pcb的高密度化和可靠性

pcb的高密度化和可靠性

0高密度材料電子通信設(shè)備（以下簡稱電子設(shè)備）的發(fā)展趨勢日益增強。為了滿足高功能、高速化和小型卡盤化的要求，lsi口服主要部件的高性能、高集成和高密度開發(fā)逐年蓬勃發(fā)展。其中為了支撐、連接和安裝這些電子元件乃至實現(xiàn)設(shè)備的功能,PCB的高密度化必不可少。在最近的數(shù)字化潮流中,電子設(shè)備的安裝廣泛使用多層板。根據(jù)設(shè)備的高速化和高性能化要求,為了實現(xiàn)LSI和PCB的高速高密度安裝,廣泛使用高密度微細線路和高多層化,采用無鉛化的高溫焊料還需要耐熱性。PCB還要求更高的可靠性。這些都對多層板的制造有很大影響。多層板的制造過程中,與銅和樹脂的關(guān)系很大,多數(shù)情況下依存于銅的表面處理技術(shù)。為了滿足器件路線圖等要求的以電性能為主的各種特性,多層板制造技術(shù)中的銅線路關(guān)聯(lián)技術(shù)至關(guān)重要。1未來技術(shù)動向每年由ITRS(InteruationalTechnologRoadmapforSemiconductors)發(fā)表以半導(dǎo)體芯片為中心的未來技術(shù)動向,其中也記載了關(guān)于封裝基板的PCB動向。因為它預(yù)測到未來約5年~10年的動向,所以可供今后參考之用。表1記載了2007年和2013年關(guān)于半導(dǎo)體芯片和PCB的變化預(yù)測比較。由表1可知,芯片的集成度大幅度增加,線路寬度變小,針數(shù)增加,封裝的針數(shù)大幅度增加。但是由于封裝的大小幾乎沒有變化,封裝基板和PCB的線寬/間隙、孔徑和節(jié)距變得更加微細。2以銅為原料制造的pcb的制造工藝表2表示了多層板布線規(guī)則的現(xiàn)狀和未來預(yù)測。線寬要求10μm以下,未來預(yù)計需要5μm線寬。多層板是通過Z方向上連接絕緣基板的內(nèi)外面方向的導(dǎo)體線路而制造的。面方向的導(dǎo)體形成是通過銅箔的蝕刻、銅箔和鍍層的蝕刻和鍍而制造的,Z方向的連接最普及的工藝有貫通孔電鍍法和積層法,分別如圖1和圖2所示。圖3表示了利用積層法制造的PCB的截面,圖3中板中央的芯部是采用貫通孔電鍍法制造的?？v觀PCB的制造工藝,覆銅箔板中的銅箔與樹脂的粘結(jié),積層中的熔融樹脂與內(nèi)層圖形的粘結(jié),電鍍中的包括化學(xué)鍍銅的前處理在內(nèi)的各種工程、電鍍工程、表面圖形制造中的蝕刻過程等都與銅的表面處理密切相關(guān)。這些工程是PCB制造的中樞工程,對可靠性的影響很大。因此下面以銅箔和銅鍍層等相關(guān)技術(shù)和可靠性為中心加以介紹。3必要的pc功能3.1電能能因為PCB是主要的電子部件,所以要求嚴格的電性能。主要電性能如下。3.1.1制造性更嚴格連接元件間的電阻越小越好。因為微細線路和線路間隙變小,電阻就會上升并增加導(dǎo)體厚度是有限制的,所以抑制電阻的增加很有必要。例如10mm長度的導(dǎo)體中,截面積為50μm2時的電阻為3.48?,截面積為100μm2時電阻為1.74?。如果線寬10μm,前者厚度為5μm,后者厚度為10μm,因此制造性更加嚴格。如果線路變長,就會增加電阻,結(jié)果造成導(dǎo)電損失(αc),在高頻時影響信號傳輸。3.1.2絕緣材料如果微細線路變細,線路間隙也變小,那么泄漏電流(LeakCurrent)就會上升,由于絕緣劣化而容易引起短路等,結(jié)果妨礙設(shè)備工作。3.1.3抗z測試存在于信號導(dǎo)體和地線之間的電感(L)、電容(C)、電阻(R)和電導(dǎo)(G)構(gòu)成了分布常數(shù)電路,決定了特性阻抗(Z0)。式(1)表示了特性阻抗值。這種特性阻抗值的變化處,引起信號的反射,變成噪聲。設(shè)反射系數(shù)為Γ,輸入阻抗為Zr,則得:Z0的值必須一定,對于高速脈沖信號的處理特別重要。Z0的值取決于信號的導(dǎo)體寬度、厚度、地線之間的絕緣間隙和介質(zhì)常數(shù)。尺寸的變化和介質(zhì)常數(shù)的變化會引起特性阻抗的變化,因此要求高精度。3.1.4介質(zhì)常數(shù)和速度信號的傳輸速度(v)與介質(zhì)常數(shù)的平方根的倒數(shù)成比例,所以高頻信號的傳輸時要求低介質(zhì)常數(shù)材料。C——光速;K——常數(shù)。3.1.5頻率d與介質(zhì)常數(shù)法介質(zhì)損失(αd)取決于材料的電介質(zhì)損失(tanδ),由式(4)表示。式中:f——頻率;εr——介質(zhì)常數(shù);K——常數(shù)。如果αd值大,則會引起裹減,信號作為熱而消耗。傳輸?shù)目倱p失為導(dǎo)電損失和介質(zhì)損失之和,由式(5)表示。3.1.6傳輸?shù)暮穸融吥w效應(yīng)是高頻傳輸信號在導(dǎo)體表面?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)象,傳輸?shù)暮穸?δ)如式(6)所示。式中,ω——2πf;σ——電導(dǎo)率;μ——導(dǎo)磁率。因此,表面狀態(tài)對信號的傳輸有很大變化。3.2機械性能3.2.1導(dǎo)電線路與粘結(jié)樹脂的附著性導(dǎo)體與絕緣體的附著性關(guān)系到焊接和設(shè)備運轉(zhuǎn)時熱的影響,關(guān)于接合面有以下3種情況:(1)覆銅箔板中,銅箔與樹脂的粘結(jié)。(2)多層板內(nèi)層中導(dǎo)體線路與粘結(jié)樹脂的附著性。(2)在多層板的內(nèi)層中,在多數(shù)情況下利用強堿性氧化性溶液形成黑色氧化膜,以提高導(dǎo)體線路與粘結(jié)樹脂的附著性,利用錨固作用保持與樹脂的粘結(jié)性。但是這種黑色氧化膜耐酸性差,會引起內(nèi)層的剝離,因此正在開發(fā)改善的方法。(3)為了在化學(xué)鍍銅的樹脂面上析出附著性的鍍層,日前的方法是粗化樹脂面,利用錨固作用而獲得附著性。平滑面上附著性良好的化學(xué)鍍銅層尚未實用化,正在開發(fā)中。3.2.2直接進入景觀的線路如果PCB翹曲和扭曲,那么在PCB的微細化圖形上安裝LSI的引線和各種元件,插入連接器等就會引起連接不良。與絕緣基板或者導(dǎo)體的粘結(jié)面存在著應(yīng)力,希望通過材料構(gòu)成,制造階段中的條件管理等方面加以改善,但由于有機樹脂材料的本質(zhì)問題,不可能完全沒有應(yīng)力。3.2.3結(jié)構(gòu)的整合試驗除了上述特性以外,還要保持尺寸穩(wěn)定性、焊接性和耐熱性等方面的良好整合。綜上所述,由于PCB要多方面的特性,所以必須進行各種材料的開發(fā),提高制造技術(shù)和可靠性,以便制造更高附加值的PCB。4銅表面與樹脂的連接4.1銅箔和銅箔復(fù)合膠的復(fù)合導(dǎo)電材料現(xiàn)在的覆銅箔板使用的銅箔大部分是電解銅箔,傳統(tǒng)的銅箔一面平滑,另一面(背面)是具有凹凸的粗面,這種粗面化旨在提高與樹脂的剝離強度。銅箔粗化粘結(jié)面,形成微細凹凸,使其容易與樹脂融合,且可進行Cu、Zn、Ni等金屬的鍍覆。尤其是形成防氧化膜和鉻酸鹽膜。這些處理由制造商按照各種專門技術(shù)進行處理,性能正在逐年提高,可以獲得1.5kN/m~2.0kN/m的剝離強度?？紤]到趨膚效應(yīng),正在進行接近于平滑面的開發(fā)。圖4表示了一般銅箔的銅箔截面。圖5表示了低輪廓(LowProfile)銅箔和無剖面(Profile-free)銅箔等減少表面剖面的銅箔開發(fā)。雖然剝離強度降低1.0kN/m~0.7kN/m,但是改善了傳輸特性,如圖6所示。平滑銅箔面通過選擇性硅烷耦聯(lián)劑處理,可以獲得實用上適宜的剝離強度。4.2氧化銅的還原處理及蝕刻化多層板的內(nèi)層圖形的粘結(jié),積層板中與樹脂層的粘結(jié),芯板上形成的導(dǎo)體圖形與樹脂的熔融粘結(jié),這些情況下銅面的表面處理一般采用黑色氧化(BlackOxide)處理。如圖7所示,樹脂侵入到氧化銅中而粘結(jié)。這種黑氧化層耐酸性弱,在化學(xué)鍍銅的處理過程中,從孔的側(cè)面侵入酸而溶解,降低焊盤的附著性,有殘留處理液的危險。為此采用氧化銅的還原處理(特殊化學(xué)鍍)產(chǎn)生的粗面化制造粗面的方法。另外,利用蝕刻的粗面化方面也已普及。蝕刻使用蟻酸類的螯合物,與空氣中的氧一起,選擇性溶解銅的結(jié)晶粒界。利用蝕刻可以形成如圖8所示的0.5μm粗面。還開發(fā)了更加平滑的處理且可提高附著性的化學(xué)處理。這種平滑表面即使在超高頻中也可以改善損失。在今后的銅箔處理中非常需要這種平滑面。4.3利用含油劑的錨固回收利用,利用表面質(zhì)量來提高表面的附著性,并將樹銅箔和銅面上的粘結(jié)采用金屬表面的處理法,旨在提高某種程度的平滑面的粘結(jié)性。但是樹脂面上的化學(xué)鍍銅層析并不容易。圖9表示了現(xiàn)在的化學(xué)鍍銅中樹脂面的處理,調(diào)整樹脂組成,在表面上形成2μm~3μm的凹凸狀粗面化,利用錨固作用而獲得附著性。因為這種方法適合于高速化,所以正在進行表面平坦化的開發(fā)。圖10表示了平坦化的開發(fā)例之一,樹脂表面上照射UV光,樹脂表面上形成多孔質(zhì)的20μm~50μm厚度的改質(zhì)層,經(jīng)過催化和化學(xué)鍍銅,可以獲得平滑且剝離強度1.0kN/m以上的鍍層。這種技術(shù)已經(jīng)納入實際的工藝,并期待著實用化。即使聚酰亞胺膜,經(jīng)過UV光照射,化學(xué)鍍鎳和化學(xué)鍍銅,也可以獲得良好的結(jié)果。4.4涂層膠結(jié)充填法導(dǎo)體的圖形轉(zhuǎn)寫早就有各種專利或者提案,即使現(xiàn)在還有。圖11表示了一種轉(zhuǎn)寫法工藝。雖然還沒有實用化,但是這種方法的優(yōu)點是:(1)圖形嵌入樹脂中,變成齊平(Flush)電路,因為3面與樹脂粘結(jié),使得平滑面的粘結(jié)成為可能。(2)因為在金屬板(Cu、Ni、不銹鋼等)上制造圖形,無須化學(xué)鍍銅,也不會殘留鉛。(3)表面平坦,阻焊劑的涂覆容易等。轉(zhuǎn)寫法是規(guī)則不同的納米印刷法的一種,雖然存在著與樹脂粘結(jié)的銅的表面處理,圖形的位置重合法和表面研磨法等許多實用化的課題,但是它是可以值得期待的方法。5圖形電鍍法電鍍法的PCB中,表面的導(dǎo)體圖形與Z方向的連接是同時制造的,確保電鍍貫通孔內(nèi)的鍍層厚度的同時,還在表面上成長鍍層。孔內(nèi)和表面的電鍍以及表面的圖形制造中有全板電鍍法和圖形電鍍法兩種方法。圖12表示了全板電鍍法,它是全板進行電鍍和蝕刻的方法。圖13表示了圖形電鍍法,它是利用化學(xué)鍍銅形成植晶層(Seed)以后,利用耐鍍層只在圖形部分進行電鍍的方法。不使用銅箔的圖形電鍍法稱為半加成法。圖形電鍍法雖然是現(xiàn)在普及的方法,但是一般的難以抑制側(cè)蝕,以微細圖形為目標的情況下,采用耐鍍層決定圖形寬度的圖形電鍍法,尤其是鍍后的蝕刻量少的半加成法有利于微細圖形的制造而被廣泛采用。在圖形電鍍法中,必須采取針對PCB圖形面積疏密的電流密度控制和面積偏頗產(chǎn)生的鍍層厚度不均勻的對策。6堆積導(dǎo)通孔積層板的導(dǎo)通孔的內(nèi)部鍍層通常是沿著內(nèi)壁鍍覆的,但是最近要求堆積導(dǎo)通孔(StackedVia),采用鍍層填埋導(dǎo)通孔內(nèi)部的鍍層填充導(dǎo)通孔越來越多。利用電鍍添加劑的電流控制而實現(xiàn)鍍層填充導(dǎo)通孔。作為添加劑,在表面上吸附抑制電流的PEG,在孔內(nèi)部吸附促進電流的SPS和JGB等染料系,利用電鍍而實現(xiàn)填充。利用這種填充導(dǎo)通孔實現(xiàn)了如圖14所示的堆積導(dǎo)通孔,如圖15所示,增加布線領(lǐng)域的同時,還可以提高電性能。由此可見堆積導(dǎo)通孔的優(yōu)點很大。但是如圖16所示,由于堆積的重疊數(shù),材料的附著性和熱膨脹性等和鍍層的物性或者附著性等原因,存在著發(fā)生棱角裂紋(CornerCrack)或圓柱裂紋(BarrelCrack)的危險,必須充分的研究層構(gòu)成的設(shè)計?，F(xiàn)在的積層板因為積層層薄而沒有強度,所以以通常的貫通孔電鍍PCB為芯板,可以確保PCB的強度。但是因為芯板的導(dǎo)通孔孔徑較大,導(dǎo)通孔密度小,所以產(chǎn)生上下連接的障礙。為此無芯的積層板的要求應(yīng)運而生。然而為了增大無芯的積層板的強度,必須增大導(dǎo)體層數(shù)。使用堆積導(dǎo)通孔構(gòu)造時,堆積構(gòu)造的設(shè)計影響到可靠性。另一方面,作為芯板,確保板的強度的最小板厚,鍍層填充微小貫通孔內(nèi)部的填充貫通孔都是必要的。7銅箔電鍍的制備現(xiàn)在進行化學(xué)鍍銅時,以鉛為催化劑而析出銅。只用覆銅箔板時,樹脂面上沒有催化劑的殘留。但是在半加成法中,為了在樹脂面上析出銅,圖形形成以后,樹脂面上必須存留催化劑鉛。如果吸附的鉛催化劑量多,則具有導(dǎo)電性,可以用作電鍍的基底層。根據(jù)目前的圖形密度,雖然控制鉛催化劑吸附量是可以維持絕緣性的,但是如果圖形微細化,鉛催化劑的殘留就會降低絕緣性。作為對策,以通常的半加成法為基準,一般采用2μm~3μm的減成法的銅箔進行圖形電鍍,除去鉛催化劑。但是這種銅箔厚度還是存在微細圖形的問題,于是研究了圖形形成以后可以除去的銅催化劑和銀催化劑作為鉛催化劑取代催化劑。銀催化劑可溶解于H2SO4-H2O2溶液中(98%H2SO4170ml/L,35%H2O2150ml/L,CuSO4O·5H2125g/L),有利于提高絕緣性。因為可以采用各種溶液除去銅,絕緣性的確保也是可能的。如果采用上述的圖形轉(zhuǎn)寫法,因為沒有使用催化劑而可以確保高絕緣性。8鍍層離子遷移引起的不良現(xiàn)象PCB中的絕緣劣化幾乎都是由離子的遷移造成的。離子遷移的生成條件有:(1)遷移的離子種;(2)加濕;(3)存在著離子移動的微細空間;(4)施加電壓。在這些條件下發(fā)生沿著板的面方向,板厚方向或者玻璃纖維的離子遷移,引起絕緣劣化或者短路等不良現(xiàn)象。圖17表示了與電鍍的關(guān)系例,它是內(nèi)層銅箔間發(fā)生的遷移,經(jīng)過相當時間以后發(fā)生短路。圖18表示了絕緣電阻隨著電鍍液離子的爬行(Creep)成為遷移的離子種,引起圖形之間的絕緣性差。除了鍍液以外,還會發(fā)生與樹脂中的雜質(zhì)和銅箔的處理等有關(guān)的遷移。然而現(xiàn)在已經(jīng)有了很大