陳世金 羅 旭 覃 新 喬鵬程 徐 緩

博敏電子股份有限公司

1 前言

隨著3G、智能手機和平板電腦等消費類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，推動PCB技術(shù)不斷向更高布線密度方向發(fā)展，同時也要求PCB設計具有小型化、輕薄化和高可靠性等。因此，傳統(tǒng)的盲孔設計（交錯孔、跨層等）已無法滿足要求，其局限性主要表現(xiàn)在空間節(jié)約、制作難度和可靠性等方面，唯有疊孔設計可滿足要求。實現(xiàn)盲孔與盲孔的互連方法主要有四種（如圖1），隨著電子產(chǎn)品對PCB可靠性要求的提高，當前使用最多的是第三種設計（填銅疊孔互連法）。其制作方法是：次外層盲孔制作時，把該孔直接用電鍍銅填滿，再壓合激光下一層，層層疊加，實現(xiàn)層間互連。電鍍填孔互連法既可減少工藝流程，也能確保更高的可靠性和更優(yōu)良的電氣性能。因此，電鍍?nèi)追ㄊ潜容^理想的盲孔堆疊制作方法，為現(xiàn)行業(yè)最常用的電鍍填孔互連法[1 ]。

本文將以一款疊孔三階10層的HDI板為例，講述其制作難點和解決方法，突出其制作的控制重點和注意事項等，為業(yè)界工作者制作該類疊孔設計的HDI板提供一定的參考。

圖1 多階盲孔實現(xiàn)層與層互連方式

2 技術(shù)原理

疊孔三階HDI板的其技術(shù)原理主要是采用盲孔與盲孔堆疊的方式來實現(xiàn)層與層之間的導通和互連，重點是疊孔堆疊重合性（層間對準度）和互連可靠性的控制。以一款疊孔三階HDI板為例看一下該類板的疊合結(jié)構(gòu)圖（如圖2）：

圖2 疊孔設計的三階10層HDI板

2.1 層間盲孔堆疊技術(shù)

在前言部分我們已經(jīng)談到了層間堆疊技術(shù)的幾種方法，就當前的主流層間堆疊技術(shù)來看，填銅疊孔設計具有高可靠性、高布線密度等優(yōu)點，也有研究表明提高印制板布線密度最有效的方法之一是減少通孔數(shù)增加盲孔數(shù)[2]。而采用填銅技術(shù)除了具有高可靠性優(yōu)點外，還可在流程上得到簡化，總體核算成本具有一定的優(yōu)勢。因此，該類設計攻破了成本與性能的難題，是當前PCB技術(shù)最佳的互連設計方法。該設計所帶來的難點是如何保證層與層間的對位精準度，解決好該項難點將成為我們掌握疊孔設計三階或多階、甚至是Any-layer HDI技術(shù)的關(guān)鍵所在。

2.2 電鍍盲填孔技術(shù)

該項技術(shù)的另一個難點是電鍍填孔技術(shù)，填孔效果的好壞直接決定互連可靠性的成敗，如dimple（凹陷度）、filling power（填充率）和面銅厚度的控制等。圖3是我們對填孔效果的控制主要表征[3]。

圖3 填孔能力表征示意圖

由于涉及到精細線路的制作，我們還需要對填銅后的面銅進行控制，如設計線路為75 μm/75 μm線時，需要將面銅厚度控制在30 μm以內(nèi)，以保證蝕刻工序能夠順利制作。否則，如填銅后的面銅厚度過厚則需要減銅或樹脂磨板等，對成本是一種浪費，同時也不利于漲縮的管控。

3 制作設計

3.1 工藝流程

根據(jù)我技術(shù)中心研發(fā)人員對此項目的研究和探討，結(jié)合實際生產(chǎn)制作和現(xiàn)有成熟的工藝技術(shù)，最終制定該疊孔三階HDI板的工藝流程如下：

芯板（L5-L6）下料→內(nèi)層線路制作→內(nèi)層蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊、減銅（L4-L7）→鉆埋孔→沉銅、板電→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（L3-L8）→減銅、棕化→激光→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（L2-L9）→減銅、棕化→激光→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→棕化、壓合→銑邊（外層）→減銅、棕化→激光→鉆通孔→沉銅、填孔電鍍→線路制作→蝕刻、AOI→阻抗測試→阻焊、文字→印選化→沉鎳金→退選化→電銑成型→FQC→OSP→二次FQC→FQA→包裝→入庫

3.2 材料的選擇

在材料的選擇上，我們一方面要考慮其穩(wěn)定性，如低CTE（熱膨脹系數(shù)）、低吸水率和高耐熱性等。另一方面要考慮對該類板材制作技術(shù)的成熟性，即選擇已經(jīng)多次使用，并完全掌握其加工特性的板材，同時，也兼顧成本考慮。該板材所需具備的特性要求如表1所示。

表1 使用基板材料的主要性能

板材的穩(wěn)定性對我們的漲縮控制極為有利，而選擇多次使用、掌握其加工特點的板材對提升我們的合格率有很大的幫助，對重點管控項目可做針對性地跟進和控制?；谝陨蟽蓚€控制因素的考慮，我們選擇了A廠家的T型號板材（以及相匹配的pp材料）。

4 制作技術(shù)研究

針對該類疊孔三階HDI板的制作難點，主要涉及到精細線路制作技術(shù)、層間對位精度控制技術(shù)和填孔電鍍技術(shù)，下面將就這三個方面做相關(guān)講述。

4.1 精細線路制作技術(shù)

在制作精細線路時，常見制作難點及問題頻發(fā)點有：

（1）線寬補償設計問題；

表2 幾種前處理方式粗糙度和附著力對比

（2）板面粗糙度對附著力的影響；

（3）貼膜、曝光、顯影條件對開短路的影響；

（4）蝕刻條件（噴淋壓力、蝕刻因子等）對蝕刻效果的影響；

（5）面銅厚度及干膜厚度對精細線路制作的影響。

針對以上問題，對其成因機理進行分析，并提出相應解決方案：

（1）線寬的補償按照相關(guān)的設計準則來執(zhí)行，但針對特殊精細線路（如L/S≤3 mil），須實行特殊補償和分段補償，以保證L/S≤75 μm類線寬補償5.1 μm ～ 12.7 μm，最小線距為63.5 μm。根據(jù)之前補償設計實驗結(jié)論和經(jīng)驗總結(jié)，可保證該款板的圖形形成條件。

（2）板面粗糙度對附著力的影響可分幾組對比試驗進行，如超粗化、磨刷+噴砂、磨刷等，然后通過表觀檢查（SEM掃描電鏡）和表面粗糙度檢測等手段[4]，干膜結(jié)合力測試原理與國際通用規(guī)范IPC-TM-650中之阻焊油墨相關(guān)規(guī)定結(jié)合力測試相同，可對比出哪種前處理效果最優(yōu)，粗糙度在多少的范圍內(nèi)可保證干膜與銅面有良好的結(jié)合力。表2為幾種前處理方式粗糙度及結(jié)合力測試情況：

對于精細線路的制作，不是說粗糙度越大就結(jié)合力越好，一般是需要根據(jù)實際測試情況來確定的。通常來說，單采用磨刷的方式來處理銅面，會出現(xiàn)定向的擦傷，有耕地式的溝槽、銅面劃痕，嚴重時會出現(xiàn)銅被翻起，不適合精細線路的制作。而單采用超粗化（微蝕）的方式，不能保證銅面膠漬、油污、銅瘤和凹痕等缺陷的處理，采用磨刷加噴砂的方式則可保證對以上缺陷的修復。

（3）貼膜、曝光、顯影條件的設定是需要根據(jù)干膜的類型、線路/線距的等級和設備等具體情況確定的。對于精細線路來說，干膜厚度較低，其解像度就越高，合適的干膜厚度是保證精細線路制作的要素之一，曝光時選擇合適的光源形式，尤其是對高密度、精細導線的圖形的光成像，光源的特性直接影響曝光質(zhì)量和效率。目前干膜的吸收光波長為325 nm ～ 365 nm，較短的波長的光曝光后成像圖形的邊緣清晰整齊。光能量與光波長的關(guān)系式如下：

式中：ε——光能量；h——布郎光常數(shù)；r——光的頻率；c——光速；λ——波長。

從式中可以看出，光的波長越短，其能量也就越大，所以大多數(shù)曝光機都是采用波長在320 nm ～ 400 nm之間。從光源發(fā)散形式來說，平行光照度均勻，不易失真，其成像分辨率更高，更有利于精細線路的制作。曝光能量的控制也是一個重要因素，采用25 μm的干膜能量控制在40 mJ/cm2～ 50 mJ/cm2，曝光尺約4-6格較為合適。根據(jù)膜分辨率的實際，掌握適當?shù)娘@影速度，使細線條能均勻的齊正。精細線條的顯影速度在正常工藝規(guī)范內(nèi)，一般要比粗線條的要快一些，以便使露銅的兩邊膜壁少受顯影液的攻擊造成導線變形失真或者附著力下降；但若線距也同時較小，則要兼顧到小線路圖形的顯影速度要稍微放慢的情況，二者要根據(jù)實驗綜合考慮。其具體制作參數(shù)如表3所示：

表3 貼膜、曝光和顯影制作參數(shù)

（4）蝕刻條件（噴淋壓力、蝕刻因子等）對蝕刻效果的影響，主要需要控制好蝕刻藥水參數(shù)（濃度、溫度等）、噴淋壓力及蝕刻均勻性等?？刂贫r銅的含量，它是蝕刻銅的主劑，可以加快蝕刻速度，以減少側(cè)蝕發(fā)生的機會，使化學反應處于穩(wěn)定狀態(tài)，對精細導線的蝕刻至關(guān)重要。為確保數(shù)據(jù)變化在規(guī)定的范圍內(nèi)，就需要嚴格控制蝕刻液的比重、補充液的均勻流量和基板在蝕刻機內(nèi)的運送速度等。對于精細線路的制作，最重要的是要考慮如何保證密集線路區(qū)域的藥水交換，對噴嘴交疊的角度、重合情況，上下噴淋壓力，放板方式、位置等都有一定的要求，這些都直接關(guān)系到最終的蝕刻效果。

（5）面銅厚度和干膜厚度對精細線路的影響，這一點根據(jù)蝕刻線的能力可以計算出最大面銅厚度的控制上限，干膜的厚度越薄是越有利于精細線路的制作的。這在之前做過較多的試驗，在此不再作贅述。

4.2 層間對位精度控制技術(shù)

要做好HDI板層間對準度控制的精確性，首先要搞清楚導致HDI板對準度偏差的制成因素。以靶標為參考點，HDI產(chǎn)品的對準度偏差主要可以分為內(nèi)層圖形和盲孔之間的偏差、內(nèi)層圖形與通孔之間的偏差、外層圖形與盲孔的偏差和外層圖形與通孔的偏差，即導致HDI對位偏差的因素很多[5]。

（1）層壓板偏差。該類HDI板都是經(jīng)過逐次層壓而成，在日本也稱之為積層板（BUM板），在經(jīng)過多次壓合后，板材必然會出現(xiàn)一定的收縮，而每次收縮又會存在一定的差異，故就會出現(xiàn)尺寸偏差。而選擇高Tg材料的基板會有利于這方面的控制，另外，在壓合程式或參數(shù)上進行一定的優(yōu)化和控制，對改善不規(guī)則性變形引起的層偏會起到一定的改善效果。

（2）X-Ray打靶偏差。因為涉及到打靶定位問題，打靶的精確度應控制在±15μm以內(nèi)，而X-Ray打靶的鉆咀也應保持一定的鋒利，避免產(chǎn)生披鋒，引起孔型的變化。

（3）激光鉆孔的偏差。激光鉆孔機本身存在一定的精確度，一般在±7.5μm，激光鉆孔時一般采用抓雙靶標的方式來定位，即通孔、盲孔都抓，這類情況引起的偏差幾率相對較小。

（4）菲林漲縮、曝光對位偏差等。如不采用LDI來制作，則需要考慮菲林的變形或漲縮問題，多因室內(nèi)溫濕度控制不好引起，有時候也會存在光繪機繪出的底片與設計存在一定的差異引起。曝光對位精度由設備的類型、性能等決定的，圖形對孔位對位控制范圍一般控制在±50μm，而要是精細線路則設定范圍就應該更小一些。

（5）樹脂磨板引起漲縮偏差。針對這一點除了保證樹脂研磨時方向、次數(shù)作特別管控外，對參數(shù)的設定、研磨方式等也要做相關(guān)控制，否則，極易引起同批板出現(xiàn)不同漲縮的情況。但是，我們還是要盡量做到面銅控制在蝕刻能力范圍內(nèi)，減少樹脂磨板加工。

其實，層間對位精準度的控制所涉及的方面是很多的，要做到層間精準度的控制，除了對以上幾個方面進行控制外，還要從靶標的設計、對位方式的選擇和工藝流程的優(yōu)化等方面著手，對其造成影響的每一個因素都要進行排除。圖4為我們最終獲得的層間對位效果盲孔堆疊圖片。

圖4 最終成品層間對準度情況

4.3 填孔電鍍技術(shù)

關(guān)于填孔電鍍的原理在行業(yè)內(nèi)有較多相關(guān)的介紹[6-10]，在此就不做講述。筆者將主要對填孔電鍍的控制項目進行相關(guān)講解。

（1）流程的選擇。填孔電鍍一般有閃鍍和不閃鍍兩種流程選擇方式，至于是選擇哪種流程都需要根據(jù)實際情況來定。如果是小批量的板子，可考慮直接填孔電鍍，重要的是保證停放時間盡量短，一般控制在2小時內(nèi)完成。而如果是大批量的板子，同時藥水性能不是很優(yōu)良的情況下，則最好選擇閃鍍流程，有利于品質(zhì)管控。流程選擇不當或過程控制不嚴，極有可能引起填孔效果的不良，如出現(xiàn)dimple過大等問題。

（2）dimple和filling power的控制。對于這方面的控制主要從藥液的管控和電鍍參數(shù)的設定來控制，通常來說，填孔電鍍的藥液管控要求要較常規(guī)的電鍍藥液要嚴格許多，如濃度、溫度的控制等。市面上填孔添加劑的種類也是比較多的，我們需要選擇操作條件相對較寬、性能較優(yōu)的添加劑，可以通過多次對比試驗來進行選擇。藥液的濃度、溫度需要進行嚴格管控，最好設置有自動添加、溫控等控制系統(tǒng)，以確保人為操作引起的失誤。電鍍參數(shù)的設定對電鍍填孔效果的影響是相當大的，選擇怎么樣的電鍍參數(shù)，既能保證良好的填孔效果，有能最大程度的節(jié)省時間和節(jié)約成本？這是我們需要考慮的問題，也需要我們在制作過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，使我們的參數(shù)設定趨于合理化、科學化，達到最好的填孔效果。

（3）面銅厚度的控制。為什么在這里要提到面銅的控制？這是由于涉及到精細線路的制作問題，在電鍍填盲孔的時候必須對此進行控制。否則，如果只追求填孔效果（filling power）的控制，不考慮后工序的制作順利，那就不能保證此板的品質(zhì)和最終合格率。對于面銅厚度的控制，要控制好藥水參數(shù)，保證填孔效果的前提下，盡量將面銅厚度控制的最薄。面銅厚度的控制也是與藥水性能和電鍍參數(shù)的設定有很大的關(guān)系，在這里就不再贅述。

（4）其它方面。要得到好的填孔效果，除了以上控制要求外，還需要對激光盲孔的孔型、孔徑等進行控制。盲孔的孔型包括over hang 、under cut和孔壁質(zhì)量等，如over hang需單邊控制在10μm以內(nèi)，盲孔孔型呈倒梯形，不能出現(xiàn)腰鼓形、孔壁粗糙度過大等。要得到完好的成孔效果，一方面要從材料的選擇入手，基板對電鍍填孔的影響也是不可忽視的，介質(zhì)層材料對填孔有影響這是十分顯見的。另一方面要從激光鉆孔的參數(shù)進行改善或優(yōu)化，使用何種材質(zhì)的介電層、厚度等對鉆孔孔徑的影響是比較大的，需要結(jié)合實際試驗情況來確定合適的激光參數(shù)。

5 成品可靠性測試

依照上述解決方案，生產(chǎn)的成品整板外觀平整，檢測弓曲度、扭曲量均滿足IPC-600H標準，切片確認孔壁、面銅、層間介電層厚度等符合MI要求，熱應力測試無分層、爆板、綠油氣泡等不良問題出現(xiàn)。具體可靠性測試結(jié)果可參見表4。

表4 成品可靠性測試結(jié)果

6 結(jié)語

隨著PCB技術(shù)的飛速發(fā)展，對疊孔多階HDI板的制作要求將會越來越嚴，為我們提出了更多新的挑戰(zhàn)。該類疊孔HDI板的制作關(guān)鍵技術(shù)仍然是層間對位精準度、精細線路和電鍍填孔等方面，要使我們對該類板制作技術(shù)達到成熟化，這需要我們今后的工作中不斷深入，不斷總結(jié)經(jīng)驗、積累成果，逐漸提高我們制作疊孔多階HDI板的工藝水平。

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