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陳苑明1，何為1，黃志遠2，黃同彬2，王偉2，朱萌1，王澤宇1
(1.電子科技大學微電子與固體電子學院，四川成都610054;2.銅陵市超遠精密電子科技有限公司，安徽銅陵244000)
摘要:應用電鍍式半加成法制作精細線路，分別比較了HCl-CuCl2蝕刻溶液與H2SO4-H2 O2微蝕溶液的蝕刻線路、銅箔厚度、直流電鍍和脈沖電鍍對精細線路制作質量的影響。結果表明，電鍍式半加成法結合H2SO4-H2 O2微蝕溶液、超薄銅箔與脈沖電鍍可制作鍍層厚度均勻、蝕刻效果優(yōu)良與耐彎折性能的精細線路。當線寬和線距均為30μm時，電鍍式半加成法制作的精細線路質量良好，因此電鍍式半加成法可適用于多層印制電路、撓性印制電路與剛撓印制電路等精細線路的制作。
關鍵詞:印制板;半加成法;精細線路;蝕刻;脈沖電鍍
中圖分類號:TN41;TQ153文獻標識碼:A
文章編號:1001-3849(2012)07-0005-04
引言
電子產(chǎn)品趨向于小型化與多功能化發(fā)展，出現(xiàn)了超高速、高放熱、多端子及窄節(jié)目距的高密度集成電路(IC)[1-2]。IC芯片的I/O端數(shù)目持續(xù)增多與密度不斷加大，要實現(xiàn)IC芯片的高速工作功能，其信號經(jīng)由印制板(PCB)傳輸實現(xiàn)，精細線路是IC芯片與PCB匹配封裝的媒介。采用傳統(tǒng)減成法制作PCB[3]，該方法利用干膜、液態(tài)光致抗蝕劑或金屬抗蝕劑[4]在銅箔表面形成一層線路圖形的抗蝕層，由于精細線路線寬和線距很小(≤50μm)，容易發(fā)生線路圖形曝光不良，線路出現(xiàn)過蝕刻現(xiàn)象而導致精細線路斷開失效;激光直接成像技術[5-6]在一定程度上降低曝光不良現(xiàn)象，但是過蝕刻問題沒有得到有效改進;而激光蝕刻法[7]制作的線路較精細，優(yōu)良率高，但成本高。加成法與半加成法可有效滿足PCB精細線路的制作[8]。加成法制作PCB是用化學鍍銅直接形成電路圖形與孔金屬化層，此方法在多層電路制作過程中，由于鍍銅厚度與孔金屬化所持續(xù)的時間差異容易引發(fā)孔金屬化問題[9];而加成法制作封裝基板采用噴濺的方法形成電路圖形或銅柱，但制作成本高。加成法的另一發(fā)展趨勢是噴墨打印技術[10-11]，但是這種技術尚未成熟，銅層線路厚度不均性，線路邊緣矩齒嚴重。半加成法是利用電鍍銅方法加厚無抗蝕劑保護的銅箔區(qū)域，抗蝕劑去除后未加厚的銅箔區(qū)域更容易被蝕刻液完全蝕刻，加厚的銅箔區(qū)域最終保留而形成線路圖形，該法是一種結合電鍍加成與快速蝕刻的方法，消除了減成法過蝕刻現(xiàn)象，避免了加成法鍍銅層引發(fā)孔金屬化問題。
應用電鍍式半加成制作精細線路，分別比較了HCl-CuCl2蝕刻與H2 SO4-H2 O2微蝕溶液蝕刻、銅箔厚度、直流電鍍和脈沖電鍍對精細線路質量的影響，用金相顯微鏡觀察精細線路切片的精細線路效果，并用高速彎折強度測試儀分別考察直流電鍍和脈沖電鍍銅層制作精細線路的彎折強度。
1·電鍍式半加成法工藝過程
電鍍式半加成法的原理是利用圖形電鍍增加精細線路的厚度[12]，而未電鍍加厚非線路區(qū)域在差分蝕刻過程則快速全部蝕刻，剩下的部分保留下來形成線路，如圖1所示。通過控制圖形電鍍的時間，半加成法制作精細線路的δ約為30μm[13]。
2·實驗
2.1實驗材料與儀器
材料為FX930型15μm厚感光干膜(杜邦公司)，LS-FLEXS2型銅箔δ為2μm與LS-FLEXS8型銅箔δ為8μm的撓性覆銅箔層壓板(LS Cable公司)，HCl-CuCl2蝕刻溶液，H2SO4-H2 O2微蝕溶液。
儀器為UVE-M552型平行曝光機(臺灣志勝公司)，電鍍生產(chǎn)線，噴淋式蝕刻線，浸入式蝕刻線，TH-5502型高速彎折強度測試儀(上海軒曦精密儀器)，ASIDA-YM22型雙盤研磨機(廣東正業(yè)公司)，ME-600型金相顯微鏡(日本Nikon公司)，JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)。
2.2實驗步驟
2.2.1制作精細線路的工藝過程
選用銅箔δ為2μm的撓性覆銅箔層壓板，進行除油、微蝕表面處理，銅箔熱壓貼覆干膜后放置15 min，用線寬和線距均為50μm的照相底版覆蓋干膜表面，在曝光能量為250mJ/cm2平行曝光機完成曝光過程，放置15min后顯影。顯影后的銅箔在Jκ為1.6A/dm2下圖形電鍍50min，去除余下的干膜后分別使用HCl-CuCl2蝕刻溶液與H2SO4-H2O2微蝕溶液蝕刻完成精細線路的制作，精細線路制作成切片并用金相顯微鏡觀察兩種蝕刻液對精細線路質量的影響。
2.2.2銅箔厚度對精細線路的影響
撓性覆銅箔層壓板在銅箔與介質材料間有約200 nm的Ni/Cr合金層，它主要起中間粘接層的作用，增強銅層和介質材料的結合力，撓性覆銅箔層壓板結構示意圖如圖2所示。
選用銅箔δ為2μm與8μm的撓性覆銅箔層壓板按照2.2.1的工藝過程制作精細線路，蝕刻選用H2 SO4-H2 O2微蝕溶液，分別控制2μm銅箔的蝕刻t為125s，8μm銅箔的蝕刻t為480s。精細線路制作成切片并用金相顯微鏡觀察銅箔厚度對精細線路質量的影響。
2.2.3直流電鍍和脈沖電鍍的比較
半加成法制作的精細線路，線路銅層厚度通過電鍍銅形成，電鍍銅層的質量直接決定了最終線路的質量[14]。選用銅箔δ為2μm的撓性覆銅箔層壓板按照2.2.1的工藝過程制作精細線路，電鍍銅分別選擇Jκ為1.6A/dm2的直流電鍍30min與正向J為2A/dm2、反向J為-4A/dm2、t正向∶t反向為20ms∶1 ms脈沖電鍍20 min，電鍍后銅箔平均δ為14μm。電鍍后的銅箔經(jīng)H2SO4-H2O2微蝕后，精細線路制作成切片，并用金相顯微鏡觀察銅箔厚度的均勻性，用高速彎折強度測試儀考察銅層的彎折強度。
2.2.4 30μm精細線路的制作
采用2μm的撓性覆銅箔層壓板依照2.2.3的工藝過程制作線寬和線距為30μm精細線路，電鍍銅選用脈沖電鍍。分別用金相顯微鏡與掃描電子顯微鏡(SEM)觀察半加成法制作精細線路的效果。
3·結果分析與討論
3.1不同蝕刻溶液蝕刻精細線路效果
半加成法應用于δ為2μm銅箔制作50μm的線路，在圖像電鍍銅后、蝕刻前線路的截面圖如圖3所示。直接在銅箔表面鍍銅最終形成銅精線圈線路，線路銅δ達到21.53μm以上，由于電鍍過程鍍液在銅箔各區(qū)域的濃度不均勻導致線路產(chǎn)生輕微的線寬差距，基本能滿足50μm范圍波動;同時在設計照相底片的過程中，精細線路部分的圖形會作出加寬補償，防止線路出現(xiàn)過蝕刻現(xiàn)象，因此可以觀察到線路和線寬不完全滿足50μm，甚至出現(xiàn)線寬大于線路的情形。
分別采用HCl-CuCl2和H2SO4-H2O2微蝕液蝕刻后，形成精細線路效果比較如圖4、圖5所示。結果表明，HCl-CuCl2溶液的蝕刻速率太快，操作中工藝控制困難，同時劇烈的蝕刻造成嚴重的過蝕刻(蝕刻因子大)，線路厚度方向出現(xiàn)底寬頂寬，線路外形被完全破壞，因此HCl-CuCl2蝕刻溶液不適用于半加成法。而H2SO4-H2O2溶液微蝕表現(xiàn)出較慢的蝕刻速率與溫和的蝕刻效果，可通過調節(jié)蝕刻時間控制蝕刻程度，是半加成法優(yōu)良蝕刻溶液。
3.2不同底銅厚度的精細線路效果
分別采用銅δ為2μm和8μm銅箔通過半加成法制作50μm線路，蝕刻后銅箔各自形成的線路截面，8μm銅箔制作精細線路截面如圖6所示。底銅δ為8μm的銅箔由于底銅相對較厚，蝕刻時間有所增加，圖6(b)顯示，蝕刻時間的增加導致過蝕刻現(xiàn)象嚴重。在半加成法的差分蝕刻工藝中，精細線路部分沒有抗蝕層保護，線路和底銅一同進入蝕刻液中且發(fā)生蝕刻反應。差分蝕刻的關鍵是用極短的蝕刻時間去除底銅，最大限度的保護電鍍出的線路的矩形結構不受破壞。底銅過厚，需要較長的蝕刻時間才能將底銅完全去除，使電鍍形成的線路部分受到過度蝕刻和嚴重的側蝕，從而破壞線路的矩形結構，線路的厚度也被嚴重減薄，考慮生產(chǎn)效率優(yōu)先的情況下，選擇越薄的銅厚銅箔制作精細線路效果越好，故半加成法工藝制作精細線路應選擇5μm以下的超薄銅箔。
3.3電鍍電源對鍍層厚度的影響
由于直流電鍍電流密度分布不均，板邊緣電流密度較大，板中央電流密度較小，造成鍍層厚度不均，中間薄，邊緣厚;脈沖電鍍可以消除鍍液極化造成的鍍層不均勻性[15]。半加成法中鍍層厚度不均勻會造成最后形成的線路高低不平，影響IC與基板的鍵合。經(jīng)采用不同電源電鍍銅層，用金相顯微鏡觀察25個測量點的精細線路厚度，結果表明，直流電鍍銅鍍層平均δ為14μm，最大與最小點的厚度差為7μm，脈沖電鍍δ則為14μm，最大與最小點的厚度差為2μm。脈沖電鍍能有效的消除電流密度分布不均的影響，而且促使鍍層晶粒細化，提高鍍層純度，降低鍍層孔隙率，改善鍍層厚度的均勻性，使鍍層有優(yōu)良的物理化學性能，因此脈沖電鍍適用半加成法制作精細線路。
3.4電鍍電源對精細線路彎折強度的影響
采用直流電鍍和脈沖電鍍的方法鍍銅，鍍層都是14μm。經(jīng)兩種電鍍條件處理后，鍍銅層經(jīng)高速彎折強度測試儀測試，當銅箔兩端出現(xiàn)明顯的電阻增大時即為彎折強度，測試結果列于表1。由表1結果可以看出，脈沖電鍍鍍銅層的彎折強度比直流電鍍高26%。半加成法中使用的基材銅δ僅有2μm，線路的主體由電鍍銅層構成，提高鍍銅層的彎折強度也就是提高了線路的彎折強度。因此脈沖電鍍可以滿足彎折性能優(yōu)良的精細線路的要求。表1直流電鍍和脈沖電鍍鍍層的彎折強度(單位:次)
3.5 30μm精細線路的效果
當線寬和線距均減少到30μm，精細線路的橫截面效果接矩形，蝕刻系數(shù)小，精細線路蝕刻后的線路截面如圖7所示。精細線路效果未因線寬和線距的減少而產(chǎn)生不良外形，半加成法避免了減成法中嚴重側蝕問題。
圖8是30μm線路的SEM照片，精細線路表現(xiàn)出平直均勻的效果。因此，可知半加成法能有效抑制側蝕問題而保持精細線路良好的外形效果。另外，半加成法還可通過控制電鍍時間或電流密度調節(jié)線路厚度以符合線路阻抗的要求。
4·結論
電子產(chǎn)品的微型高速化發(fā)展促使PCB集成高密度化與線路精細化。應用電鍍式半加成制作精細線路，分別比較HCl-CuCl2蝕刻與H2SO4-H2O2微蝕蝕刻線路、銅箔厚度、直流電鍍和脈沖電鍍對精細線路制作質量的影響。結果表明，H2SO4-H2 O2微蝕溶液蝕刻溫和而滿足精細線路蝕刻要求;5μm以下的超薄銅箔經(jīng)差分蝕刻不易產(chǎn)生底銅殘留而產(chǎn)生精細線路間的短路;脈沖電鍍能消除鍍液濃差極化，提高鍍層均勻性與耐彎折強度。當線寬和線距均減少到30μm時，電鍍式半加成法制作的精細線路質量良好，因此電鍍式半加成法可適用于多層印制電路、撓性印制電路與剛撓印制電路等精細線路的制作。
參考文獻：略
