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电镀式半加成法制作精细线路的研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-12-04  浏览次数:1198
核心提示:应用电镀式半加成法制作精细线路,分别比较了HCl-CuCl2蚀刻溶液与H2SO4-H2 O2微蚀溶液的蚀刻线路、铜箔厚度、直流电镀和脉冲电镀对精细线路制作质量的影响。

电镀式半加成法制作精细线路的研究

陈苑明1,何为1,黄志远2,黄同彬2,王伟2,朱萌1,王泽宇1

(1.电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;2.铜陵市超远精密电子科技有限公司,安徽铜陵244000)

摘要:应用电镀式半加成法制作精细线路,分别比较了HCl-CuCl2蚀刻溶液与H2SO4-H2 O2微蚀溶液的蚀刻线路、铜箔厚度、直流电镀和脉冲电镀对精细线路制作质量的影响。结果表明,电镀式半加成法结合H2SO4-H2 O2微蚀溶液、超薄铜箔与脉冲电镀可制作镀层厚度均匀、蚀刻效果优良与耐弯折性能的精细线路。当线宽和线距均为30μm时,电镀式半加成法制作的精细线路质量良好,因此电镀式半加成法可适用于多层印制电路、挠性印制电路与刚挠印制电路等精细线路的制作。

关键词:印制板;半加成法;精细线路;蚀刻;脉冲电镀

中图分类号:TN41;TQ153文献标识码:A

文章编号:1001-3849(2012)07-0005-04

引言

电子产品趋向于小型化与多功能化发展,出现了超高速、高放热、多端子及窄节目距的高密度集成电路(IC)[1-2]。IC芯片的I/O端数目持续增多与密度不断加大,要实现IC芯片的高速工作功能,其信号经由印制板(PCB)传输实现,精细线路是IC芯片与PCB匹配封装的媒介。采用传统减成法制作PCB[3],该方法利用干膜、液态光致抗蚀剂或金属抗蚀剂[4]在铜箔表面形成一层线路图形的抗蚀层,由于精细线路线宽和线距很小(≤50μm),容易发生线路图形曝光不良,线路出现过蚀刻现象而导致精细线路断开失效;激光直接成像技术[5-6]在一定程度上降低曝光不良现象,但是过蚀刻问题没有得到有效改进;而激光蚀刻法[7]制作的线路较精细,优良率高,但成本高。加成法与半加成法可有效满足PCB精细线路的制作[8]。加成法制作PCB是用化学镀铜直接形成电路图形与孔金属化层,此方法在多层电路制作过程中,由于镀铜厚度与孔金属化所持续的时间差异容易引发孔金属化问题[9];而加成法制作封装基板采用喷溅的方法形成电路图形或铜柱,但制作成本高。加成法的另一发展趋势是喷墨打印技术[10-11],但是这种技术尚未成熟,铜层线路厚度不均性,线路边缘矩齿严重。半加成法是利用电镀铜方法加厚无抗蚀剂保护的铜箔区域,抗蚀剂去除后未加厚的铜箔区域更容易被蚀刻液完全蚀刻,加厚的铜箔区域最终保留而形成线路图形,该法是一种结合电镀加成与快速蚀刻的方法,消除了减成法过蚀刻现象,避免了加成法镀铜层引发孔金属化问题。

应用电镀式半加成制作精细线路,分别比较了HCl-CuCl2蚀刻与H2 SO4-H2 O2微蚀溶液蚀刻、铜箔厚度、直流电镀和脉冲电镀对精细线路质量的影响,用金相显微镜观察精细线路切片的精细线路效果,并用高速弯折强度测试仪分别考察直流电镀和脉冲电镀铜层制作精细线路的弯折强度。

1·电镀式半加成法工艺过程

电镀式半加成法的原理是利用图形电镀增加精细线路的厚度[12],而未电镀加厚非线路区域在差分蚀刻过程则快速全部蚀刻,剩下的部分保留下来形成线路,如图1所示。通过控制图形电镀的时间,半加成法制作精细线路的δ约为30μm[13]。

 


 

2·实验

2.1实验材料与仪器

材料为FX930型15μm厚感光干膜(杜邦公司),LS-FLEXS2型铜箔δ为2μm与LS-FLEXS8型铜箔δ为8μm的挠性覆铜箔层压板(LS Cable公司),HCl-CuCl2蚀刻溶液,H2SO4-H2 O2微蚀溶液。

仪器为UVE-M552型平行曝光机(台湾志胜公司),电镀生产线,喷淋式蚀刻线,浸入式蚀刻线,TH-5502型高速弯折强度测试仪(上海轩曦精密仪器),ASIDA-YM22型双盘研磨机(广东正业公司),ME-600型金相显微镜(日本Nikon公司),JSM-6490LV型扫描电子显微镜(日本JEOL公司)。

2.2实验步骤

2.2.1制作精细线路的工艺过程

选用铜箔δ为2μm的挠性覆铜箔层压板,进行除油、微蚀表面处理,铜箔热压贴覆干膜后放置15 min,用线宽和线距均为50μm的照相底版覆盖干膜表面,在曝光能量为250mJ/cm2平行曝光机完成曝光过程,放置15min后显影。显影后的铜箔在Jκ为1.6A/dm2下图形电镀50min,去除余下的干膜后分别使用HCl-CuCl2蚀刻溶液与H2SO4-H2O2微蚀溶液蚀刻完成精细线路的制作,精细线路制作成切片并用金相显微镜观察两种蚀刻液对精细线路质量的影响。

2.2.2铜箔厚度对精细线路的影响

挠性覆铜箔层压板在铜箔与介质材料间有约200 nm的Ni/Cr合金层,它主要起中间粘接层的作用,增强铜层和介质材料的结合力,挠性覆铜箔层压板结构示意图如图2所示。

 


 

选用铜箔δ为2μm与8μm的挠性覆铜箔层压板按照2.2.1的工艺过程制作精细线路,蚀刻选用H2 SO4-H2 O2微蚀溶液,分别控制2μm铜箔的蚀刻t为125s,8μm铜箔的蚀刻t为480s。精细线路制作成切片并用金相显微镜观察铜箔厚度对精细线路质量的影响。

2.2.3直流电镀和脉冲电镀的比较

半加成法制作的精细线路,线路铜层厚度通过电镀铜形成,电镀铜层的质量直接决定了最终线路的质量[14]。选用铜箔δ为2μm的挠性覆铜箔层压板按照2.2.1的工艺过程制作精细线路,电镀铜分别选择Jκ为1.6A/dm2的直流电镀30min与正向J为2A/dm2、反向J为-4A/dm2、t正向∶t反向为20ms∶1 ms脉冲电镀20 min,电镀后铜箔平均δ为14μm。电镀后的铜箔经H2SO4-H2O2微蚀后,精细线路制作成切片,并用金相显微镜观察铜箔厚度的均匀性,用高速弯折强度测试仪考察铜层的弯折强度。

2.2.4 30μm精细线路的制作

采用2μm的挠性覆铜箔层压板依照2.2.3的工艺过程制作线宽和线距为30μm精细线路,电镀铜选用脉冲电镀。分别用金相显微镜与扫描电子显微镜(SEM)观察半加成法制作精细线路的效果。

3·结果分析与讨论

3.1不同蚀刻溶液蚀刻精细线路效果

半加成法应用于δ为2μm铜箔制作50μm的线路,在图像电镀铜后、蚀刻前线路的截面图如图3所示。直接在铜箔表面镀铜最终形成铜精线圈线路,线路铜δ达到21.53μm以上,由于电镀过程镀液在铜箔各区域的浓度不均匀导致线路产生轻微的线宽差距,基本能满足50μm范围波动;同时在设计照相底片的过程中,精细线路部分的图形会作出加宽补偿,防止线路出现过蚀刻现象,因此可以观察到线路和线宽不完全满足50μm,甚至出现线宽大于线路的情形。

 


 

分别采用HCl-CuCl2和H2SO4-H2O2微蚀液蚀刻后,形成精细线路效果比较如图4、图5所示。结果表明,HCl-CuCl2溶液的蚀刻速率太快,操作中工艺控制困难,同时剧烈的蚀刻造成严重的过蚀刻(蚀刻因子大),线路厚度方向出现底宽顶宽,线路外形被完全破坏,因此HCl-CuCl2蚀刻溶液不适用于半加成法。而H2SO4-H2O2溶液微蚀表现出较慢的蚀刻速率与温和的蚀刻效果,可通过调节蚀刻时间控制蚀刻程度,是半加成法优良蚀刻溶液。

 


 

3.2不同底铜厚度的精细线路效果

分别采用铜δ为2μm和8μm铜箔通过半加成法制作50μm线路,蚀刻后铜箔各自形成的线路截面,8μm铜箔制作精细线路截面如图6所示。底铜δ为8μm的铜箔由于底铜相对较厚,蚀刻时间有所增加,图6(b)显示,蚀刻时间的增加导致过蚀刻现象严重。在半加成法的差分蚀刻工艺中,精细线路部分没有抗蚀层保护,线路和底铜一同进入蚀刻液中且发生蚀刻反应。差分蚀刻的关键是用极短的蚀刻时间去除底铜,最大限度的保护电镀出的线路的矩形结构不受破坏。底铜过厚,需要较长的蚀刻时间才能将底铜完全去除,使电镀形成的线路部分受到过度蚀刻和严重的侧蚀,从而破坏线路的矩形结构,线路的厚度也被严重减薄,考虑生产效率优先的情况下,选择越薄的铜厚铜箔制作精细线路效果越好,故半加成法工艺制作精细线路应选择5μm以下的超薄铜箔。

 


 

3.3电镀电源对镀层厚度的影响

由于直流电镀电流密度分布不均,板边缘电流密度较大,板中央电流密度较小,造成镀层厚度不均,中间薄,边缘厚;脉冲电镀可以消除镀液极化造成的镀层不均匀性[15]。半加成法中镀层厚度不均匀会造成最后形成的线路高低不平,影响IC与基板的键合。经采用不同电源电镀铜层,用金相显微镜观察25个测量点的精细线路厚度,结果表明,直流电镀铜镀层平均δ为14μm,最大与最小点的厚度差为7μm,脉冲电镀δ则为14μm,最大与最小点的厚度差为2μm。脉冲电镀能有效的消除电流密度分布不均的影响,而且促使镀层晶粒细化,提高镀层纯度,降低镀层孔隙率,改善镀层厚度的均匀性,使镀层有优良的物理化学性能,因此脉冲电镀适用半加成法制作精细线路。

3.4电镀电源对精细线路弯折强度的影响

采用直流电镀和脉冲电镀的方法镀铜,镀层都是14μm。经两种电镀条件处理后,镀铜层经高速弯折强度测试仪测试,当铜箔两端出现明显的电阻增大时即为弯折强度,测试结果列于表1。由表1结果可以看出,脉冲电镀镀铜层的弯折强度比直流电镀高26%。半加成法中使用的基材铜δ仅有2μm,线路的主体由电镀铜层构成,提高镀铜层的弯折强度也就是提高了线路的弯折强度。因此脉冲电镀可以满足弯折性能优良的精细线路的要求。表1直流电镀和脉冲电镀镀层的弯折强度(单位:次)

 


 

3.5 30μm精细线路的效果

当线宽和线距均减少到30μm,精细线路的横截面效果接矩形,蚀刻系数小,精细线路蚀刻后的线路截面如图7所示。精细线路效果未因线宽和线距的减少而产生不良外形,半加成法避免了减成法中严重侧蚀问题。

 


 

图8是30μm线路的SEM照片,精细线路表现出平直均匀的效果。因此,可知半加成法能有效抑制侧蚀问题而保持精细线路良好的外形效果。另外,半加成法还可通过控制电镀时间或电流密度调节线路厚度以符合线路阻抗的要求。

 


 

4·结论

电子产品的微型高速化发展促使PCB集成高密度化与线路精细化。应用电镀式半加成制作精细线路,分别比较HCl-CuCl2蚀刻与H2SO4-H2O2微蚀蚀刻线路、铜箔厚度、直流电镀和脉冲电镀对精细线路制作质量的影响。结果表明,H2SO4-H2 O2微蚀溶液蚀刻温和而满足精细线路蚀刻要求;5μm以下的超薄铜箔经差分蚀刻不易产生底铜残留而产生精细线路间的短路;脉冲电镀能消除镀液浓差极化,提高镀层均匀性与耐弯折强度。当线宽和线距均减少到30μm时,电镀式半加成法制作的精细线路质量良好,因此电镀式半加成法可适用于多层印制电路、挠性印制电路与刚挠印制电路等精细线路的制作。

参考文献:略


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