印制電路板孔線共鍍銅工藝研究

何 杰，何 為，陳苑明，馮 立，徐 緩，周 華，郭茂桂，李志丹

(1.電子科技大學微電子與固體電子學院，四川 成都 610054;2.博敏電子股份有限公司，廣東梅州 514000)

引 言

電子產品微小型化與多功能化促使印制電路板趨向高密度互連方向發展，而高厚徑比導通孔與精細線路是印制電路板高密度化的有效解決方法之一［1］。印制電路板線路的精細化主要體現在線寬線距的不斷縮小，而傳統減成法工藝所采用的照相底版成像與蝕刻方法已經難以滿足線路精細化的要求［2-3］，且當使用的銅箔較厚，會加大精細線路的側蝕問題甚至會引起線路的斷開而影響印制電路產品的合格率;減成法工藝同樣不利于高厚徑比的微小導通孔制作，其原因是高厚徑比的微小導通孔需要電鍍時間較長才能完成孔金屬化過程，由此導致板面的銅層厚度過大，加大精細線路的制作難度［4-5］。孔線共鍍法結合了半加成法、圖形電鍍與孔金屬化技術要點，其過程是采用負相抗蝕層阻擋底層超薄銅箔的非線路圖形區域，整板活化后用電鍍方法增加導通孔孔壁銅層與精細線路的厚度，再去除抗蝕層并差分快速蝕刻底層超薄銅層，從而實現導通孔金屬化與精細線路同時制作，該方法可消除精細線路制作的側蝕問題［6-7］，滿足導通孔孔壁銅層的厚度要求。

應用孔線共鍍法同時實現板δ為1.5mm、孔d為200μm的導通孔與線寬、線距均為50μm精細線路的制作。研究了圖形轉移、圖形電鍍等工藝過程對導通孔與精細線路制作質量的影響，對比了孔線共鍍法與減成法在導通孔與精細線路制作上的優劣。

1 孔線共鍍法的工藝過程

孔線共鍍法實現孔金屬化與精細線路制作的原理，是先對覆銅板進行鉆孔與鉆污清洗，形成抗蝕層后進行整板活化，通過電鍍方法同時增加導通孔孔壁與精細線路圖形區域的銅層厚度，板面其它未經圖形電鍍加厚的非線路超薄銅箔區域，采用酸性蝕刻液將其快速蝕刻去除，保留下來的部分則為同時制作的導通孔及精細線路，如圖1。

圖1 孔線共鍍法工藝流程

2 實驗

2.1 實驗材料與儀器

材料為FR-4雙面覆銅箔層壓板(聯茂IT158)，YQ-40SD型抗蝕干膜(旭化成)，國產H2SO4-H2O2蝕刻液、顯影液、退膜液等。儀器與設備為 ND-6NI210E型日立鉆孔機(日立公司)，FW-FLM610型自動貼膜機(上海飛為自動化系統有限公司)，SPRESS QI型激光直接成像(LDI)系統(奧寶科技有限公司)，化學鍍銅線，H2SO4-H2O2減銅線，顯影線，去膜線，電鍍生產線，ASIDA-JX22C型金相顯微鏡(愛思達公司)等。

2.2 制作工藝

1)開料。將介質層為1.5mm、銅箔 δ為17.5 μm的FR-4雙面覆銅板裁剪成544mm×412mm的規格。

2)鉆孔。設置兩組不同的鉆孔機參數分別鉆出孔徑d為200μm的導通孔，其中A組參數為鉆刀速 110kr/min，下刀速 1.6m/min，退刀速 20 m/min;B組參數為鉆刀速145kr/min，下刀速1.8 m/min，退刀速20m/min，選取鉆孔效果較好的參數作為后續的鉆孔參數。

3)減銅。用H2SO4-H2O2蝕刻液進行面銅減薄，將面銅δ減至4μm左右。

4)化學鍍銅。經高錳酸鉀清洗、微蝕、活化等處理后進行化學鍍銅t為50min。

5)圖形轉移?；瘜W鍍銅后烘干并熱壓貼40μm厚的干膜，放置15min后用LDI系統進行曝光，其中曝光能量為450J/m2，放置15min后顯影，將所需線路部分及導通孔全部露出，其余部分全部覆蓋。

6)孔、線共鍍銅?？刂?0g/L硫酸銅，190g/L硫酸，60mg/L Cl－，適量的光亮劑、平整劑，Jκ為1.5 A/dm2進行圖形電鍍t為80min。

7)快速蝕刻。通過去膜線除去板面余下干膜，用H2SO4-H2O2蝕刻液進行快速的差分蝕刻去除板面多余銅箔完成導通孔及精細線路的制作。

2.3 測 試

圖形轉移后檢測線路和孔的對位精度及非線路部分干膜與覆銅板結合效果;圖形電鍍后測試導通孔的深鍍能力并用金相顯微鏡觀察精細線路與導通孔的制作效果;快速蝕刻后用3M膠帶對線路部分做3次剝離強度測試，檢測電鍍后線路與基材結合效果。

3 結果分析與討論

3.1 圖形轉移效果分析

印制電路板(PCB)圖形轉移主要包括貼膜、曝光及顯影等步驟，圖形轉移效果對電鍍加成制作精細線路的質量有較大的影響。實驗選用了δ為40μm的干膜進行貼膜，完成貼膜后用放大鏡觀察，發現干膜與銅面間結合良好，無氣泡、無褶皺情況出現，說明貼膜效果較好。實驗制作的精細線路線寬線距均為50μm，且線路排布較為密集，為了得到較好的圖形轉移效果，選用激光直接成像(LDI)曝光機對線路進行曝光，完成曝光后用放大鏡觀察線路及孔的曝光效果，發現曝光后線路部分線條非常清晰，孔的對位情況較為精準，如圖2(a)。與傳統的采用照相底片的圖形轉移方式相比，LDI曝光系統不僅縮短了工藝流程，且將圖形對位精度提高到±5μm之內(由于照相底片的生產和保存、曝光機光源的特性及其它的多種因素所帶來的尺寸誤差非常大，可達到±25μm)。將曝光后的覆銅板放置15min后顯影，顯影后檢測板面干膜發現無甩膜翹起等情況出現，如圖2(b)，可知最終的圖形轉移效果較好，滿足電鍍加成制作精細線路的要求。

圖2 曝光、顯影后的板面照片

3.2 電鍍過程控制分析

3.2.1 硫酸銅及硫酸質量濃度的影響

實驗制作的印制電路板導通孔孔徑較小，d為200μm，且厚徑比為7.5∶1，這對電鍍銅溶液的深鍍能力提出了較高的要求。鍍液中深鍍能力受酸銅配比、陰極電流密度、添加劑組成等多個因素的影響，硫酸銅和硫酸的質量濃度對深鍍能力影響進行分析?？刂棋円?0g/L硫酸銅，190g/L硫酸，光亮劑、平整劑及適量Cl－進行電鍍。隨機選取十個導通孔，通孔示意圖由圖3所示;按公式(1)計算深鍍能力，計算結果列于表1。

圖3 通孔示意圖

式中，A、B、C及D表示孔口上方處板面鍍銅層厚度，E、F表示孔中心處鍍銅層厚度。

表1 導通孔深鍍能力檢測結果

由表1可知，導通孔的深鍍能力，均在60%以上，說明鍍層的均勻性較好，鍍液深鍍能力較強。硫酸銅溶液中的Cu2+質量濃度即不能太高也不能太低，Cu2+太低雖然可提高鍍液的深鍍能力但在高電流密度區易出現鍍層燒焦，太高又會降低鍍液的深鍍能力;硫酸的質量濃度也必需合理控制，硫酸太低鍍液的導電性及分散能力較差，硫酸太高鍍銅層的光亮度和平整性會受到影響［8］?？傊?，要提高小孔經、高厚徑比PCB板導通孔的深鍍能力，必需控制好硫酸銅及硫酸的質量濃度。

3.2.2 電鍍參數及溶液攪拌的影響

實驗控制 Jκ為 1.5A/dm2，t為 80min，采用空氣攪拌、平行于板面方向噴射鍍液和陰極移動加強電鍍溶液的交換。孔線共鍍完成后，對導通孔和精細線路分別制作切片觀測導通孔的孔金屬化效果及精細線路的制作效果如圖4。由圖4可知，孔線共鍍后導通孔的孔金屬化及精細線路的制作效果較好，這是由于控制Jκ為1.5A/dm2，可減小導通孔孔中心與孔口及板面的電位差，使鍍層的分布更加均勻且小電流有利于提升導通孔的深鍍能力。電鍍t為80min，這是基于孔金屬化、精細線路所需銅層厚度的綜合考慮，時間過短導通孔及精細線路鍍層厚度過薄，不能滿足工藝要求;電鍍時間過長，容易造成精細線路厚度超過干膜厚度而出現夾膜情況。同時采用空氣攪拌可加快溶液的循環、平行于板面方向鍍液的噴射增強孔內溶液交換、陰極移動可使溶液穿過導通孔，加快導通孔內電鍍溶液的流動及交換速度，從而提高鍍層的均勻性和深鍍能力。

圖4 電鍍后導通孔及精細線路的截面圖

3.3 孔線共鍍工藝與減成法工藝對比分析

在導通孔的孔金屬化制作上，孔線共鍍工藝與減成法工藝均是采用電鍍加厚的方法制作，但孔線共鍍的工藝有著明顯的優勢?？拙€共鍍工藝圖形電鍍是同時加厚導通孔孔壁及線路銅厚，制作效率更高;減成法工藝是采用整板電鍍，該過程不僅導通孔孔壁銅層厚度增加，面銅厚度也會相應增加，增加了后續蝕刻制作線路的難度。

在精細線路的制作上，孔線共鍍工藝采用的是先電鍍加厚線路，再用H2SO4-H2O2蝕刻液進行快速的差分蝕刻法去除非線路部分的較薄銅箔完成精細線路的制作，所得線路側蝕量非常小，線路的截面基本呈矩形狀;而減成法工藝是通過化學蝕刻法去除非線路部分的銅箔制作精細線路，由于減成法制作中銅箔的厚度一般較厚，因此線路的側蝕問題較為嚴重，線路的截面呈梯形狀。實驗中用美國3M公司生產的PCB專用膠帶均勻貼在孔線共鍍工藝制作的精細線路部分，迅速撕下膠帶，重復以上步驟3次，發現膠帶上無銅箔脫落痕跡，說明線路鍍層與基板間的結合良好。圖5和圖6分別為采用孔線共鍍工藝和傳統減成法工藝制作的精細線路截面切片圖，由圖5圖6可知，孔線共鍍法避免了減成法制作精細線路側蝕嚴重的問題，其截面切片呈矩形狀，提高了線路制作的質量。

圖5 孔線共鍍法制作的線路截面切片圖

圖6 減成法制作的線路截面切片圖

4 結論

印制線路板向著導通孔微小化和線路精細化方向發展。實驗通過對孔線共鍍工藝中圖形轉移、圖形電鍍等關鍵步驟的嚴格控制，制作了板δ為1.5 mm，導通孔孔徑 d為 200μm，線寬和線距均為50μm的導通孔及精細線路。結果表明，采用LDI系統進行曝光圖形對位精度高、圖形轉移后干膜與覆銅板結合效果好無甩膜翹起等現象;圖形電鍍時控制電鍍溶液中硫酸銅、硫酸質量濃度分別為70g/L及 190g/L，Jκ為 1.5A/dm2，t為 80min 及適當溶液攪拌，完成電鍍后導通孔深鍍能力達60%以上，精細線路與基板結合力較強;與減成法相比，孔線共鍍法可同時完成導通孔的孔金屬化及精細線路的加厚制作，是一種效率極高的印制電路板制造方法，此法制作的線路側蝕量較小，線路截面基本呈矩形狀，提高了線路的制作質量。因此，孔線共鍍的方法可適用于印制線路板微小導通孔及精細線路的制作。

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