由于碳系列直接電鍍系統(tǒng)擁有成本低和易于維護的優(yōu)點，電子制造商選擇其代替化學(xué)沉銅工藝。如今，全球各地有數(shù)百條高產(chǎn)量碳系列直接電鍍生產(chǎn)線。這些系統(tǒng)之所以受歡迎，是因為減少了用水量，減少了廢水產(chǎn)生，減少了設(shè)備占地面積并降低了能源消耗。 除此之外，這些系統(tǒng)不需要鈀等貴金屬來活化，從而可顯著節(jié)約運營成本。

       在最新一代的智能手機技術(shù)中，高密度互連（HDI）技術(shù)朝向更精細(xì)的線寬和線距發(fā)展，從而需要采用超薄銅箔作為整個生產(chǎn)制程的起點。這種超薄銅箔技術(shù)要求在銅互連形成過程中精密控制蝕刻精度。直接電鍍工藝（例如最新一代黑孔化技術(shù)）已開始在3微米的銅箔上進行先進的半加成法生產(chǎn)。

本文將回顧碳系列直接電鍍技術(shù)發(fā)展歷史，包括設(shè)備技術(shù)的新突破，以及如何應(yīng)用于當(dāng)今旗艦手機中設(shè)計極精細(xì)的線寬和線距。

碳系列直接電鍍的歷史

碳系列直接電鍍工藝廣泛應(yīng)用于電路板行業(yè)已有35年之久。工業(yè)中廣泛使用的工藝包括黑孔、日蝕和黑影。最初的黑孔直接電鍍技術(shù)于1984年獲得了專利，并作為電鍍FR-4通孔面板工藝在商業(yè)上取得了成功。

由于黑孔是涂覆工藝，而不是像化學(xué)沉銅那樣的氧化還原工藝，因此該技術(shù)對不同介電材料的表面活性不敏感，可處理金屬化難度高的材料。 因此，這種工藝已廣泛用于撓性電路中的聚酰亞胺薄膜、高性能或特殊材料，如聚四氟乙烯（PTFE）。 碳和石墨的直接電鍍技術(shù)被認(rèn)可用于航天和軍事航空電子應(yīng)用且符合IPC -6012D規(guī)范的 3.2.6.1節(jié)的要求。

電路板的發(fā)展

隨著印制電路板設(shè)計的需要，直接電鍍工藝在過去幾年中不斷發(fā)展。由于微型化的驅(qū)動，由引線元器件發(fā)展到表面貼裝元器件，PCB設(shè)計演變?yōu)橐m應(yīng)具有更多引腳數(shù)的微型元器件，這導(dǎo)致PCB的層數(shù)增加、電路板更厚、通孔直徑更小。為了應(yīng)對高縱橫比的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)線技術(shù)規(guī)范要涉及對微孔進行溶液傳遞交換的改進，如使用超聲波快速潤濕孔和去除氣泡，以及改善風(fēng)刀和烘干機的能力以有效烘干厚電路板上的小孔。

此后，PCB設(shè)計人員進入了下一個階段：盲孔饑渴癥，引腳數(shù)和球柵密度超過了鉆孔和布線可用的板面。 隨著球柵陣列封裝（BGA）的1.27mm至1.00 mm柵格，轉(zhuǎn)向芯片級封裝（CSP）的0.80mm至0.64 mm柵格的，微盲孔已成為設(shè)計人員應(yīng)對HDI技術(shù)挑戰(zhàn)的利器。

1997年，功能手機開始使用1 + N+1設(shè)計進行批量生產(chǎn)；這是在層芯上的疊加層帶有微盲孔的設(shè)計，隨著手機銷售量的增長，通過預(yù)蝕刻開窗和CO2激光、UV、UV-YAG激光和組合UV- CO2激光形成微盲孔。微盲孔允許設(shè)計人員在盲孔下布線，因此可以在不增加層數(shù)的情況下重新分布更多的引腳柵格。HDI目前廣泛應(yīng)用于三個平臺：微型化產(chǎn)品、高階封裝和高性能電子產(chǎn)品。手機設(shè)計中的微型化是當(dāng)前產(chǎn)量最高的應(yīng)用。

直接電鍍

諸如黑孔之類的直接電鍍系統(tǒng)必須克服技術(shù)障礙，以應(yīng)對盲孔和HDI微小孔型的金屬化挑戰(zhàn)。當(dāng)盲孔尺寸縮小之后, 提高了清除盲孔底部碳顆粒的困難度，但是盲孔底部的清潔度有是影響可靠性的關(guān)鍵因子；所以，開發(fā)新的清潔劑和微蝕劑，是改善盲孔底部清潔的方法。

另外，依據(jù)理論以及實務(wù)經(jīng)驗，修改微蝕段的噴管設(shè)計為 噴灑-浸泡-噴灑的配置組合，實踐證明是有效的設(shè)計。減小了噴嘴與電路板表面之間的距離，縮小了噴嘴之間的間距，增加了對電路板的噴灑沖擊力。通過針對細(xì)節(jié)的掌握，新型的噴管設(shè)計可以有效處理高縱橫比的通孔以及盲孔。

隨著下一代智能手機的發(fā)展，制造商開始使用任意層的堆疊盲孔設(shè)計而取消通孔，這引發(fā)了一種趨勢，即隨著線寬和線距從60μm減少到40μm，電路板的制作流程采用的原始銅箔厚度從18μm穩(wěn)定地減少到12μm再到9μm。而任意層線路板的每一個疊加層都需要經(jīng)過一次金屬化和電鍍，這樣子就大幅度增加了濕制程的產(chǎn)能需求量。

智能手機也是撓性和剛撓結(jié)合電路的主要用戶。與傳統(tǒng)的化學(xué)沉銅工藝相比，直接電鍍在任意層、撓性電路板（FPC）和剛撓結(jié)合電路板生產(chǎn)中的應(yīng)用均顯著增加，這是因為該工藝與傳統(tǒng)的化學(xué)銅工藝相比成本更低、用水更少、廢水產(chǎn)生更少（圖1）。

                                               圖1：直接電鍍工藝為制造商帶來了巨大的環(huán)保和經(jīng)濟利益

銅咬蝕量規(guī)格 ：改良型半加成法（mSAP）

現(xiàn)在，最新一代的智能手機和先進的封裝逐漸采用替代型的半加成法（mSAP）。mSAP采用3μm的超薄箔來實現(xiàn)30/30微米的線寬線距設(shè)計。而采用超薄銅箔的生產(chǎn)流程中，需要非常精準(zhǔn)地管控各個制程中的微蝕槽的咬蝕量。特別是對于傳統(tǒng)的化學(xué)沉銅和直接電鍍工藝，必須非常精準(zhǔn)地控制表面銅箔的咬蝕量（圖2）。

                                                    圖2：PCB日益縮小的線寬/線距要求需要嚴(yán)格控制蝕刻深度

MacDermid Alpha公司的設(shè)備團隊和產(chǎn)品專家小組現(xiàn)已成功將碳直接電鍍制程應(yīng)用在最新的領(lǐng)域；最新的、經(jīng)過優(yōu)化的碳直接電鍍生產(chǎn)線被應(yīng)用在3 μm銅箔的mSAP生產(chǎn)流程中。

設(shè)備配置方面的進步

為了優(yōu)化直接電鍍工藝以配合mSAP工藝，在投入全面生產(chǎn)之前，逐步在實驗線上測試幾種不同的設(shè)備設(shè)計。測試結(jié)果顯示，經(jīng)由良好的設(shè)備設(shè)計，可以在一個操作范圍寬條件下提供均勻一致的導(dǎo)電碳涂層。

舉例來說，在碳系列的直接電鍍制程中，采用一種有專利保護的滾輪配置，可以讓碳涂層更趨均勻一致。并且降低生產(chǎn)板板面上的碳沉積量、減少碳懸浮液的帶出量，同時防止盲孔或通孔孔角處出現(xiàn)過厚碳層。

后微蝕槽的設(shè)備規(guī)格也進行了重新設(shè)計。盲孔底部是否100%完全清潔干凈是廠商最在意的品質(zhì)問題。如果在盲孔底部的局部有碳?xì)埩?，在電性測試時是能夠通過測試的，但是因為導(dǎo)通的橫截面面積減小、結(jié)合力也縮小，導(dǎo)致在組裝過程中因未受熱應(yīng)力沖擊而出現(xiàn)斷裂失效的問題。 隨著盲孔直徑從傳統(tǒng)的100微米至150微米減小到80微米至60微米，升級微蝕槽的設(shè)備規(guī)格對于產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。

通過測試研究修改微蝕槽的設(shè)備規(guī)格提升制程能力來達(dá)到完全清除盲孔底部的的碳?xì)埩?，目前已?yīng)用于量產(chǎn)線。第一個主要改進包括使用雙蝕槽來提供更精密的咬蝕量控制。第一階段去除銅表面的大部分碳，第二階段采用新鮮干凈的微蝕液，避免碳顆粒能會再重新返沾到量產(chǎn)板板面。第二階段同時采用了減銅線的技術(shù)，大幅度度地提高線路板板面上的微蝕量的均勻性。

減少電路板板面咬蝕量的變異值，有助于精準(zhǔn)地控制盲孔底部的總蝕刻量，咬蝕量的變異值是由化學(xué)濃度、噴管設(shè)計和噴灑壓力參數(shù)嚴(yán)格控制（圖3）。

                                  圖3：通過設(shè)備和化學(xué)改進的均勻蝕刻控制可以完全去除目標(biāo)焊盤中的碳?xì)埩?/span>

化學(xué)品改進

在化學(xué)品改進方面，對傳統(tǒng)的清潔整孔劑和微蝕藥水進行了測試和修改，同時考慮控制咬蝕能力。清潔劑中的有機添加劑，選擇性地只有沉積在銅表面，不會沉積在樹脂材料上。所以，碳顆粒也只會沉積在這一特殊的有機涂層上。當(dāng)線路板進入微蝕槽時，有機涂層在酸性藥水中有很高的溶解性，所以，通過微蝕槽中的酸移除有機涂層，同時側(cè)蝕碳顆粒底下的銅面，可以加速清除同面上的碳顆粒。

另一個改善項目是，采用雙組分的微蝕刻，可以提高去除碳顆粒的能力并且降低銅箔表面的微粗糙度。讓銅表面的粗糙度有利于干膜附著。測試結(jié)果顯示，相對平滑的盲孔底部有助于提高電鍍同在盲孔底部可靠性。經(jīng)過優(yōu)化的碳系列直接電鍍制程之后，盲孔底部的銅箔已經(jīng)完全干凈，可以讓電鍍銅依附銅箔上的銅晶格持續(xù)成長而達(dá)到最佳的鍍層結(jié)合力（圖4）。

                               圖4：微蝕模塊已被證明是提高直接電鍍工藝中盲孔可靠性的關(guān)鍵

關(guān)鍵工藝槽和化學(xué)品的特定改進相結(jié)合，構(gòu)成適用于采用超薄銅箔生產(chǎn)的先進HDI / mSAP流程。通過銅-銅直接鍵合的單一界面，形成連續(xù)的金屬晶格，提高了盲孔的可靠性。微蝕槽的處理讓盲孔底部銅箔形成的理想的微粗糙度，當(dāng)作填孔電鍍銅基底。這促進了盲孔底部上電鍍銅的晶格沿著銅箔的晶格持續(xù)成長。經(jīng)過正常的高溫?zé)崽幚碇?，銅晶粒出現(xiàn)晶格重組排列而形成了完整的連續(xù)向的金屬晶格。

采用FIB切割樣品形成薄片觀察分析顯示，界面線在晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)上是均勻的（圖5），在熱沖擊或熱循環(huán)之后，盲孔底部的銅箔和電鍍銅之間的界線很難找到，沒有其他制程容易出現(xiàn)的Nano-void，除非是由于氧化或污染等因素造成的。

圖5：電鍍銅層和目標(biāo)焊盤之間界面的聚焦離子束（FIB）成像，領(lǐng)先的直接電鍍技術(shù)可使強銅-銅鍵合在熱應(yīng)力下表現(xiàn)優(yōu)異

全速前進

直接電鍍生產(chǎn)線，如“黑孔”，目前已經(jīng)用于3微米超薄銅箔的替代型半加成（mSAP）的量產(chǎn)流程上了。這些系統(tǒng)在批量生產(chǎn)中使用精準(zhǔn)控制微蝕量的相關(guān)設(shè)備，用這種設(shè)備生產(chǎn)的12層任意層電路板已通過了300 Cycle的IST測試。在上述產(chǎn)品中，黑孔應(yīng)用在采用mSAP流程的L2/10和 L3/11，盲孔的尺寸為80~100 x 45μm，每片線路板含有200萬個盲孔。

在制程中使用AOI檢查是否有碳?xì)埩粑?。檢驗結(jié)果顯示在5,000 PSM/月的產(chǎn)量中，沒有檢測到任何缺陷。這些電路板的電鍍是在垂直連續(xù)電鍍（VCP）生產(chǎn)線上完成的；內(nèi)層采用Tent-Etch流程的全板電鍍，而mSAP層必然是采用圖形電鍍。圖6中的電子背向散射衍射（EBSD）圖像顯示了目標(biāo)焊盤和電鍍銅層之間的界面處晶粒尺寸的均勻性。

                                   圖6：盲孔和目標(biāo)焊盤橫截面的電子背向散射衍射（EBSD）晶粒結(jié)構(gòu)

備注：電路板在260°C下進行熱處理，然后在170°C下循環(huán)300個周期，平均晶粒尺寸為3.12微米。

隨著微型化元器件要求更多引腳數(shù)且更小封裝，PCB基板發(fā)展需要應(yīng)對密度增加的挑戰(zhàn)。盲孔已成為HDI設(shè)計的代名詞。隨著PCB設(shè)計從通孔發(fā)展到HDI設(shè)計（如任意層和mSAP技術(shù)）的變化，為了與行業(yè)的發(fā)展保持同步，直接電鍍技術(shù)已在化學(xué)和設(shè)備配置方面取得了一定的進步。

目前，最先進的高階直接電鍍系統(tǒng)正在為最新一代移動裝置平臺的PCB制造商提供競爭所需的可靠性和性能。在新的領(lǐng)域，例如利用撓性和剛撓結(jié)合電路，或新混合材料的領(lǐng)域，碳系列直接電鍍技術(shù)為尋求擴大其電鍍能力的制造商提供了一種經(jīng)濟高效的技術(shù)解決方案。

                                                                                                                                                  此文章內(nèi)容來自電子時代