hdi微孔技术研究程

1、HDI微孔技术研究一、HDI微孔的主要钻孔工艺及相关概念二、HDI板的介质材料三、高密度基板孔的金属化技术四、HDI的电子测试技术五、HDI相关理论介绍六、参考文件及专用名词1一、HDI微孔的主要钻孔工艺及相关概念微孔定义 IPC-2315 & IPC-4104（JPCA定义为积层导通孔）规定为直径0.15mm埋、肓导通孔，而标的连接盘（target pab）（JPCA定义为导通孔连接盘底部的连接盘）规定为直径0.35mm的连接盘。HDI定义 HDI（JPCA定义为积层PCB）是具有已减少的几何形状图形的基板，一般将每平方英寸互连线达到160英寸幻数（magical number），部分定义为

2、每平方英寸达到110英寸。有利于缩小尺寸、减轻重量和增加电气性能。烧蚀门槛值（ablation threshold） 调整能量密度扩大光束直径或减弱输出能量，使之介于处理的介质材料门槛值和铜的门槛值之间，从面保证钻孔过程控制在目标导体层上。HDI微孔的主要工艺 主要有四种工艺：激光导通孔、干法/湿法蚀刻导通孔、光致导通孔、导电油墨形成导通孔和电路。一、激光导通孔 激光钻孔主要有CO2激光和UV-YAG激光，与机械钻孔的差异是用聚焦光束制造出2比用传统方法更小的孔。激光钻孔去掉介质的机理分光热切除（ablation）和光化学切除。 光热烧蚀（切除）：激光波长在500纳米到10600纳米之间。吸收

3、的能量加热材料，导致它融化并被蒸发掉。孔壁易碳化，在镀孔前需用去污工艺进行清除。光化学烧蚀（切除）：激光波长低于400纳米。高能量的光子可以打破有机材料的分子长链，其能量高于原分子能量，强制性从孔中弹出形成粉未，不会造成成孔四周热损伤。1、激光钻孔的激光类型（用于PCB与封装行业）A。UV二极管激励的UV：YAG，其中三次谐波的Nd：YAG波长355纳米。在PCB钻孔中应用最多。B。RF（radio frequency）激发的CO2激光,为降低热损伤，应缩短脉冲时间，需外界对光束进行调制。激光源密封，无需外界供给气体。C。横向受激光气氛TEA（transverse excited atmosp

4、heric） CO2激光，脉冲持续时间根据不同气体混合调整，需外界供给气体。常规维护需更换电极和光学元件，成本高。D。准分子（Excimer）同TEA CO2激光相似，使用气体为二聚物，主要用于密度很高的模块和封装中微孔加工。32、成孔技术A。直接成孔：直接加工板材的铜和介质，常用于通孔加工，目前仅有UV：YAG激光采用。较大的孔采用光学方法放大激光束，或将光束作圆周运动挖孔（trepanning）或螺旋孔（spiralling）。B。两步工艺成孔：第一步用UV：YAG激光去掉表面铜和部分介质，第二步用低能量密度的UV：YAG激光或CO2激光完成。二、干法/湿法蚀刻导通孔 最普通的干法蚀刻工艺

5、是利用高频气体等离子体来进行蚀刻。 普通的热的KOH的湿法蚀刻工艺已经用于聚酰亚胺膜中。三、光致导通孔 一般为半加成法或全加成法. 首先将专用配方的光敏树脂体系涂覆于次复合结构(subcomposite)上,然后通过照相底版首分接触光致材料于UV光中进行曝光,曝光后便产生了大量的导通孔.常用材料:Enthone-OMI Envision PDD-9015光敏介质层材料与Ormet油墨, Dupont PDDF-100光敏干膜.四、干法金属化(导电油墨/绝缘层再配置) 导电胶用来填充微孔,在层与层之间起导电通路作用. 表面金属化既可以通过向介质材料表面层压铜箔来实现,也可以通过化学沉积来实现.4

6、二、HDI板的介质层材料覆铜箔介质层材料 一般选择薄型的106或1080玻璃布增强材料(厚布在使用激光时难于汽化),树脂严格接近于70%的1片或2片的层压板.激光钻孔使用敷形掩膜(conformal mask),采用UV的Nd: YAG或CO2激光的直接聚焦光束,来进行导通孔的蚀孔.以上材料一般适于用等离子体或激光蚀孔等方法来制作导通孔.1 . 涂树脂铜箔 与FR-4性能相似,无E 玻璃布增强材料,在剥强度,热性能上都是优良.一般分两种类型:一次形成的涂树脂箔和两次形成的涂树脂铜箔.一次形成的涂树脂箔是为了使用流动和填充的要求而设计的单一的B-阶树脂层.两次形成的涂树脂铜箔在靠近铜箔处是一层C

7、-阶树脂层,接着是一层用于流动和填充的B-阶树脂层. 介质层厚度变范围为25m 76m . 常用铜箔为1/2oz(25m )和3/8oz(13.35m ). 材料性能资料参考IPC-4104规范图表12,13,19,20,21,22)2 . 非编织的非玻璃布增强的层压板 从机械角度材料可以分为增强的和非增强的层压板和预浸材料. 一般增强材料有较好的尺寸稳定性及低的热膨胀系数(CTE),非增强材料具有低有介电常数(Dk),并可以光致成像. 例如:Thermount及Thermount RTTM岐压板及预浸材料.5非覆铜箔介质层材料 日本目前70%使用的是非覆铜箔材料.1 . 光致介质层材料 材料

8、包括:环氧树脂,环氧混合材料,聚降冰片烯(pohynorborene),聚酰亚胺等. 可采用液体状或干膜状,负片或正片成像,溶剂型或水溶型显影. 材料性能资料参考IPC-4104规范图表1,2,3,4,5,6,7,8,9,10及16. 常用材料: Dupont VialuxTM81光致干膜与Cibas ProbelecTM81/7081相同; Envision PDD-9015光致液态介质绝缘材料; MacDermid MACuVia C光致态介质材料; Shipley Multiposit 9500(液态介质材料);Morton DynaVia 2000TM光致干膜.2 . 非光致成像非增强

9、的介质材料 可用激光钻孔、等离子体蚀孔/机械Ajinonomoto ABF 干膜，Tamura TBR-25A-3热固型油墨，Taiyo HBI-200BC热固型油墨，MACuVia-L液态介质材料，Enthone方法等形成微孔。主要材料有：Osada -OMI Envision液态介质材料等。6导通孔堵塞材料（用于网印方法） 在选择堵塞材料时需考虑是否易于网印、是否易于研磨（决定平整度）、与孔壁及在制板表面的粘结力。Noda Screen 平面堵孔（flat plug）工艺中用于永久性堵塞通孔最常用材料包括双固化（UV固化+热固化）环氧树脂、光致介质材料、导电胶、单固化（热固化）环氧树脂、阻

10、焊印料及涂树脂铜箔（RCF）。1、双固化（UV固化+热固化）环氧树脂 Noda Screen Co，Ltd（日本）使用SAN-EI Kagaku Corp.(日本)Epoxy Resin PHP-900导通孔堵塞油墨实施平面堵孔工艺.2、光致介质材料 MacDermid的MaCuViaTMFill使用针塞（bed-of-nails）或波纹板（dimple plate）采用一次或两次涂覆树脂，可将孔堵满。3、导电胶 产品有Dupont的BiooViaPlug；CB100（由银、铜及环氯树脂制成的网印胶）。4、单固化（热固化）环氧树脂 试用产品有： SAN-EI Kagaku Corp.PHP-9

11、00（用于IR）；Taiyo等。5、涂树脂铜箔（RCF） 仅用于孔径与芯板厚度为低厚径比的板上。7三、高密度基板孔的金属化技术 传统化学沉铜工艺中,Pd上催化剂,甲醛作还原剂,则在孔壁等处沉上一薄层铜,但沉铜副产物-氢气气泡会导致空洞和沉铜层偏薄,微孔中更易产生. 常用替代化学铜的工艺有:1.钯基工艺 钯基直接金属化工艺利用分散的钯颗粒来使非导电表导电.,以便可以直接镀铜. 流程: 清洁/调整微蚀预浸产生导电层加速后浸2.碳基工艺 使用碳颗粒可铜电镀到非导体表面上,一种工艺是使用碳黑,一种直径为1000X10-10的不定形物质,为各向同性导电;另一种是使用高度晶体结构的合成石墨直径约为1000

12、0X10-10,为各向异性导电,其中石墨覆盖层比碳黑覆盖层的电阻更低.石墨基工艺 利用石墨颗粒稳定的分散来涂覆到PWB基材表面上. 流程: 清洁/调整石墨固定剂空气刀/干燥微蚀 调整溶液在树脂和玻璃表面上产生正电荷,吸附带负电荷的石墨颗粒从而覆于PWB的表面上,石墨颗粒与调整剂的反应的结果引起粘结剂分子与调整剂表面上的活性氢基的耦合.,从而在树脂与玻璃上提供了一个稳定的石墨膜.未与调整剂反应的多余石墨必须在干燥前除去.此时采用安装空气刀，再用酸性固定剂中和粘结剂表面的活性基团来去除多余的石墨，并沉淀下来，再通过喷淋冲洗将沉淀清洗掉。 8干燥去除残留于涂覆层上的水，并使耦合充分。微蚀是去除铜表面

13、、有效焊盘及互连面多余的石墨，在非金属面上留下导电且连续的石墨涂层。碳黑基工艺 流程: 清洁剂碳黑空气刀/干燥清洁剂碳黑空气刀/干燥微蚀 通常用两次经过碳黑溶液以获得充分的导电性能。3.导电聚合物 流程: 溶剂调整高锰酸盐清洗催化剂固定干燥 高锰酸盐与树脂反应的二氧化锰残留于树脂与玻璃布表面，是氧化剂。催化剂为吡咯、噻吩衍生物的单体。在催化反应中，板被含单体的溶液润湿。溶液中的酸迅速发生氧化聚合反应，在有酸存在时，二氧化锰作为单体氧化剂，形成了一层导聚合物膜。要求贴膜前擦板。4.电镀铜 当厚径比达到1:1时,必须将电镀工艺由传统的DC电镀改为周期脉冲反向电镀(PPR).5.直接金属化6.去沾(

14、钻)污工艺(改进的溶剂溶胀系统的高锰酸盐去钻污)注解：成功的孔金属化需要的三个互相关联的条件：优化的去钻污、能够使铜沉积高导电性涂层和用于电镀的革新技术。9四、HDI的电子测试技术HDI测试设备的ET设备基本要求：1、24mil（50-100m）精细节距的能力（线或阵列）；2、盘没有损伤（非接触或柔软接触）；3、适用欧姆定律测试（100%电测试）或类似测试；4、10欧姆的连通性测试，10兆欧绝缘性测试（250V）；5、无夹具（低的NRE成本）；6、批量生产能力：每小时大于2平方米或每秒测试200到400个点。7、高频测试能力：控制阻抗和串扰。 以上要求采用传统的针床测试设备及移动探针测试设备都

15、不能满足要求，以下为正在开发及新的电测试技术：1、电子束（E-beam）测试设备，开发中，衍生的两种技术“电压比较（voltage contrast）法”和“开关网格电位”（switch grid potential）法较好。2、电子束开关网格电位法 测试区域被划分成2“X2”的小片，电子束用来扫描整个表面并对准标靶。当不同电子束在同一盘的电位转换速度与电容的关系来确定开路及短路。用于超精细节距（小于25微米）测试，缺点是开路门槛值较低（将近10兆欧），要求高的真空系统。10 3、等离子体放电测试设备（Plasma Discharge Tester） 采用在一个基板上的两个位置激发局部等离子体

16、，使接触两个相应的测试点。无夹具等离子体放电探头测试设备可以测试精细节距（250微料以下）。4、控制电子迁移（Controlled Electron Migration） 控制电子迁移是利用光电效应激发被测试基板线条上网格上的电子，在高频激光束的脉冲下电子被发射和测量。可进行超细节距（75微米）测试。控制电子迁移测试开路的门槛值较低（1千欧）。11五、HDI相关理论介绍线延线延时间TD: ( ns : nanosecond 毫微米)说明信号的传递速度与互连长度相关TD=Lr (12in/ns)=82ns/in L r HDI基材的低介电常数有利于减少线延.在常规的FR4板中,玻璃纤维的介电常数

17、大约为6.2,环氧树脂介电常数大约为3.5,根据玻璃和环氧混合的原则,FR4的介电常数在4.0和5.2之间变化.附表:常用HDI介质的介电常数材料介电常数材料介电常数光致成像介质环氧树脂3.8环氧树脂RCC3.5环氧丙烯酸酯3.8FR4(玻玻布)4.15.2)环氧芳香族酰亚胺(Alivh)3.5Dupont聚酰亚胺薄膜3.4膨胀性PTFE Gore-Tex Microlam(聚四氟乙烯)3.3Drclad (IBM)(玻璃布)4.1双马来酰胺三嗪树脂(BT)(玻璃布)4.1氰酸酯(E-glass)3.812六、参考文件及专用名词参考书籍1.高密度互连积层多层板杂志 200032.IPC-231

18、5 & IPC-41043.HDI:high density interconnection,高密度互联专用名词1.ITRI : Interconnection Technology Research Institute2.盘嵌盘: :pad-within-pad3.微导通孔:microvia4.连接盘:target pad5.BGA : Ball-Grid Array6.CSP : Chip Scale Packaging7.SLC : Surface Laminar Circuit8.自动布线程序列 : Auto-routers9.环氧树脂微导通孔工艺品 : Plasma Etched Redistribution Layers10.铜蒸汽激光