电镀铜过去现在与未来

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三、预布焊料之填孔
资深一点的读者也许还记得,九年前Pentium(586)的时 代,其CPU是采用“卷带自动结合”(TAB)的封装方式。 此大型晶片封装完工之多脚元件,下游还要进行板面的 贴焊组装。该QFP四边外伸贴焊之I/O共得320脚,单边 80只平行伸脚彼此之密集 比,逼得承接的长方焊垫也 随之并肩鳞次,密密麻麻,方寸之间逼得相邻脚垫之跨 距(Pitch)拥挤到不足10mil!垫宽(Width)仅剩 5mil, 垫距(Spacing)更在5mil以下的艰困境界。如此之密距 多垫及狭面之高难度锡膏印刷,有谁能够保证不出差 错? 即使锡膏印刷得以过关,其后续的元件放置(Placement) 踩脚与高温熔焊(Reflow)之二种更难工序,又如何能 13 在量产中彻底免于短路?
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愈合抹平,于是使得3mil以下小浅盲孔的填实大为受惠。 且由于孔长对孔径的纵横比还很低,故被热应力拉断的 可能性也不大。然而一旦微盲孔的口径到达6mil以上甚至 二阶深盲孔时,其填平几率即大幅降低,此一困难目前 尚为克服。
4.1装饰酸性铜之配方
以下即为高速镀铜槽液(阴极电流密度CCD平均为80100ASF)的典型组成,其中酸与铜之重量比即接近1:1 者: 本配方若采用常规电流密度(20-40ASF)之挂镀者, 其酸铜比应维持到6:1以上。若又欲改采低速镀铜时 (5-15ASF),其酸铜比还可拉高到10-15/1的地步。故 基本配方的变化范围很大,完全依靠操作条件而定。
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四、酸性铜基本配方与操作
80年代以前硫酸铜(简称酸性铜)之镀铜制程,只出现 于装饰光亮镍前的打底用途。85年以后由于PCB所用高温 焦磷酸铜之差强人意,才逐渐改采低温之硫酸铜,也才 使得此种未被青睐的璞玉浑金终于有了发光的机会。不 过其基本配方却也为了因应穿孔的分布力,与提高延性 (Elongation或称延伸率)之更佳境界起见,而被改为酸 铜比甚高(10:1)的新式酸性铜了。 时至2001年以来,由于水平电镀铜的高电流密度要求, 以及面队盲孔填平的最新挑战起见,于是其之酸铜比又 走回头路而往先前装饰铜的1:1目标逐渐下降。此种装 饰酸性铜最大的特点就是“微分布力”(Microthrowing power)非常好,对于表面刮伤与凹陷等瑕疵很容易予以
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1.3水平镀铜
随后为了方便薄板的操作与深孔穿透以及自动化 能力起见,板面一次铜(全板镀铜)的操作,又曾改 变为水平自走方式的电镀铜。在其阴阳极距离大幅拉 近而降低电阻下,可用之电流密度遂得以提高2-4倍, 而使得量产能力为之大增。此种新式密闭水平镀铜之 阳极起先还沿用可溶的铜球,但为了减少量产中频繁 拆机,一再补充铜球的麻烦起见,后来又改采用非溶 解性的钛网阳极。而且另在反脉冲电源的协助下,不 但对高纵横比小径深孔的量产如虎添翼,更对2001年 兴起的HDI雷射微盲孔(Micro via)也极有助益。不过 也由于非溶阳极已不再出现溶铜之主反应,而将所有 能量集中于“产生氧气”之不良副反应,久之难免会对 添加剂与Ir/Ti式DSA(商标名称为“尺寸安全式阳极)
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1.2硫酸铜与反脉冲
十年后(1995)的电路板开始采孔径0.35mm或 14mil以下的小孔,在板厚不变或板厚增加下,常使得 待镀之通孔镀铜出现4:1至10:1高纵横比的困难境界。 为了增加深孔渡铜的分布力(Throwing Power)起 见,首先即调高基本配方的酸铜比(拉高之10:1以 上),并也另在添加剂配方上着手变化。而且还在固 有垂直挂镀的设备中,更换其传统直流(DC)供电, 转型为变化电流(广义的AC)式反脉冲电流(Reverse Pulse)的革新方式。在其反咬电流密度很大但时间却 很短的情况下,冀能将两端孔口附近较厚的镀铜层予 以减薄,但又不致影响深孔中心铜层应有的厚度,于 是各种脉冲供电方式也进入了镀铜的领域。
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导致超级锡膏的精彩演出立即失色,昂贵的“火蜥蜴”生产 线几乎成了残铁。技术转变所造成业者的投资损失,不 但无奈也无法预知。 然而,任谁也没想到几年后的今天,手机板上微小BGA球 垫中的一阶或二阶盲孔,竟可以利用早已过时的“超级焊 锡”事先予以熔焊填平,大大满足了下游组装的良率与可 靠度。在此秘密武器的逞能发威下,当然 不必烦恼 镀铜填孔了。不过此种移花接木的剩余价值,也只是某 些特定厂商竟想不到可遇难求的机缘而已,盲孔填实的 镀铜仍然还是业界普遍又迫切的需求。
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4.3吹气与过滤
酸性铜之操作必须吹气,其功能系在协助槽液的搅拌 以达浓度之均匀,减少亚铜离子(Cu+)的发生,襄佐 添加剂的发挥作用,以及帮忙赶走板面或孔口氢气之 不良聚集等。 吹气宜采清洁干燥的鼓风方式,可按槽液之液面大小 而设定其吹气量(ft3/min;CMF)。一般电路板之吹 气不宜太强,其空气流速约在1.5-2.5CMF/ft2。太强烈 的涡流(Turbulence)反而会造成深孔两端出口孔环 (Annular Ring)上的鱼眼(Fish Eye)或碟陷(Dish Down)。 吹气管最好直接安置在阴极板面正下方的槽底,绝对 不可放在阳极下方,以免固体粒子之逸出而发生镀层 粗糙。可将之架高约2-3寸,并让吹管在朝下之左右两
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4.2电路板挂镀铜之配方
为了使孔壁厚度达到规范的要求(平均1mil),以 及耐得住热应力的考验起见(早先为288℃十秒钟漂 锡一次而不断孔,目前由于封装载板的加入,又再 严格到漂锡5次不可断孔);用于PCB的酸性铜已普遍 改为酸铜比10/1的下列配方:
硫酸铜 铜离子 硫酸 氯离子 有机阻剂 阴极电流密度 75-100g/l 18-25g/l 180-280g/l(100ml/l) 45-60ppm 适量 25ASF(2.5ASD)
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得更为严重凄惨。于是受机板得客户们不得不一再要求 电镀铜能够对盲孔尽量填平,以维持整体功能于不坠。 截至目前为止,现役酸性镀铜得本事只能说填多少算多 少,微盲孔之孔径在3mil以下之浅小而多用于封装载板 者, 实填得问题还不算严重,某几种商业镀铜制程也还颇能 让人满意。然而增二与增三式手机板其BGA球脚垫内的二 阶盲孔,不但口径大到6-8mil之间,且其漏斗形之深度也 接近3mil。加以最新亮相超难密距(0.5mm或20mil-pitch) 的拉近于挤压垫面空间,更使得垫径又被紧迫缩小到只剩 下12-14mil左右,逼得盲孔表面得环宽竟只剩下3mil而已。 如此局限又险恶地形之锡膏承焊,安得不令人频捏大把冷 汗?是故填孔镀铜几乎已经成为势在必行的工艺了。
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昂贵的非溶阳极造成伤害,甚至还影响到镀铜层的物理 性质。至于2002年新冒出二阶深微盲孔所需的填孔镀 铜, 已使得水平电镀出现了力犹未逮的窘境。对于此中困 境, 势必又将是另一番新的挑战。
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1.4垂直直走的挂镀铜
1999年初日本上村公司曾推出一种U-CON制程,即属精密 扰流喷流之槽液与恢复两侧铜阳极的垂直直走挂镀;但由 于成本及售价都极为昂贵,故目前台湾业界只有少数生产 线而尚待后续流行。三年来量产的水平电镀铜几乎已发展 到了极限,于是恢复铜阳极的自走式挂镀又开始受到重视。 目前国产设备供应商已有造利公司推出新机,其品质与成 效如何仍有待长期量产的考验。
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硫酸铜CuSO4·5H2O 铜金属离子Cu2+ 硫酸H2SO4 氯离子Cl阴极电流密度
270g/l 69g/l 472g/l 40-80ppm 40-150ASF
Leabharlann Baidu
至于最具影响力的有机阻剂,则其商品药剂之性能又 彼此不同,必须实地操作才能找到最佳状况。通常此 种装饰铜的厚度都很薄(0.5mil以下),主要目的是在 减少刮伤与凹陷而铺平底材,使后续的装饰镍与薄铬 层才有机会发挥更好的光泽,至于抗拉强度或延伸率 等等,对于装饰用业者通常不太讲究。
一种十分奇特的Super Solder制程。其做法是对着80个密 封的单边,在钢板(Stencil)上只开出一道简单的鸿沟, 再将上述“超级锡膏”不分铜垫或间距一律予以印满。巧妙 的是在随后的高温熔锡过程中,其熔锡层只长在狭长的铜 垫上,间距中则全无锡层,甚至残锡或锡珠锡渣也从不见 踪迹。于是在此精准预置焊料之秘密武器下,只要小心将 P-I的320只引脚全数对准踩定后,即可像操作熨斗一般利 用热把(Hot Bar)进行压焊。当年高雄的华泰电子即曾大 量组装此种搭载CPU的小型精密卡板。 好景不常,此种高难度TAB用之于CPU的做法,不到 三年就遭到淘汰。客观情势逼得Intel不得不放弃自己一向 主张的TAB,而改采Motorola的BGA进行高价位高难度CPU 之封装。于是球脚组装PentiumII的SECC卡乃于99年正式
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侧两排,每隔一寸各打一个错开的吹口,两排孔左右朝 下的夹角约在35-40°之间。如此翻搅之下将可减少槽 底污物的淤积。至于阴极杆往复移动式的机械搅拌,则 以板面45°之方向为宜。某些业者甚至还另采用垂弹跳 式的震动,以赶走氢气。 整流器的链波(Ripple)应控制在5%以下(注意此数据 应在实际量产的动态连续供电情形下去量测,而非静态 无负载的单纯量测),连续过滤也是必须之操作与设备。 滤芯的孔隙度约在3-5um之间。正常翻槽量(Turn over) 每小时应在2-3次左右。要注意的是其回槽吐水口绝对不 可夹杂有细碎气泡,以减少待镀板面的球坑或子弹坑。
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二、最新挑战的背景
BGA球脚之承焊铜垫内设微盲孔(Micro via in Pad),不 但可节省板面用地,而且一改旧有哑铃式(Dog Boning) 层间通孔较长的间接互连(Interconnection),而成为直 上直下较短的盲孔互连;既可减短线长与孔长而得以压 制高频中的寄生杂讯外(Parasitics),又能避免了内层 Gnd/Vcc大铜面遭到通孔的刺破,而使得归途(Return Path)之回轨免于受损,对于高频讯号完整性(Signal Integrity)总体方面的效益将会更好。 然而此种做法在下游印刷锡膏与后续熔焊(Reflow)球脚 时,众多垫内微盲孔中免不了会吸引若干锡膏的不当流 入。
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此种负面效应;一则会因锡量流失而造成焊点 (Solder Joint)强度的不足,二则可能会引发盲孔内锡 膏助剂的氧化而吹涨出讨厌的空洞(Voids),两者均 使得焊点可靠度为之隐忧不已。
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而且设计者为了追求高频传输的品质起见,01年以前 “1+4+1”增层一此的做法,又逐渐改为现行“2+2+2”增层 二次更新的面貌。此种“增二式”的最新规矩,使得内层之 传统双面核板(Core),只扮演了Vcc/Gnd等大铜面的参 考角色而已;所有传输资料的讯号线(Signal Line),几 乎都已全数布局在后续无玻纤(Dk较低,讯号品质较好) 的各次增层中。如此一来外层中某些必须接地或接电源的 二阶盲孔,甚至还会坐落在已填埋通孔之顶环或底环上。 此等高难度的制程均已在BGA球垫之中多量出现。不幸是 此种二阶盲孔在凹陷与孔径变大的情形下,其镀铜之空虚 不足自必甚于一阶者,使得原已棘手的小型焊点问题,变
电镀铜的过去 现在与未来
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一、电镀铜的历史沿革
1.1焦磷酸铜
1985年以前全球电路板业之电镀铜,几乎全部采用 60℃高温操作的焦磷酸铜(Copper pyrophosphate;Cu2P2O7) 制程,系利用焦磷酸铜之错合剂(Complexing Agent)做为 基本配方。彼时最流行的商业制程就是M&T的添加剂PY61H。但由于高温槽液及pH值又在8.0以上,对于长时间二 次铜所用到的碱性水溶油墨或干膜等阻剂,都不免会造成伤 害。不但对板面之线路镀铜(Patter Plating)品质不利,且 槽液本身也容易水解而成为反效果的正磷酸(H3PO4),再 加上阻剂难以避免被溶解所累积的有机污染等因素,导致焦 磷酸铜的管理困难,而被业者们示为畏途。然而新亮相非错 合剂式的低温(15-20℃)硫酸铜制程,当年则因其成熟度 不够也使得用户们吃足了苦头。直到1988年以后硫酸铜才 逐渐正式取代了先前得焦磷酸铜,而成为唯一的基本配方
此种典型槽液经历甚久目前仍在业界大量使用,且当通 孔之纵横比增高时,其酸铜比也须随之增大,以保证孔 铜厚度的及格与均匀。
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图7.左图为十五年前之高多 层板,其孔径18mil纵横比 10/1品质良好深孔镀铜的精 彩切片,其钻孔及镀孔技术均 已非常了得.下为纵横比接近 20/1的高难度深孔,精密镀铜 后不但铜壁品质良好,而且漂 锡进孔仍然不裂不断令人叹 为观止的画面.
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