（应用化学专业论文）刚挠结合板的孔金属化研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 刚挠结合板孔金属化是指在双面或多层刚挠结合扳中用化学镀铜和电镀的 方法使绝缘孔壁上镀上一层导电金属使层问导线实现相互连通的工艺。该孔金 属化工艺是整个刚挠结合板生产制造工艺的核心，包括钻孔、去钻污、化学镀 铡、电镀铜等工序。金属化孔要求有良好的机械韧性和导电性、镀铜层均匀完 整、焊接盘无起翘、孔内无分层、气泡。随着电子产品向着小型化、轻型化发 展以及高密度封装技术的出现，p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 在设计与制造结构上 有了全新的发展，对孔金属化技术提出了更高的要求。p c b ，特别是刚挠结合 板的层数越来越多，孔径越来越小，孔会属化工艺越来越难处理，已经成为困 挠整个刚挠结合板大量生产的技术瓶颈。 本文介绍了刚挠结合板的现状及发展前景，阐述了孔金属化的相关原理、 工艺，以及它们的最新发展，重点研究了应用于刚挠结合板孔金属化的特殊工 艺路线和化学沉铜配方。 刚挠印制电路板所用材料与刚性印制电路板及挠性印制电路板的所用材料 不同。刚性印制电路板所用的綦板材料主要是由环氧或改性环氧树脂玻璃布等 材料组成，挠性印制电路板摹材主要是由聚酰亚胺和丙烯酸树脂，这些材料的 t g 温度较低，高速钻头所产生的热量，易在p c b 板孔内形成大量的腻污，导 致孔金属化不良。传统的刚性印制电路板生产中所用的碱性高锰酸钾去钻污工 艺，易导致挠性层和刚性层发生起泡、分层；通过森找国内资料和总结实际生 产经验知道，当前对刚挠结合板去钻污有效的方法是等离子清洗物理去钻污法 和p i 调整溶液化学去钻污法。 应用正交设诩法对等离子清洗去钻污和p i ( 聚酰弧胺) 调整去钻污工艺进 行工艺参数的优化。基于实验结果，得出p i 凋整去钻污对环氧材料不起作用， 不适合应用于刚挠结合板的生产；而p l a s m a 去钻污工艺能够同时对聚酰亚胺和 环氧材料进行蚀刻，在6 1 0 m i n 之内，能达到8 1 5 1 x m 的凹蚀深度，其作用 效果非常理想。并对实验数据进行多元回归，得到了因素对清洗效果的非线性 回归方程，经过实验验证了心归方程的丁e 确性。并以蚀刻速率为参考，分析了 在对聚酰皿胺树脂和改性环氧材料的p l a s m a ( 等离子) 蚀刻中各个因素对等离 子清洗蚀刻速率的影响规律。同样采用正交设计对沉铜工艺参数进行优化实验， 得到沉铜溶液的优化配方和工艺参数，并使得产品的合格率比原来提高了1 0 。 实现s a m s u n g 4 层刚挠结合板的批量试产，对其进行失效分析，并对生 电子科技大学硕士论文 产当中出现的问题进行了说明及提出了相应的解决办法。 根据挠性板生产的需要，开发出了种挠性p i 基材上开密口用蚀刻液及相 应新工艺，取得了很好的效果，并申请了中阚发明专利。 关键词：孔金属化；去铺污：沉铜；刚挠印制电路板；i f 交设计法；均 匀设计 i i 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t s u s i n ge l e c t r o l e s sp l a t i n gc o p p e ro re l e c t r o p l a t ep r o c e s so nd o u b l e s i d ep c b so r m u l t i - l a y e r sr i g i d f l e xp c b s ，s o m em e t a lc a nb ed e p o s i t e do nt h ed i e l e c t r i cs u r f a c e o fp io re pm a t e r i a l s t h el a y e ro fm e t a lc a nr e a l i z ei n t e r c o n n e c t i o no fd o u b l es i d e c i r c u i t t h eh o l em e t a l l i z a t i o no fr i g i d f l e xp c b sw h i c hi n c l u d i n gd r i l l ，d e s m e a r , e l e c t r o l e s sp l a t i n g ，e l e c t r i c a lp l a t i n g , i sak e yp r o c e s si nt h em a n u f a c t u r i n go f r i g i d f l e x p c b s t h e p l a t e t h r o u g h h o l e ( p t h )r e q u i r es u p e r i o r m e c h a n i c a l & e l e c t r i c a l ，e x c e l l e n tu n i f o r m i t ya n di n t e g r a l i t yo fc o p p e rl a y e r ，n ol i f t e d p a d ，n op l a t e d - h o l e w a l lp u l l a w a y ，n or e s i nv o i d i n ga n da i rb u b b l e s b e c a u s eo f t h e d e m a n d so f e l e c t r o n i cp r o d u c t s ( s m a l l e r , l i g h t e r , t h i n n e r ) a n dh i g hd e n s i t ya s s e m b l y ， t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fp c b sh a v eg o ta r a p i dp r o g r e s sa n dt h er e q u i r e so f h o l em e t a l l i z a t i o no fp c b sa l s ob e c o m em o r es t r i c t a st h ed i a m e t e ro ft h eh o l e b e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r , t h eh o l em e t a l l i z a t i o np r o c e s sb e c o m ed i f f i c u l tt od e a l w i t l l n o wi th a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h ep c bm a n u f a c t u r e ( s p e c i a l l yt h e m a n u f a c t u r eo f r i g i d - f l e xp c b s ) t h ed e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c to fr i g i d - f l e xf p c ，t h ep r i n c i p l eo ft h eh o l e m e t a l l i z a t i o np r o c e s s ，i n f l u e n c eo fv a r i o u sp r o c e s sf a c t o ro np r o d u c tq u a l i t yi s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ed e s m e a rp r o c e s sa n dt h ee l e c t r o l e s sp l a t i n gc o p p e r p r o c e s s ，w h i c ha r et h ek e yp r o c e s s e s ，a r es t u d i e da n di n t r o d u c e di nd e t a i l s b e c a u s et h em a t e r i a lo fr i g i d f l e xp c b si sd i f f e r e n tf r o mt h er i g i dp r i n t e d c i r c u i t b o a r d ( r p c b ) a n dt h e f l e x i b l e p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( f p c b ) t h eb a s e m a t e r i a l so fr p c ba r ee p o x yr e s i n ，g l a s sc l o t h , p t f e ( p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ) ，e t c t h eb a s em a t e r i a l so ff p c ba r ep o l y i m i d er e s i na n dc r y l i ca d h e s i v e ，e t c b e c a u s eo f t h el o wt gt e m p e r a t u r eo ft h e s ed i e l e c t r i cm a t e r i a l sa n dt h eh i g hh e a tp r o d u c e db y h i g h - s p e e dd r i l l e r , s o m es m e a rc a nb eg e n e r a t e do nt h es u r f a c eo fh o l ea n dc a n i n d u c ed e f e a to fp l a t e d t h r o u g h t h o l e i nr p c bt h es m e a rt h a tc a u s e db yt h e s e m a t e r i a l sc a nb eg e tr i do fu s i n gp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e w h i l er i g i d f l e xp c b si s m a i n l yb a s e do nm a t e r i a l s ，s u c ha sp l ( p o l y i m i d e ) ，e p o x y , p o l y a c r y l a t e s , t h i sp r o c e s s c a nm a k et h el a y e r sb r e a k a w a y , s ot h es m e a rc a u s e db yt h i sm a t e r i a lc a n tb eg e tr i d o fu s i n gp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e t h e r ea r et w oe f f e c t i v em e t h o d s ，t h e ya r ep i s o l v e n tc o n d i t i o n e ra n dp l a s m ae t c h i n gm e t h o d ，c a nb eu s e dt og e t t i n gr i do ft h i s s m e a rt h r o u g hr e a d i n gr e f e r e n c e sa n ds u m m a r i z i n ga c t u a le x p e r i e n c ea tp r e s e n t i 电子科技大学硕士论文 u s i n go n h o g o n a t e s tw er e s e a r c ht h ep is o l v e n tc o n d i t i o n e rp r o c e s s ，g e tb e s t m a t c h i n go fs o l u t i o na n dp r o c e s sp a r a m e t e r s f r o mt h er e s u l to fe x p e r i m e n t ，p i s o l v e n tc o n d i t i o n e rp r o c e s sh a sn o t h i n gt od ow i t he p o x yr e s i nm a t e r i a l ，a n di tc a n n o tb ea d a p tt ot h ep r o d u c t i o no fr i g i d f l e xp c b s h o w e v e r , t h ep l a s m ad e s m e a r p r o c e s sc a ne t c ht h ep o l y i m i d em a t e r i a la n de p o x ym a t e r i a la sw e l l w i t h i n6t o1 0 m i n u t e s ，i tc a l le t c h8 - 1 5 p r ne t c h b a e kd e p t ha n di t se f f e c ti se x c e l l e n t f r o mt h e d a t eo ft h ee x p e r i m e n t ，i tc a ng e tr e g r e s s i o nc u r v er e l a t e dw i t he a c hf a c t o r s ，p r o v e t h a tt h er e s u l ti sc o r r e c ti nm a n u f a c t u r i n g r e g a r d i n gt h ee t c h i n gs p e e da sc r i t e r i a , w ea n a l y s et h ei n f l u e n c ef o re t c h i n gs p e e do np ii ne a c hf a c t o r u s i n go r t h o g o n a l t e s t ，w er e s e a r c ht h ee l e c t r o l e s sp l a t i n gc o p p e r , g e tt h eo p t i m i z a t i o nm a t c h i n go ft h e c o p p e rs o l u t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r , t h eq u a l i f i c a t i o nr a t eo ft h e p r o d u c t sh a sb e e ni m p r o v e d1 0 t h a nb e f o r e r e a l i z i n gt h em a sp r o d u c t i o no fs a m s u n g4 - l a y e rr i g i d f l e xp c b d e f e a t a n a l y s i sh a db e e nd o n e s o m eq u e s t i o n sf o u n df r o mm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sh a db e e n e x p l a i n e dc l e a r l y , a l s oi t sp r o p e ra d v i c eh a db e e ng i v e n c o n s i d e r i n gt h ed e m a n do fm a s sf a b r i c a t i o n ，an e wc h e m i c a ld i r e c t i o na n d p r o c e s sf o rf p cm a n u f a c t u r eh a db e e ni n v e n t e d t h ep a t e n t e di n v e n tb a db e e n a p p l i e d k e yw o r d s ：h o l em e t a l l i z a t i o n ；d e s m e a r ；e l e c t r o l e s sp l a t i n gc o p p e r ；r i g i d - f l e x p c b s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ；u n i f o r md e s i g n ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：o 噼7 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：二匝 日期：哪年，月厂日 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 印制电路板的定义、特点和分类 1 1 1 印制板的定义 在绝缘基材上，有选择性地加工孔和布置金属的电路图形，能够安装、 固定与连接电子元器件电信号的组装板称为印制电路板。从1 9 3 6 年的第一块 印制电路板诞生以来，印制电路仍然是支撑电子元器件和实现电子元器件之 间的信号互连的基础技术。【1 】 1 1 2 印制板的特点 印制电路板是由绝缘基材、金属导线和连接不同导线、焊接元器件的“焊 盘”组成。它的主要作用是支撑电予元件和实现电子元器件之间的信号连通。 因此，印制电路板具有以下的特点： 在封装设计中，印制电路的物理特性的通用性比普通的连接线更好； 电路永久性地附着在介质材料上，此介质基材同时用作电路元件的安装 界面； 不会产生导线错接或短路； 能严格地控制电参数和参数的重要性； 很大地缩小了互连导线的体积和重量； 可以采用标准化设计； 有利于备件的互换和维护； 有利于机械化、自动化生产； 能节约原材料和提高生产率、降低电子产品的成本。 2 - 3 j 1 1 3 印制板的分类 随着微纳电子技术、电子封装技术及半导体技术的日益发展，其生产技 术被大量地引入到印制电路板的生产中，进一步促进了印制电路不断向高密 1 第一章绪论 度、高精度、高可靠性、大面积、细线条化、小孔径的发展方向。因此，研 究的侧重点不相同，其对于印制电路板的技术分类方法也不径相同。这里采 用最常用的一种按印制电路板所使用的绝缘基材刚性来分的方法。 4 1 按印制电路板所使用的绝缘基材刚性分类有：冈0 性印制电路板、挠性印 制电路板和刚挠结合印制电路板。 刚性印制电路板绝缘基材以纸、布或玻璃纤维布做填充材料或加强材 料，以酚醛树脂或环氧树脂等有机粘合剂制成的覆金属箔板，在常温下具有 一定的刚性、不易变形。目前，各类电子仪器设备中使用的多属于这一类材 料制成的印制电路板。俗称“刚性板”或“硬板”如下图1 1 所示。 5 1 图1 1 典型的刚性印制电路板 挠性印制电路板这一类印制电路板的绝缘材料使用具有可挠曲性的 薄膜如：聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯等制成的薄膜，外面粘有一层铜箔制 成的a 其特点具有一定的韧性、可以挠曲、卷挠和折叠。有时简称“挠性电 路板”、“挠性板”或“软板”。现今主要应用于各类电子元件的“软连接”电 路。下图1 2 所示典型的挠性电路板。f 6 l 剀卜2 典型的挠性印制板 剐挠印制电路板这是一类将刚性印制电路板与挠性印制电路板结合 在一起、制成一块完整的印制电路板。它同时兼有刚性板与挠性板的特点。 2 电子科技大学硕士论文 它刚、柔结合，能弯曲、折叠和收缩。刚性层上的电路与挠性层上的电路通 过金属化孔连接。每块刚挠印制板上有一个或多个刚性区和一个或多个挠性 区。下图1 3 显示了典型的刚挠结合板。 7 - 8 1 图卜3 典型的刚挠结合印制板 1 2 刚挠结合印制板的特点和应用 1 2 1 刚挠结合印制板的特点 1 ) 电路体积小、重量轻、可靠性高 刚挠结合电路电路板最初的设计是用于替代体积较大，难于安装的 导线束。在目前的接插( c u t t i n g - e d g e ) 电子器件装配板上，刚挠结合电路 通常是满足小型化和三维立体安装的唯一解决方法。对于既薄又轻、结 构紧凑复杂的器件而言，其设计解决方案包括从单面导电线路到复杂的 多层三维组装，刚挠结合板的总重量和体积，比传统的圆导线线束方法 要减少7 0 。其电路体系的刚性部分增加这个电气系统的强度，以取得 很好的机械稳定性。 9 - 1 1 1 2 ) 刚挠结合电路板可移动、弯曲、扭转、实现三维布线 刚挠结合板的挠性部分可移动、弯曲、扭转而不会损坏导线，可以 遵从不同形状和特殊的封装尺寸。其仅有的限制是体积空间问题，由于 可以承受数十万次的动态弯曲，挠性部分可很好地适用于连续运动或定 期运动的内连系统中，成为最终产品功能的一部分。刚性区域易于实现 芯片贴装，更好的解决了电子设备各功能模块之间的互连。【1 2 】 3 第一章绪论 3 ) 刚挠结合电路板具有优良的电气性能、介电性能、耐热性 刚挠结合电路板提供了优良的电气性能；挠性部分较低的介电常数 允许电信号快速传输；刚性部分良好的导热性能使组件易于降温；p i 基 材具有较高的玻璃转化温度或熔点使得组件在更高的温度下良好运行。 【1 3 15 1 4 ) 刚挠结合电路扳具有更高的装配可靠性 刚挠结合板减少了传统的硬板与软板内连所需的硬件，如传统的跳 线插座等，使刚挠结合板可以提供更高的装配可靠性。因为复杂的多个 系统所组成的传统内连硬件在装配时，易出现较高的组件错位率。d 6 - 1 8 l 5 ) 制作难度大，一次成本高，装拆损坏后无法修复 刚挠结合电路板制作工序复杂，特别在孔金属化和整体压制工艺。 不同型号的板子，所需的加工工艺相差很大，同时需要特殊的压制工装。 。 复杂的加工工艺，加重了生产的成本。而且在电路损坏后不易修复。u 9 - 2 1 1 1 2 2 刚挠结合印制板的应用 减少电子产品的组装尺寸、重量、避免连线错误，增加组装灵活性，提 高可靠性，实现不同装配条件下的三维立体组装，是电子产品曰益发展豹必 然需求，刚挠结合电路板作为一种具有薄、轻、可挠曲等可满足三维组装需 求的特点的互连技术，在电子及通讯行业得到日趋广泛的应用和重视。随着 电子技术的发展，其应用会越来越广。下表1 1 所示近年来刚挠结合板热门 应用领域。 2 2 - 2 4 1 袭1 一l 刚挠结合扳的鹿用领域 领域具体应用 计算机磁盘驱动器、传输线带、笔记本电脑、打印机等 通讯多功能电话、手机、可视电话、传真机等 汽车控制仪表板、排气罩控制器、防护板电路、断路开关系统等 消费类照相机、摄像机、录像机、v c d 、d v d 、微型录音机、拾音器、 4 电子科技大学硕士论文 电子产品计算器、健身监视器等 工业控制激光测控仪、传感器、加热线圈、复印机、电子衡器等 仪器仪表核磁分析仪、x 光射线装罱、红外线分析仪等 医疗机械理疗仪、心脏起搏器、内窥镜、超声波探测仪等 航空航天人造卫星、雷达系统、陀螺仪、无线电通讯、黑匣子、导弹等 。( 肿l m 一脚一一曰i c c p o 习 口啦a d h m i w m i 曲州c u a ( r l n ) n 曲b - ，m n _ “ h h l 女i - 娜i 习 o , , _ o l l o ja 峙讪田碰c 口_ hc a r h _ 卣前 图l 一4 传统的6 层刚挠结合板的结构 1 3 刚挠结合板制造工艺 1 传统刚挠结合板加工工艺 传统的刚挠结合扳生产工艺是建立在 标准的聚酰亚胺薄膜和改性丙烯酸粘结材 料的基础之上。在这一领域，杜邦的 p y r a l u x 产品在当时被视为一项统一的标 准。图1 4 显示的就是传统的6 层刚挠结 合板的结构。 尽管该结构的刚挠结合板性能较好， 但是它仍然存在三个缺点： 1 )它所使用是聚酰亚胺薄膜改性丙 烯酸粘结剂体系的材料。相对于印板材料来说，该类型材料昂贵，限制了整 个电路的成本： 2 5 1 2 )需较大的劳动力成本，且不易实现自动化； 3 )由于丙烯酸粘结剂含有高的z 轴膨胀系数，导致刚挠结合板的可靠性 降低。图1 - 5 显示的是在同一实验条件下从铜箔到丙烯酸粘结剂等一系列材 料的z 轴膨胀系数的对比。从图中显而易见铜箔和丙烯酸粘结剂的z 轴膨 胀系数相差很大。 2 6 】 5 第一章绪论 c o p p e rp o i m i d oe i x p r e p r e ga c r y l i c a 曲e e i v e m a t e r i a lt y p e 图卜5z 轴膨胀系数 2 t e l e d y n ee l e c t r o - m e c h a n i s m s 公司开发的r e g a l f l e x t 艺 该工艺首次采用了环氧玻璃纤维为基础的内核材料。本质上来说，也就 是用传统的刚性板内核材料代替了聚酰亚胺类，使用覆盖层贴在挠性区域上， 内外层的粘结使用半固化片。该工艺最大的优点就是半固化片的引入大大减 少了丙烯酸粘结剂的使用，提高了整体电路的可靠性；同时环氧内核等硬板 材料也降低了电路的成本，使该工艺得到广泛的应用。但是该工艺仍存在需 要较大的劳动力成本这一缺点。 3 s a n d e r s i n t e r f l e x 开发的z o n t a r i 艺 z o n t a r 工艺使用新型的低流动度或无流动度的环氧体系的半固化片材料 取代传统工艺中使用的丙烯酸类粘结剂。该工艺减少了刚性区域中丙烯酸树 脂的含量，提高了整体电路的可靠性。 4 s h e l d a h l 开发的z l i n k 工艺 该项技术不以传统的刚性板或挠性板的生产为基础。其内外层间所用的 粘结层是由粘结剂体系中的分散的导电微粒所构成。微粒大小和密度受到控 制以便当该体系被作为粘结层使用时，电流仅仅是在z 轴方向上进行传导而 不是在x y 平面上。当两个相对的p c b 表面进行层压时，z 轴粒子连接到 两块互相配对的裸露表面且这些粒子被相互排列成一条直线。图1 6 显示的 是未层压之前的粘结体系。 6 叠ug罾ad 苎正l u11ueg= 电子科技大学硕士论文 幽卜6 层压前的粘结剂 各项异性的粘结剂体系被用于解决电子设备的封装问题已经被使用了很 多年。z 轴金属间体系的独特的性质和热固化粘结剂在严格的组装和操作环 境中提供了稳定的和运载高电流的能力。通过合适的设计使得内部连接封装、 更高的密度、更大的挠性和改良的性能能够以一个低廉的封装费用来实现。 5 无粘结剂的刚挠结构 该结构的挠性内核采用的是无粘结剂型，其层间粘合剂与r e g a l f l e x 和 z o n t a r 技术中相同。下图1 7 所示为6 层“无粘结剂”型刚挠结合结构 豇前 匡前 圈卜7 六层“无粘结剂”型刚挠结合结构 6 p a r l e x 开发的p a l c o r e s e 艺 由于更高级的电子封装和广大的商业应用推动了p a r l e x 开发出新的 p a l c o r e 工艺。该项工艺的核心就是二阶环氧树脂涂覆铜箔，也称 7 第章绪论 “p a l c o r e ”铜箔。下图1 8 显示的是改型铜箔的结构。 图卜8 二阶环氧树脂涂覆铜箔 该结构中，第一层环氧首先涂覆在铜箔上，并固化到9 5 交联的“c 阶” 状态。该“c 阶”组分在复合压制时能够在一定范围释放绝缘物质。另外一 层同样的也是涂覆环氧树脂，但仅仅只是固化到“b 阶”状态。下图l - 9 所 示为应用于商业应用产品的6 层刚挠结合板。 虱。露 番三三乏兰= = 螽i 鬲刁 菅宙 图卜9p a l c o r e 曲结构的6 层月挠结合板 从图1 - 9 上可知，2 阶环氧树脂层包裹了第三和第四层挠性导体，从第二 层到第五层均用环氧层分层隔开绝缘，减少了三、四层包封的使用，降低了 生产成本。很薄的环氧树脂层同样赋予了挠性导线部分很高的可挠性。值得 8 电子科技大学硕士论文 关注的是该项技术可以不使用丙烯酸粘结剂和聚酰亚胺挠性材料，代替的是 刚性板生产中所用的环氧体系材料。材料成本的降低，拉低了整个刚挠结合 板的成品价格，更加有利于大规模的商业化应用。 2 7 l 1 4 刚挠结合板国内外的研究状况 国外在刚挠结合印制电路板技术方面的研制工作起步较早。挠性电路板 技术作为刚挠结合印制电路板技术的一部分，在美国2 0 世纪7 0 年代已经成熟， 当时最大的厂商都在美国，8 0 年代日本在这方面超过美国，处于世界领先地 位。两国发展的共同点是：均以聚酰亚胺和聚酯薄膜为介质，必须能经受焊接 温度。不同处是：美国主要靠军事和空间科学促进其发展，重点在于解决刚挠 结合印制电路板的制造技术；而日本则用于任何需要减少封装的领域，尤其是 消费领域，以推动该技术的发展，其重点在于挠性电路板的批量生产和设计 上。 在美国，由于军事电子设备的需要，美国能源部( u n t e ds t a t e s d e 2 p a r m e n to fe n e r g y ) t 式于1 9 8 3 年立项，由美国圣代耳国家实验室 ( s a n d l an a t i o n a ll a b o r a t 0 2 r i e s ) 承接研制刚挠结合多层印制电路 板。该项目研制3 年，于1 9 8 6 年结束。该实验室以在安装过程中能经受挠曲 的有金属化孔的刚挠结合多层印制电路板为研制对象，总层数为8 层，即刚性 区6 层、挠性区2 层。从2 0 世纪7 0 年代后期到8 0 年代早先时候，刚挠结合 板的许多设计、材料和工艺技术的改进创新，使得该项类型电路板产量大幅 增加，同时降低了生产成本。但在当时，由于其成本并不能与传统的刚性板 跳线封装形式竞争，刚挠结合板的市场仍然是局限在那些优先考虑可靠性、 布线密度和重量的产品中。在美国8 0 年代后期，刚挠结合多层印制电路板开 始广泛用于军事电子装备中，其层数一般不超过l o 层。到目前为止，有资料报 道，国外剐挠结合多层印制电路板已达2 2 层。 国内刚挠结合印制电路板技术的研制开始于2 0 世纪9 0 年代初，以在安装 过程中能经受挠曲的有金属化孔的刚挠结合多层印制电路板为研究对象。其 层数分别为：6 层一刚性区2 层，挠性区4 层；8 层一刚性区4 层，挠性区4 层；1 0 层一刚性区4 层，挠性区6 层。至1 9 9 6 年，有资料报导其研制报告。到目前为 9 第一章绪论 止，国内刚挠结合多层印制电路板技术仍处于实验室试制阶段，其原材料需从 国外进口，还不能大批量生产。1 2 8 1 5 小结 刚挠结合板从2 0 世纪7 0 年代诞生以来的三十几年的研究成果，推动了 其更加迅速的向民用化方向发展。目前世界范围内的电子产品小型化、轻型 化、薄型化带动了印制电路板行业对刚挠结合板大量需求。我国刚性印制板 和挠性印制板经过这十几年的发展，其生产工艺和技术都已经十分成熟。特 别是多层刚性印制板和挠性印板也已经摆脱了过去只能依赖进口的处境，实 现了完全自主的大批量生产，占有了可喜的市场份额。 近年来，国内的许多印制板企业在完全掌握刚性和挠性印制板的制作工 艺的条件下，向刚挠结合板这个更高的技术领域前进。元盛电子科技有限公 司和电子科技大学应用化学系成立的联合攻关组在这一领域已经有了三年的 工艺摸索，积累了大量的经验，实验开发出了多款刚挠结合板。当前影响刚 挠结合多层板生产的主要是制作技术方面，随着层数越来越多，孔径越来越 小，孔金属化工艺越来越难，尤其是其中的去钻污工序和沉铜工序，成为限 制挠性印制板生产的技术瓶颈，造成产品合格率低，浪费巨大。因此本论文 主要对孔金属化中严重影响产品合格率的去钻污工序和沉铜工序进行了研 究，对其工艺参数和方法进行了优化。并应用于生产s a m s u n 9 4 层剐挠结合 板中，取得了不错的效果。孔金属化原理将在第二章中进行叙述。 电子科技大学硕士论文 第二章孔金属化各工艺原理 从第一章已经知道孔金属化工艺主要包括钻导通孑l 工序，去钻污工序， 化学镀铜工序或直接电镀铜工序，下面就对各工序的工艺和原理分别进行介 绍。 2 1 钻孔工序 在双面或多层刚性或挠性印制板上钻导通孔是孔金属工艺的第一步，也 是很重要的一步，如果在钻孔过程中选对了钻孔方法并控制好了工艺参数， 就能得到没有腻污或腻污很少，没有撕裂，没有披峰的钻孔，减轻后续去钻 污工艺的压力，甚至省掉去钻污这一步。 目前印制电路板通孑l 的加工方法包括机械冲孔、数控钻孔、等离子体蚀 孔、激光钻孔、化学蚀孔等。现在应用最多最广的是数控钻孔和激光钻孔。 2 9 1 2 1 1 数控钻子l 在多层板和双面板生产过程中，对钻孔工艺有下述三方面的要求： 孔位准确 孔内质量好 生产效率高 要达到上述三个方面的要求，取得最佳效果，那么就要深入研究钻孔的 因素，逐一解决。概括起来有以下六个主要因素如下： 钻床；钻头；工艺参数；盖板及垫板：加工扳材；加工环 境只有控制好了这六个因素，才能得到少腻污、孔壁光滑，没有披峰的好的 钻孔。 3 0 l 2 1 2 激光钻孔 近几年来，由于积层多层板的微孔要求急剧增加，加上c 0 2 激光器和加 工方法的不断改进和完善，使c 0 2 激光器迅速得到推广和使用。同时，又开 发了更稳定的固态( 体) 激光器( 如n d ：y a g ) ，通过多次谐波后，可以达 第二章孔金属化各工艺原理 到紫外光级的激光器，由于峰值可达1 2 k w 、重复功率可在5 0 m j c m 2 ，又适 用与各种各样的p c b 材料( 含铜箔和玻纤布) ，因而对于加工小于直径0 1 m m 微孔来说，无疑是一种最有前途的方法【3 1 】 下图2 1 列出了每秒钟激光在孔内的烧蚀速率。所形成的微孔的直径微 1 5 0 微米，孔深随基材厚度而定。用于烧蚀成孔的是c 0 2 激光。 图2 - 1 对于不同材料c 0 2 激光的烧蚀速率 2 1 2 1 激光钻孔的类型及应用 根据激光源的形式分为远红外激光( f i r ) ，紫外激光( u v ) 和两者结 合式。它们各有自己的应用领域。 2 1 2 2 两种激光钻子l 的优缺点比较 1 ) 可钻孔径：c 0 2 激光加工的最小孔径为5 0 9 m ；n d ：y g a u v 固体激光可 以加工2 5 9 m 直径的小孔。 2 ) 钻孔速度：n d ：y g m u v 固体激光钻孔速度比高能量的c 0 2 激光钻孔速 度慢。n d ：y g a u v 固体激光为1 0 0 0 0 孔分以内；c 0 2 激光可达3 0 0 0 0 孔分，所以c 0 2 激光钻孔的生产效率高 3 ) 介质材料的适应性：n d ：y g a u v 固态激光适用于各种p c b 材料( 包括 铜箔和玻璃布) 的钻孔加工；而c 0 2 激光仅适用于树脂介质层。 4 ) 钻孔工艺：n d ：y g a u v 固体激光为短脉冲紫外激光，波长为2 6 6 n m 和 3 5 5 n m ，激光功率密度高，可以直接在铜箔上穿( 冲) 孔，可以进行微贯 通孑l 和盲孔的加工：而c 0 2 激光波长为9 4 0 0 n m 的红外光束，由于铜对 1 2 电子科技大学硕士论文 红外线波长吸收率很低，因而c 0 2 红外激光不能烧蚀金属铜，需要采用 覆形掩膜工艺形成窗孔，才能在附树脂铜箔介质层上钻孔，只宜加工盲 孔。 5 ) 钻孔质量：n d ：y g a u v 固体激光钻孔后孔内干净、无残渣，不需要进 行去腻污等后续工艺处理就可以进行化学电镀铜：而c 0 2 激光钻孔后在 内层铜箔表面会出现介质材料残膜或炭化残留物，必须加强后续工序的 除残渣处理，如：采用准分子( e x c i m e r s ) 激光清除炭化残留物。同时， 由于c 0 2 激光钻孔原理为激光烧蚀介质材料，故孔壁质量较差，甚至出 现盲孔低铜下面与内部介质层分离的缺陷。 从上面所述可以看出，激光钻孔质量的好坏，跟钻孔的材料、所采用的 激光源的类型和钻孔的步骤有关，只有根据不同材料选用了适合的激光类型 和钻孔步骤，才能得到好的激光钻孔。 3 2 - 3 3 】 2 2 去钻污工序 印制板钻孔时产生瞬间高温，而环氧或聚酰亚胺绝缘材料为不良热导 体，在钻孔时热量高度积累，孔壁表面温度超过环氧树脂玻璃化温度，结果 造成环氧树脂沿孔壁流动，产生一层薄的环氧膜，称之为环氧树脂沾污 “e p o x ys m e a r ”。如果多层板钻孔之后，只进行常规的除油处理就进行孔金 属化镀铜，将会造成多层板内层信号连接不通，或连接不可靠。 当前去钻污方法有很多，分干法和湿法两种，于法处理是在真空环境下 通过等离子体除去孔壁内钻污。此法需要专门的等离子体处理设备，处理成 本高，一般在处理挠性多层板、刚挠结合多层扳、聚酰亚胺多层板和微小孔 径的刚性多层板时使用。湿法处理包括浓硫酸、浓铬酸、高锰酸钾处理。铬 酸除钻污由于存在严重的环境污染问题，现在基本无人采用了，常用的有浓 硫酸、碱性高锰酸钾处理，本实验中等离子蚀刻系统对处理刚挠结合板很有 效，已经取得了很好的效果。浓硫酸法和碱性高锰酸钾法常用来处理刚性板， 下面分别介绍不同的处理方法。【3 4 j 2 2 1 浓硫酸去钻污 由于h 2 s 0 4 具有强的氧化性和吸水性，能将环氧树脂炭化并形成溶于水 的烷基磺化物而去除。反应式如下： 1 3 第二章孔金属化各工艺原理 c m h n 0 鎏里! ! 旦! ，m c + n h 2 0 n 二- 三二十 除钻污的效果与浓u 2 s 0 4 的浓度、 除钻污的浓h 2 s 0 4 浓度不得低于8 6 ， 应适量提高溶液温度和延长处理时问。 处理时间和溶液的温度有关。用于 室温下2 0 4 0 秒钟，如果要凹蚀， 浓h 2 s 0 4 只对孔壁的环氧树脂起作用，对玻璃纤维无效，采用浓h 2 s 0 4 凹蚀多层板后，孔壁会有玻璃纤维头突出，需要氟化物( 如氟化氢铵或氢氟 酸) 处理。采用氟化物处理突出的玻璃纤维头时，也应注意控制工艺条件， 防止因玻璃纤维过腐蚀造成芯吸作用。 因浓h 2 s 0 。溶解环氧树脂后，孑l 壁的树脂表面变的太过平滑，以致于影 响化学镀铜层的结合力。因此就研发了碱性高锰酸钾处理法。i j 引 2 2 2 碱性高锰酸钾处理法 通过这种方法除去环氧树脂钻污，并能蚀刻环氧树脂表面使其表面产生 细小的凹凸不平的小坑，以便提高孔壁镀层与基体的结合力，并提高对活化 剂的吸附量，使孔内空洞和吹孔现象大大减少，此法主要应用于刚性印制板。 分三步法进行。 2 2 2 1 溶胀 溶胀环氧树脂，使其软化，为高锰酸钾去钻污作准备。 n a o h 2 0 9 l 1 已二醇乙醚 3 0g - l 1 已二醇 2g l 1水其余 环氧树脂是高聚物，具有优良的耐蚀性。其腐蚀形式主要有溶解、溶胀 和化学裂解( 如：浓硫酸对环氧树脂主要是溶解作用，其凹蚀作用是十分明 显的) 。根据“相似相溶”的经验规律，醚类有机物一般极性较弱，且有与环 氧树脂有相似的分子结构( r o r ) ，所以对环氧树脂有一定的溶解性。因 为醚能与水发生氢键缔合，所以在水中有一定的溶解性。因此，常用水溶性 的醚类有机物作为去钻污的溶胀剂。溶胀液中的氢氧化钠含量不能太高，否 则，会破坏氢键缔合，使有机链相分离。 2 2 2 2 去钻污 利用高锰酸钾的强氧化性，使溶胀软化的环氧树脂钻污氧化裂解。 1 4 电子科技大学硕士论文 高锰酸钾是- 7 十强氧化剂，在强酸性溶液中，与还原剂作用，被还原为m n 2 + ； 在中性和弱碱性环境中，被还原为m n 0 2 ；在n a o h 浓度大于2 m o l l 1 ，被 还原为m n 0 4 2 。高锰酸钾在强酸性的环境中具有更强的氧化性，但在碱性 条件下氧化有机物的反应速度比在酸性条件下更快。 在高温碱性条件下，高锰酸钾使环氧树脂碳链氧化裂解： 4 m n 0 4 + c 9 ( 环氧树脂) + 4 0 h 。= 4 m n 0 4 2 - + c 0 2 ( g ) + 2 h 2 0 同时，高锰酸钾发生以下副反应： 4 m n 0 4 + 4 0 h = 4 m n 0 4 2 + 0 2 ( g ) + 2 h 2 0 m n 0 4 2 在碱性介质中也发生以下副反应： m n 0 4 玉+ 2 h 2 0 十2 e - = m n 0 2 ( s ) + 4 0 h n a c l 0 作为高锰酸钾的再生剂，主要是利用其强氧化性使m n 0 4 2 - 氧化为 m n 0 4 。 2 2 2 3 还原 目的：去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸钾、锰酸钾和二氧化锰 配方： h 2 s 0 41 0 0 m l o ln a c 2 0 4 3 0 9 l