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采用RCC与化学蚀刻法制作HDI印制板

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本文阐述了RCC材料与化学蚀刻法制作高密度互连印制板的工序和详细方法,意在探寻最为经济、简单而又行之有效的工艺

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采用RCC与化学蚀刻法制作高密度互连印制板   摘 要:本文阐述了RCC材料与化学蚀刻法制作高密度互连印制板的工序和详细方法,意在探寻最为经济、简单而又行之有效的工艺。  关键字:RCC材料 盲孔 化学蚀刻法       一、综 述      随着IT行业日新月异的变化,电子产品问着轻、薄、短、小型化发展,相应的印制板也面临高精度、细线化、高密度的挑战。全球市场印制板的趋势是在高密度互连产品中引入盲、埋孔,从而更有效的节省空间,使线宽、线间距更细更窄。而相应的为适应积层法和微细孔技术而发展的RCC材料(涂树脂铜箔Resin Coated Copper Foil,缩写RCC)也日益成熟。      1.1 RCC简介      RCC是由表面经粗化、耐热、防氧化等处理的铜箔和B阶段树脂组成的,其结构如图1所示:铜箔(9-18μm)树脂层(60-100μm) :涂树脂铜箔的结构 RCC的树脂层,应具备与FR-4粘结片(Prepreg)相同的工艺性。此外还要满足积层法多层板的有关性能要求,如:     (1)高绝缘可靠性和微导通孔可靠性;     (2)高玻璃化转变温度(Tg);     (3)低介电常数和低吸水率;     (4)对铜箔有较高的粘和强度;     (5)固化后绝缘层厚度均匀。     同时,因为RCC是一种无玻璃纤维的新型产品,有利于激光、等离子体的蚀孔处理,有利于多层板的轻量化和薄型化。另外,涂树脂铜箔具有12μm,18μm等薄铜箔,容易加工。       1.2盲孔的形成      1)传统的机械钻孔工艺已不能满足微细孔的生产,如数控钻床批量钻孔最小孔径为 0.1--0.3mm,而且钻盲孔要求刀具在2轴方向具有很高的精确度,才能确保刚好将环氧层钻透,而又不破坏下一层的铜箔。而现实由于钻床台面的平整度、印制板的翘曲度等因素,不能严格保证机械钻盲孔分厘不差,只能控制钻头深度在±50μm(2mil),这远远不能满足盲孔生产的需要。      对于钻头深度控制的突破性构思[1]是电场传感器(EFS即Electric Field Sensor)的应用,钻头就像天线能探测信号,当钻头接触到金属表面(如板子的铜表面)指定的信号就戏剧性的改变,这样控制的深度为±5μm(0.2mil),可以达到制造盲孔的要求。将这一构思与传统钻孔工艺相结合,解决了2轴方向深度控制问题,但微细孔(小于0.3mm),的形成,问题依然存在。      2) 现代的激光蚀孔技术在埋、盲孔制作方面有着独特的优势[2]。激光钻孔之所以能除去被加工部分的材料,主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀。PCB,钻孔用的激光器主要有FR激发的气体C02激光器和UV固态Na:VAG激光器两种。激光钻孔速度虽快,但是和转轴钻孔(spindle drillng)相比,因为钻孔时板是单块而不是叠层放置,所以钻孔成本相对高许多。      3) 等离子蚀孔,首先是在覆铜板上的铜箔上蚀刻出窗孔,露出下面的介质层,然后放置在等离子的真空腔中,通入介质气体如CF4/H2/02/He/Ar,在超高频射频电源作用下气体被电离成活性很强的自由基,与高分子反应起到蚀孔的作用。它的优点是所有导通孔一次加工并且不留残渣,问题是处理时间较长,且成本高不适于大批量生产。       二、化学蚀刻法      化学蚀刻法在涂树脂铜箔上制作盲孔是一项低成本而又行之有效的工艺方法。化学蚀刻法是在覆铜板表面做抗蚀层(干膜或湿膜),用只含盲孔孔位的底版曝光/显影/蚀刻铜,去掉孔表面的铜形成裸窗口,露出介质层树脂。然后用加热的浓硫酸喷射到裸窗口上,腐蚀掉树脂,形成盲孔。 RCC铜箔 RCC树脂抗蚀层湿膜或干膜化学蚀刻法腐蚀铜窗口去掉抗蚀层浓H2SO4去除树脂介质孔金属化现以一宽带网卡的积层式6层板为例介绍工艺流程(要求:6层板,1-2层含盲孔, 5-6层含盲孔,板厚0.8mm以下。)      生产流程:   下料(芯板2/3层,4/5层,)→制作内层板一内层层压(2/3,4/5层)→向两方向压外层(涂树脂铜箔) (1/6层)→外层盲孔图形转移(1、6层盲孔)→腐蚀盲孔位置上与盲孔直径一致的铜箔,裸露介质树脂→浓硫酸喷射去除环氧介质形成盲孔→钻通孔→前处理→沉铜(平板电镀)→外层图形转移→电镀→蚀刻→印阻焊→热风整平或其它可焊性保护层→铣外形→通断测试→检验→包装。  HDI技术简介 HDI电路板定义 HDI电路板的定义是指孔径在6mil以下,孔环之环径(Hole Pad)在0.25mm以下者的微导孔(Microvia),接点密度在130点/平方吋以上,布线密度于117吋/平方吋以上,其线宽/间距为3mil/3mil以下的印刷电路板者。一般来说以HDI电路板有以下几项优点: 1.可降低PCB成本:当PCB的密度增加超过八层板后,以HDI来制造,其成本将较传统复杂的压合制程来得低。 2.增加线路密度:传统电路板与零件的互连,必须经由QFP四周所引出的线路与通孔导体作为连接的方式(扇入及扇出方式),因此这些线路需要占据一些空间。而微孔技术可以将互连所需的布线藏到下一层去,其不同层次间焊垫与引线的衔接,则以垫内的盲孔直接连通,无须以扇入及扇出式布线。因此外层板面上可放置一些焊垫(如mini-BGA或CSP之小型球焊)以承接较多的零件,可增加电路板的密度。目前许多高功能小型无线电话的手机板,便是使用此种新式堆栈与布线法。 3.有利于先进构装技术的使用:一般传统钻孔技术因焊垫大小(通孔)及机械钻孔的问题,并不能满足新世代细线路的小型零件需求。而利用微孔技术的制程进步,设计者可以将最新的高密度IC构装技术,如矩阵构装(Array package)、CSP及DCA(Direct Chip Attach)等设计到系统中。 4.拥有更佳的电性能及讯号正确性:利用微孔互连除可以减少讯号的反射及线路间的串讯干扰,并使电路板线路的设计可以增加更多空间外,由于微孔的物理结构性质是孔洞小且短,所以可减少电感及电容的效应,也可减少讯号传送时的交换噪声。 5.可靠度较佳:微孔因有较薄的厚度及1:1的纵横比,在讯号传递时的可靠度比一般的通孔来得高。 6.可改善热性质:HDI板的绝缘介电材料有较高的玻璃转换温度(Tg),因此有较佳的热性质。 7.可改善射频干扰/电磁波干扰/静电释放(RFI/EMI/ESD):微孔技术可以让电路板设计者缩短接地层与讯号层的距离,以减少射频干扰及电磁波干扰;另一方面可以增加接地线的数目,避免电路中零件因静电聚集造成瞬间放电,而发生损坏。 8.增加设计效率:微孔技术可以让线路安排在内层,使线路设计者有较多的设计空间,因此在线路设计的效率可以更高。 增层法(Build-Up)介绍 为因应电路板上组件密度增加、细线布局不断增密、层板间互连密度增大,增层法(Build Up)的技术发展迅速,目前已成为制造HDI结构的超薄多层线路板及载板,不可或缺的重要技术。 所谓增层法就是利用传统多层板逐次压合的观念,在以双层或四层板为基础的核心基板的板外,逐次增加绝缘层及导体层,在绝缘层上制造导体线路,并以非机械成孔之微孔做为增层间的互连,而在部分层次间连通的盲孔(Blind Hole)与埋孔(Buried Hole),可省下通孔在板面上的占用空间,使有限的外层面积可尽量用以布线和焊接零件。 一般来说,增层法制程与传统印刷电路板制程主要差异,是传统印刷电路板使用 Prepreg为材料,将已制作线路之双面板,依需求层数,迭合对位一次压合而成多层结构的电路基板;而增层法是在既定的基板上,一层一层个别制作而达到多层结构的功能,因此,Build-Up基板的功能特性,与增层前基板材质的特性息息相关。 制程上,增层板制程的分类包括了绝缘的材料、微孔制作的方式及金属化制程。在绝缘材料方面,有液态、膜状及与其它材料结合之薄膜。微孔成孔方法主要有影像成孔、雷射钻孔、干或湿式蚀刻等。在金属化制程方面则有全加成法、半加成法、减成法及导电胶。目前台湾HDI手机板的制作主要以利用背胶铜箔(RCC)加上雷射钻孔的方式为主。 以背胶铜箔材质的制程为例:一开始以制作好的双层板或多层板为核心基材,在将背胶铜箔压合在基板之前,一般会有预先处理的程序,来增进背胶铜箔与基板间的表面附着力。当背胶铜箔被固定在基板上后,随着对铜箔的不同处理而有多样的制造程序。我们可以利用蚀刻的方式将铜箔层的厚度减少到3~5μm,或者完全去除铜箔层,直接以雷射钻孔、无电镀铜、除胶渣、全板镀铜、完成整个表面线路的导线连接,或直接在厚铜上制造铜窗、以雷射法或电浆法成孔、无电镀铜、全板镀铜等方式,完成整个表面线路的导线连接,并重复以上程序来增加层板数。通常我们在核心基板的两侧以对称的方式增层,以防止电路板变形及扭曲,只有特殊的情况下才会在基板的单侧做不对称的增层。(图一)为各式增层法的比较。 此主题相关图片如下: (图一) 各式增层材料制程比较 微波印制板制造技术探讨  Discuss on the Technology of the Fabrication of the  Microwave Printed Circuit Board   [摘要]  本文针对微波印制板制造的特点,就微波印制板的选材、结构设计及制造工艺等方面进行了较为全面的探讨。 [关键词]  微波印制板,制造 [Abstract] This paper discusses the issues that should be considered during the selection of the microwave printed circuit board laminates,structure design and the processing technology of the microwave printed circuit board. [Keywords] Microwave printed circuit board , Fabrication    1 前言 微波印制板,是指在特定的微波基材覆铜板上,利用普通刚性印制板制造方法生产出来的微波器件。 在印制板导线的高速信号传输线中,目前可分为两大类:一类是高频信号传输类电子产品,这一类产品是与无线电的电磁波有关,它是以正弦波来传输信号的产品,如雷达、广播电视和通讯(移动电话、微波通讯、光纤通讯等);另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品,这一类产品是以数字信号传输的,同样也与电磁波的方波传输有关,这一类产品开始主要在电脑,计算机等应用,现在已迅速推广应用到家电和通讯的电子产品上了。     为了达到高速传送,对微波印制板基板材料在电气特性上有明确的要求。在提高高速传送方面,要实现传输信号的低损耗、低延迟,必须选用介电常数和介质损耗角正切小的基板材料。 高速传送的基板材料,一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其它热固性树脂等。 在所有的树脂中,聚四氟乙烯的介电常数(εr)和介质耗角正切(tanδ)最小,而且耐高低温性和耐老化性能好,最适合于作高频基板材料,是目前采用量最大的微波印制板制造基板材料。 本文针对微波印制板制造的特点,就微波印制板的选材、结构设计及制造工艺等方面进行了较为全面的探讨。 2 微波印制板制造的特点 微波印制板制造的特点,主要表现在以下几方面: 2.1 基材多样化:     长期以来,国内应用最多的是国产玻璃布增强聚四氟乙烯覆铜板。但由于它的品种单一,介电性能均匀性较差,已越来越不适应一些高性能要求的场合。进入九十年代后,美国Rogers公司生产的RT/Duroid系列和TMM系列微波基材板逐步得到应用,主要有玻璃纤维增强聚四氟乙烯覆铜板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆铜板和陶瓷粉填充热固性树脂覆铜板,虽然价格昂贵,但它优异的介电性能和机械性能仍较国产微波印制板基材拥有相当大的优势。目前这类微波基材,特别是带铝衬底的基材正得到大量应用。 2.2 设计要求高精度化: 微波印制板的图形制造精度将会逐步提高,但受印制板制造工艺方法本身的限制,这种精度提高不可能是无限制的,到一定程度后会进入稳定阶段。而微波板的设计内容将会有很大地丰富。从种类上看,将不仅会有单面板、双面板,还会有微波多层板。对微波板的接地,会提出更高要求,如普遍解决聚四氟乙烯基板的孔金属化,解决带铝衬底微波板的接地。镀覆要求进一步多样化,将特别强调铝衬底的保护及镀覆。另外对微波板的整体三防保护也将提出更高要求,特别是聚四氟乙烯基板的三防保护问题。 2.3 计算机控制化:     传统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术,但随着CAD技术在设计中的广泛应用,以及微波印制板的高精度、大批量,在微波印制板制造中大量应用计算机技术已成为必然的选择。高精度的微波印制板模版设计制造,外形的数控加工,以及高精度微波印制板的批生产检验,已经离不开计算机技术。因此,需将微波印制板的CAD与CAM、CAT连接起来,通过对CAD设计的数据处理和工艺干预,生成相应的数控加工文件和数控检测文件,用于微波印制板生产的工序控制、工序检验和成品检验。 2.4 高精度图形制造专业化: 微波印制板的高精度图形制造,与传统的刚性印制板相比,向着更为专业化的方向发展,包括高精度模版制造、高精度图形转移、高精度图形蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术,还包含合理的制造工艺路线安排。针对不同的设计要求,如孔金属化与否、表面镀覆种类等制订合理的制造工艺方法,经过大量的工艺实验,优化各相关工序的工艺参数,并确定各工序的工艺余量。 2.5 表面镀覆多样化:     随着微波印制板应用范围的扩大,其使用的环境条件也复杂化,同时由于大量应用铝衬底基材,因而对微波印制板的表面镀覆及保护,在原有化学沉银及镀锡铈合金的基础上,提出了更高的要求。一是微带图形表面的镀覆及防护,需满足微波器件的焊接要求,采用电镀镍金的工艺技术,保证在恶劣环境下微带图形不被损坏。这其中除微带图形表面的可焊性镀层外,最主要的是应解决既可有效防护又不影响微波性能的三防保护技术。二是铝衬板的防护及镀覆技术。铝衬板如不加防护,暴露在潮湿、盐雾环境中很快就会被腐蚀,因而随着铝衬板被大量应用,其防护技术应引起足够重视。另外要研究解决铝板的电镀技术,在铝衬板表面电镀银、锡等金属用于微波器件焊接或其它特殊用途的需求在逐步增多,这不仅涉及铝板的电镀技术,同时还存在微带图形的保护问题。 2.6 外形加工数控化:     微波印制板的外形加工,特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工,是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板,用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性,更无法保证生产周期,而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。但带铝衬板微波印制板的外形加工技术既不同于金属材料加工,也不同于非金属材料加工。由于金属材料和非金属材料共同存在,它的加工刀具、加工参数等以及加工机床都具有极大的特殊性,也有大量的技术问题需要解决。外形加工工序是微波印制板制造过程中周期最长的一道工序,因而外形加工技术解决的好坏直接关系到整个微波印制板的加工周期长短,并影响到产品的研制或生产周期。 2.7 批生产检验设备化:  微波印制板与普通的单双面板和多层板不同,不仅起着结构件、连接件的作用,更重要的是作为信号传输线的作用。这就是说,对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试,不仅要测量线路(或网络)的"通""断"和"短路"等是否符合要求,而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。  此外,高精度微波印制板有大量的数据需要检验,如图形精度、位置精度、重合精度、镀覆层厚度、外形三维尺寸精度等。目前国内的微波印制板批生产检验技术非常落后,现行方法基本是以人工目视检验为主,辅以一些简单的测量工具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量拥有成百上千数据的微波印制板批生产要求,不仅检验周期长,而且错漏现象多,因而迫使微波印制板制造向着批生产检验设备化的方向发展。 3 微波印制板的选材     部分微波印制板用基材板的性能参数列表如下(见表一、表二、表三和表四)。 表一  ROGERS公司RT/duroid系列微波介质板性能表 表二  ROGERS公司TMM系列微波介质板性能表 表三  ROGERS公司RO系列微波介质板性能表(略) 表四  GIL公司和Arlon公司部分微波介质板性能表(略) 微波印制板基材的选用首先应该考虑其介电性能,但同时也必须考虑其表面铜箔种类及厚度、环境适应性、可加工性等因素,当然还有成本问题。 3.1 铜箔种类及厚度选择 目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。铜箔越薄,越易获得高的图形精密度,所以高精密度的微波图形应选用不大于18μm的铜箔。如果选用35μm的铜箔,则过高的图形精度使工艺性变差,不合格品率必然增加。 研究表明,铜箔类型对图形精度亦有影响。目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形,所以在材料订货时,可以考虑选择压延铜箔的基材板。 3.2 环境适应性选择 现有的微波基材,对于标准要求的-55℃~+125℃环境温度范围都没有问题。但还应考虑两点,一是孔化与否对基材选择的影响,对于要求通孔金属化的微波板,基材Z轴热膨胀系数越大,意味着在高低温冲击下,金属化孔断裂的可能性越大,因而在满足介电性能的前提下,应尽可能选择Z轴热膨胀系数小的基材(参见表一至表四);二是湿度对基材板选择的影响,基材树脂本身吸水性很小,但加入增强材料后,其整体的吸水性增大,在高湿环境下使用时会对介电性能产生影响,因而选材时应选择吸水性小的基材(参见表一至表四),或采取结构工艺上的措施进行保护。 3.3 可加工性选择 随着设计要求的不断提升,一些微波印制板基材带有铝衬板。此类带有铝衬基材的出现给制造加工带来了额外的压力,图形制作过程复杂化,外形加工复杂化,生产周期加长,因而在可用可不用的情况下,尽量不采用带铝衬板的基材。 作为ROGERS公司的TMM系列微波印制板基材,是由陶瓷粉填充的热固性树脂所构成。其中,TMM10基材中填充的陶瓷粉较多,性能较脆,给图形制造和外形加工过程带来很大难度,容易缺损或形成内在裂纹,成品率相对较低。目前对TMM10板材外形加工是采用激光切割的方法,成本高,效率低,生产周期长。所以,在可能的情况下,可考虑优先选择ROGERS公司符合相应介电性能要求之RT/Duroid系列基材板。 4  结构设计 由于微波板的外形越来越复杂,而且尺寸精度要求高,同品种的生产数量很大,必须要应用数控铣加工技术。因而在进行微波板设计时应充分考虑到数控加工的特点,所有加工处的内角都应设计成为圆角,以便于一次加工成形。如果确实需要有直角,也可设计成如图一中b的形式,同样便于加工。  图一  a.不好的形状  b.较好的形状  c.最好的形状     微波板的结构设计也不应追求过高的精度,因为非金属材料的尺寸变形倾向较大,不能以金属零件的加工精度来要求微波板。外形的高精度要求,在很大程度上可能是因为顾及当微带线与外形相接的情况下,外形偏差会影响微带线长度,从而影响微波性能。实际上,参照国外的规范设计,微带线端距板边应保留0.2mm的空隙,这样即可避免外形加工偏差的影响。 5 微波印制板制造工艺 微波印制板与普通的单双面板和多层板不同,不仅起着结构件、连接件的作用,更重要的是作为信号传输线的作用。 微波印制板的制造由于受微波印制板制造层数、微波印制板原材料的特性、金属化孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路精度要求、制造设备及药水先进性等诸方面因素的制约,其制造工艺流程将根据具体要求作相应的调整。如图形电镀镍金工艺流程被细分为图形电镀镍金的阳版工艺流程和图形电镀镍金的阴版工艺流程。 因此,针对不同微波印制板种类及加工需求,所采用之制造工艺流程也各不相同,现简述如下: 5.1 无金属化孔之双面微波印制板制造: (1) 图形表面为沉银 / 镀锡铈合金(略) (2)图形表面为电镀镍金(阳版工艺流程)(略) (3)图形表面为电镀镍金(阴版工艺流程)(略) 5.2 有金属化孔之双面微波印制板制造: (1) 图形表面为沉银 / 镀锡铈合金(略) (2)图形表面为电镀镍金(阳版工艺流程)(略) 5.3 多层微波印制板制造:(略) 5.4 工艺说明 (1) 线路图形互连时,可选用图形电镀镍金的阴版工艺流程;     (2)为提高微波印制板的制造合格率,尽量采用图形电镀镍金的阴版工艺流程。因为,采用图形电镀镍金的阳版工艺流程,若操作控制不当,会出现渗镀镍金的质量问题;     (3)ROGERS公司牌号为RT/duroid 6010基材的微波板,由于蚀刻后之图形电镀时,会出现线条边缘"长毛"现象,导致产品报废,须采用图形电镀镍金的阳版工艺流程;     (4)当线路制造精度要求为±0.02mm以内时,各流程之相应处,须采用湿膜制板工艺方法;     (5)当线路制造精度要求为±0.03mm以上时,各流程之相应处,可采用干膜(或湿膜)制板工艺方法;     (6) 对于四氟介质微波板,如ROGERS 公司RT/duroid 5880、 RT/duroid 5870、ULTRALAM2000、RT/duroid 6010等,在进行孔金属化制造时,可采用钠萘溶液或等离子进行处理。而TMM10、TMM10i和RO4003、RO4350等则无需进行活化前处理。 5 结论 微波印制板的制造正向着FR-4普通刚性印制板的加工方向发展,越来越多的刚性印制板制造工艺和技术运用到微波印制板的加工上来。具体表现在微波印制板制造的多层化、线路制造精度的细微化、数控加工的三维化和表面涂覆的多样化。 此外,随着微波印制板基材种类的进一步增多、设计要求的不断提升,要求我们进一步优化现有微波印制板制造工艺,与时俱进,以满足不断增长的微波印制板制造要求。 作者: 杨维生  (高级工程师,中国电子科技集团公司第十四研究所)

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