasma）除膠。

（8）微蝕處理，子板除膠后板面粉塵和孔底除膠后殘留清洗，微蝕量控制在1 μm左右。

（9）導(dǎo)電銅漿印刷制作，參考樹脂塞盲孔方式將導(dǎo)電銅漿填入激光孔中，樹脂塞盲孔需要鋁片等工具的輔助，而塞導(dǎo)電銅漿由于板面上有保護膜覆蓋，采用直接在板面印刷的方式制作，無須使用鋁片類工具。塞孔完成后需要經(jīng)過烘烤導(dǎo)電銅漿完成初步固化，烘烤前需將保護膜撕除。如圖1（D）。

（10）母板層壓，將以上完成后的子板通過接合對位方式壓合制作，形成最終的外層成品板，如圖1（E）。

圖1 上下方子板層壓示意圖

（11）層壓后的依照產(chǎn)品特性完成外層圖形、油墨、表面處理等制作。

3 工藝關(guān)鍵點控制

以上流程介紹中有些特殊流程有異于傳統(tǒng)的HDI產(chǎn)品流程，需要對不同的工序做特別的控制和特殊操作，例如，貼保護膜和半固化片，等離子體處理，導(dǎo)電銅漿印刷這些特別的流程制作方法和制作參數(shù)需要經(jīng)過試驗確定得出。以下就幾個特殊別的流程操作通過試驗確定。

3.1 貼保護膜、貼半固化片工藝參數(shù)

3.1.1 貼半固化片參數(shù)確定

制作設(shè)備：真空貼膜機。

制作方法：按照工藝需求半固化片需放在保護膜下，保護膜貼附面有一定的黏性和明顯的延展性，貼膜時需要手動將保護膜拉伸平鋪，貼合過程中不可以將保護膜預(yù)貼合在半固化片上，在將二者一并貼合在子板上，因為保護拉伸平鋪釋放力量后會將半固化片拉伸收縮起皺，在貼附在板面真空貼膜后也無法整平，以上經(jīng)驗在試驗中已經(jīng)驗證，屬于經(jīng)驗之談，道理上也講的通，筆者就沒過多的試驗對比，如想要一次性完成保護膜和半固化片的貼合，建議選擇沒有黏性的保護膜，

加工參數(shù)確定：該步序的目的將半固化片完成貼合，不起皺不剝離；從另一個極端講，半固化片不可以完成固化都則在后續(xù)外層層壓不能起到粘連兩張子板的作用，需要貼膜和貼保護膜的參數(shù)做進一步研究。受制于半固化本身耐熱性能的限制，使用半固化片Tg點在175 ℃以上，貼合參數(shù)做如表1設(shè)計。

表1 半固化片貼合試驗參數(shù)設(shè)計

先試驗一和試驗二，設(shè)定兩種溫度對比結(jié)果看，試驗一后的測試板完成后半固化會在板邊微蝕會有輕微的剝離，未能與子板很好的貼合，確定溫度設(shè)定為130 ℃；其次對于壓力的設(shè)定真空貼膜機設(shè)定最大壓力為0.49 Mpa，改壓力大小相對于后續(xù)的層壓壓力2.74 Mpa會小很多，無須再減小至更小壓力；對比試驗2、3、4結(jié)果，加壓時間更改不會影響半固化的結(jié)合，因此確定時間為60s,同時在后續(xù)保護膜的貼合中會增加半固化片的結(jié)合能力。

3.1.2 貼保護膜參數(shù)確定

保護膜貼合，按照保護膜加工指導(dǎo)建議，貼合溫度控制在100 ℃～130 ℃之間，貼合時間建議60 s以上。因為保護膜根深具有較大的黏性，預(yù)先放置在半固化片上后有一部分區(qū)域已經(jīng)貼合在板面，個別地方形成氣泡。固設(shè)定較長的抽真空時間更有利于板面平整，設(shè)計試驗表2所示。

表2 保護膜貼合試驗參數(shù)設(shè)計

比較試驗1、2，試驗2完成后保護膜顏色明顯較試驗1呈現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，可以確定保護膜較高溫度下易變性、脆化，溫度不宜過高。而且試驗2板面存在個別的點由于抽真空時間較短仍存在氣泡。再通過與試驗3、4結(jié)果對比，60 s加壓時間也可以滿足保護膜與半固化片很好的貼合，以上確定適應(yīng)試驗三參數(shù)可以滿足保護膜的貼合。

3.2 激光制作

兩張半固化片壓合厚度為130 μm上下，對應(yīng)激光孔制作孔徑設(shè)定200 μm，由于激光孔直接在保護膜加兩張半固化片上完成（如圖2所示），相對于激光直接鉆（LDD）銅箔參數(shù)會有差異，需要在LDD參數(shù)基礎(chǔ)調(diào)整能量，經(jīng)過試驗得出激光參數(shù)相對于常規(guī)LDD 參所需能力會增加，因此激光增加至1.3倍左右。

圖2 激光鉆孔前后疊層

3.3 等離子體除膠的參數(shù)確定

3.3.1 參數(shù)初步確定

等離子體除膠目前常用于高頻高速材料激光鉆孔和機械鉆孔后的殘留樹脂除膠，目前使用導(dǎo)電銅漿制作的產(chǎn)品也均使用了高頻高速的材料，更主要的原因是化學(xué)除膠會導(dǎo)致保護膜剝離、藥水滲入保護膜與半固化片之間，后道工序無法生產(chǎn)制作。

但是在使用高頻高速材料參數(shù)除膠時，會出現(xiàn)板面半固化片和保護膜起皺起翹，與子板剝離，對此需要優(yōu)化等離子體參數(shù)。

高頻高速材料等離子體除膠參數(shù)（見表3所示），溫度為70 ℃以上，功率7000 W以上，使用O2（氧氣）、CF4（四幅甲烷）、N2（氮氣）三種氣體。

表3 初始等離子體參數(shù)設(shè)定

通過以上參數(shù)制作，板面起皺是不能接受的，對此參數(shù)要進行修改再進行試驗，分別從縮短制作時間和降低溫度兩方面更改，實際經(jīng)過試驗后時間縮短至一半以下或者功率減半仍未能解決板面起皺的問題；確定影響板面起皺的主要原因是溫度較高，同時配合除膠后的孔底效果確定最終的除膠參數(shù)，如表4所示。

表4 優(yōu)化后等離子體除膠參數(shù)設(shè)定

運用以上確定的參數(shù)進行樣品制作，確認板面保護膜狀況和孔底除膠效果，結(jié)果均滿足要求。

3.4 導(dǎo)電銅漿印刷工藝制作

印刷的方法試用了普通絲印機和真空塞孔機。本文重點對真空絲印方式做描述。真空絲印機在工作時會將機器腔體內(nèi)部線進行抽真空操作，使腔體內(nèi)部接近真空狀態(tài)，控制腔體內(nèi)的氣壓大小小于150 Pa（1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.01×105Pa），在接近真空狀態(tài)下使用刮刀將導(dǎo)電銅漿壓入盲孔中，此處與真空油墨塞盲孔參數(shù)一致，無須特別控制。完成真空印刷待子板排出后，使用鋼刀在板面上完成一次板面整平，將孔口多余膠量去除，再將保護膜輕輕撕除，撕保護膜過程中防止孔口導(dǎo)電銅漿被帶離。

完成保護膜撕除后將子板的導(dǎo)電銅漿面向上，水平放置，靜置10 min，靜置完成后使用105 ℃，15 min烘烤參數(shù)水平烘烤，讓導(dǎo)電銅漿達到固化的效果即可。

以上關(guān)鍵工序的加工參數(shù)經(jīng)過試驗相對合理，針對以上試驗參數(shù)進行驗證，鞏固工藝穩(wěn)定性，同時評估成品產(chǎn)品的可靠性。

4 工藝的應(yīng)用和可靠性測試

4.1 測試板工藝設(shè)計

應(yīng)用上下兩層通孔+中間導(dǎo)電銅漿盲孔的疊合方式形成導(dǎo)通測試鏈，其中通孔使用樹脂塞孔+電鍍銅填平，測試鏈分別按照不同的孔數(shù)設(shè)計，成品分別對不同孔數(shù)測試鏈測試可靠性，確定該工藝的孔數(shù)能力。

4.2 產(chǎn)品疊構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品疊構(gòu)設(shè)計見圖3所示。

圖3 測試板疊構(gòu)設(shè)計

4.3 產(chǎn)品孔數(shù)設(shè)計

產(chǎn)品孔數(shù)設(shè)計見表5所示。

表5 測試鏈孔數(shù)設(shè)計

4.4 測試目的

（1）使用較短流程試驗導(dǎo)電銅漿流程，考驗流程穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)流程中是否有需要優(yōu)化更新的板塊；（2）電測試方式測量網(wǎng)絡(luò)的通過率；（3）測試導(dǎo)電銅漿盲孔的通過率，從電性能方面檢驗盲孔的導(dǎo)通性；（4）導(dǎo)電銅漿網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過IR（紅外線）再流焊前后電阻值變化范圍。

4.5 試驗結(jié)果

（1）四層測試板全程使用上述導(dǎo)電銅漿流程，對于貼膜參數(shù)、激光鉆孔參數(shù)、印膠方式制作均滿足工藝要求；（2）電測試后排除異常因素，其余網(wǎng)絡(luò)通過率100%，滿足工藝要求；（3）電阻變化測試見圖4所示。

圖4 測試板經(jīng)IR再流焊后電阻變化率

分別經(jīng)過5次和10次IR制作后隨著孔數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)電阻值變化比例也相應(yīng)增加，10次后的電阻值變化基本為5次后的兩倍，以設(shè)計的最多孔數(shù)100孔為例，10次后阻值變化維持在6%以內(nèi)，但經(jīng)過15次IR后電阻值會超過10%，可以確定該工藝可允許經(jīng)過10次IR測試后滿足阻值變化要求。

5 總結(jié)

本文從導(dǎo)電銅漿工藝雛形開始探究，完成了工藝的開發(fā)，實現(xiàn)流暢的工藝設(shè)計；具體到各個小工序的加工參數(shù)，為我公司新工藝、新產(chǎn)品的開發(fā)提供了技術(shù)儲備，為客戶提供了更多的產(chǎn)品、更多流程的選擇空間。使用導(dǎo)電銅漿工藝，將上下不對稱疊構(gòu)二個子板實現(xiàn)互連，可以改善不對稱疊構(gòu)產(chǎn)品的翹曲，也可實現(xiàn)超厚印制板的生產(chǎn)。