pcb的高密度化和可靠性

pcb的高密度化和可靠性

0高密度材料电子通信设备（以下简称电子设备）的发展趋势日益增强。为了满足高功能、高速化和小型卡盘化的要求，lsi口服主要部件的高性能、高集成和高密度开发逐年蓬勃发展。其中为了支撑、连接和安装这些电子元件乃至实现设备的功能,PCB的高密度化必不可少。在最近的数字化潮流中,电子设备的安装广泛使用多层板。根据设备的高速化和高性能化要求,为了实现LSI和PCB的高速高密度安装,广泛使用高密度微细线路和高多层化,采用无铅化的高温焊料还需要耐热性。PCB还要求更高的可靠性。这些都对多层板的制造有很大影响。多层板的制造过程中,与铜和树脂的关系很大,多数情况下依存于铜的表面处理技术。为了满足器件路线图等要求的以电性能为主的各种特性,多层板制造技术中的铜线路关联技术至关重要。1未来技术动向每年由ITRS(InteruationalTechnologRoadmapforSemiconductors)发表以半导体芯片为中心的未来技术动向,其中也记载了关于封装基板的PCB动向。因为它预测到未来约5年~10年的动向,所以可供今后参考之用。表1记载了2007年和2013年关于半导体芯片和PCB的变化预测比较。由表1可知,芯片的集成度大幅度增加,线路宽度变小,针数增加,封装的针数大幅度增加。但是由于封装的大小几乎没有变化,封装基板和PCB的线宽/间隙、孔径和节距变得更加微细。2以铜为原料制造的pcb的制造工艺表2表示了多层板布线规则的现状和未来预测。线宽要求10µm以下,未来预计需要5µm线宽。多层板是通过Z方向上连接绝缘基板的内外面方向的导体线路而制造的。面方向的导体形成是通过铜箔的蚀刻、铜箔和镀层的蚀刻和镀而制造的,Z方向的连接最普及的工艺有贯通孔电镀法和积层法,分别如图1和图2所示。图3表示了利用积层法制造的PCB的截面,图3中板中央的芯部是采用贯通孔电镀法制造的。纵观PCB的制造工艺,覆铜箔板中的铜箔与树脂的粘结,积层中的熔融树脂与内层图形的粘结,电镀中的包括化学镀铜的前处理在内的各种工程、电镀工程、表面图形制造中的蚀刻过程等都与铜的表面处理密切相关。这些工程是PCB制造的中枢工程,对可靠性的影响很大。因此下面以铜箔和铜镀层等相关技术和可靠性为中心加以介绍。3必要的pc功能3.1电能能因为PCB是主要的电子部件,所以要求严格的电性能。主要电性能如下。3.1.1制造性更严格连接元件间的电阻越小越好。因为微细线路和线路间隙变小,电阻就会上升并增加导体厚度是有限制的,所以抑制电阻的增加很有必要。例如10mm长度的导体中,截面积为50µm2时的电阻为3.48Ω,截面积为100µm2时电阻为1.74Ω。如果线宽10µm,前者厚度为5µm,后者厚度为10µm,因此制造性更加严格。如果线路变长,就会增加电阻,结果造成导电损失(αc),在高频时影响信号传输。3.1.2绝缘材料如果微细线路变细,线路间隙也变小,那么泄漏电流(LeakCurrent)就会上升,由于绝缘劣化而容易引起短路等,结果妨碍设备工作。3.1.3抗z测试存在于信号导体和地线之间的电感(L)、电容(C)、电阻(R)和电导(G)构成了分布常数电路,决定了特性阻抗(Z0)。式(1)表示了特性阻抗值。这种特性阻抗值的变化处,引起信号的反射,变成噪声。设反射系数为Γ,输入阻抗为Zr,则得:Z0的值必须一定,对于高速脉冲信号的处理特别重要。Z0的值取决于信号的导体宽度、厚度、地线之间的绝缘间隙和介质常数。尺寸的变化和介质常数的变化会引起特性阻抗的变化,因此要求高精度。3.1.4介质常数和速度信号的传输速度(v)与介质常数的平方根的倒数成比例,所以高频信号的传输时要求低介质常数材料。C——光速;K——常数。3.1.5频率d与介质常数法介质损失(αd)取决于材料的电介质损失(tanδ),由式(4)表示。式中:f——频率;εr——介质常数;K——常数。如果αd值大,则会引起裹减,信号作为热而消耗。传输的总损失为导电损失和介质损失之和,由式(5)表示。3.1.6传输的厚度趋肤效应是高频传输信号在导体表面传输的现象,传输的厚度(δ)如式(6)所示。式中,ω——2πf;σ——电导率;µ——导磁率。因此,表面状态对信号的传输有很大变化。3.2机械性能3.2.1导电线路与粘结树脂的附着性导体与绝缘体的附着性关系到焊接和设备运转时热的影响,关于接合面有以下3种情况:(1)覆铜箔板中,铜箔与树脂的粘结。(2)多层板内层中导体线路与粘结树脂的附着性。(2)在多层板的内层中,在多数情况下利用强碱性氧化性溶液形成黑色氧化膜,以提高导体线路与粘结树脂的附着性,利用锚固作用保持与树脂的粘结性。但是这种黑色氧化膜耐酸性差,会引起内层的剥离,因此正在开发改善的方法。(3)为了在化学镀铜的树脂面上析出附着性的镀层,日前的方法是粗化树脂面,利用锚固作用而获得附着性。平滑面上附着性良好的化学镀铜层尚未实用化,正在开发中。3.2.2直接进入景观的线路如果PCB翘曲和扭曲,那么在PCB的微细化图形上安装LSI的引线和各种元件,插入连接器等就会引起连接不良。与绝缘基板或者导体的粘结面存在着应力,希望通过材料构成,制造阶段中的条件管理等方面加以改善,但由于有机树脂材料的本质问题,不可能完全没有应力。3.2.3结构的整合试验除了上述特性以外,还要保持尺寸稳定性、焊接性和耐热性等方面的良好整合。综上所述,由于PCB要多方面的特性,所以必须进行各种材料的开发,提高制造技术和可靠性,以便制造更高附加值的PCB。4铜表面与树脂的连接4.1铜箔和铜箔复合胶的复合导电材料现在的覆铜箔板使用的铜箔大部分是电解铜箔,传统的铜箔一面平滑,另一面(背面)是具有凹凸的粗面,这种粗面化旨在提高与树脂的剥离强度。铜箔粗化粘结面,形成微细凹凸,使其容易与树脂融合,且可进行Cu、Zn、Ni等金属的镀覆。尤其是形成防氧化膜和铬酸盐膜。这些处理由制造商按照各种专门技术进行处理,性能正在逐年提高,可以获得1.5kN/m~2.0kN/m的剥离强度。考虑到趋肤效应,正在进行接近于平滑面的开发。图4表示了一般铜箔的铜箔截面。图5表示了低轮廓(LowProfile)铜箔和无剖面(Profile-free)铜箔等减少表面剖面的铜箔开发。虽然剥离强度降低1.0kN/m~0.7kN/m,但是改善了传输特性,如图6所示。平滑铜箔面通过选择性硅烷耦联剂处理,可以获得实用上适宜的剥离强度。4.2氧化铜的还原处理及蚀刻化多层板的内层图形的粘结,积层板中与树脂层的粘结,芯板上形成的导体图形与树脂的熔融粘结,这些情况下铜面的表面处理一般采用黑色氧化(BlackOxide)处理。如图7所示,树脂侵入到氧化铜中而粘结。这种黑氧化层耐酸性弱,在化学镀铜的处理过程中,从孔的侧面侵入酸而溶解,降低焊盘的附着性,有残留处理液的危险。为此采用氧化铜的还原处理(特殊化学镀)产生的粗面化制造粗面的方法。另外,利用蚀刻的粗面化方面也已普及。蚀刻使用蚁酸类的螯合物,与空气中的氧一起,选择性溶解铜的结晶粒界。利用蚀刻可以形成如图8所示的0.5µm粗面。还开发了更加平滑的处理且可提高附着性的化学处理。这种平滑表面即使在超高频中也可以改善损失。在今后的铜箔处理中非常需要这种平滑面。4.3利用含油剂的锚固回收利用,利用表面质量来提高表面的附着性,并将树铜箔和铜面上的粘结采用金属表面的处理法,旨在提高某种程度的平滑面的粘结性。但是树脂面上的化学镀铜层析并不容易。图9表示了现在的化学镀铜中树脂面的处理,调整树脂组成,在表面上形成2µm~3µm的凹凸状粗面化,利用锚固作用而获得附着性。因为这种方法适合于高速化,所以正在进行表面平坦化的开发。图10表示了平坦化的开发例之一,树脂表面上照射UV光,树脂表面上形成多孔质的20µm~50µm厚度的改质层,经过催化和化学镀铜,可以获得平滑且剥离强度1.0kN/m以上的镀层。这种技术已经纳入实际的工艺,并期待着实用化。即使聚酰亚胺膜,经过UV光照射,化学镀镍和化学镀铜,也可以获得良好的结果。4.4涂层胶结充填法导体的图形转写早就有各种专利或者提案,即使现在还有。图11表示了一种转写法工艺。虽然还没有实用化,但是这种方法的优点是:(1)图形嵌入树脂中,变成齐平(Flush)电路,因为3面与树脂粘结,使得平滑面的粘结成为可能。(2)因为在金属板(Cu、Ni、不锈钢等)上制造图形,无须化学镀铜,也不会残留铅。(3)表面平坦,阻焊剂的涂覆容易等。转写法是规则不同的纳米印刷法的一种,虽然存在着与树脂粘结的铜的表面处理,图形的位置重合法和表面研磨法等许多实用化的课题,但是它是可以值得期待的方法。5图形电镀法电镀法的PCB中,表面的导体图形与Z方向的连接是同时制造的,确保电镀贯通孔内的镀层厚度的同时,还在表面上成长镀层。孔内和表面的电镀以及表面的图形制造中有全板电镀法和图形电镀法两种方法。图12表示了全板电镀法,它是全板进行电镀和蚀刻的方法。图13表示了图形电镀法,它是利用化学镀铜形成植晶层(Seed)以后,利用耐镀层只在图形部分进行电镀的方法。不使用铜箔的图形电镀法称为半加成法。图形电镀法虽然是现在普及的方法,但是一般的难以抑制侧蚀,以微细图形为目标的情况下,采用耐镀层决定图形宽度的图形电镀法,尤其是镀后的蚀刻量少的半加成法有利于微细图形的制造而被广泛采用。在图形电镀法中,必须采取针对PCB图形面积疏密的电流密度控制和面积偏颇产生的镀层厚度不均匀的对策。6堆积导通孔积层板的导通孔的内部镀层通常是沿着内壁镀覆的,但是最近要求堆积导通孔(StackedVia),采用镀层填埋导通孔内部的镀层填充导通孔越来越多。利用电镀添加剂的电流控制而实现镀层填充导通孔。作为添加剂,在表面上吸附抑制电流的PEG,在孔内部吸附促进电流的SPS和JGB等染料系,利用电镀而实现填充。利用这种填充导通孔实现了如图14所示的堆积导通孔,如图15所示,增加布线领域的同时,还可以提高电性能。由此可见堆积导通孔的优点很大。但是如图16所示,由于堆积的重叠数,材料的附着性和热膨胀性等和镀层的物性或者附着性等原因,存在着发生棱角裂纹(CornerCrack)或圆柱裂纹(BarrelCrack)的危险,必须充分的研究层构成的设计。现在的积层板因为积层层薄而没有强度,所以以通常的贯通孔电镀PCB为芯板,可以确保PCB的强度。但是因为芯板的导通孔孔径较大,导通孔密度小,所以产生上下连接的障碍。为此无芯的积层板的要求应运而生。然而为了增大无芯的积层板的强度,必须增大导体层数。使用堆积导通孔构造时,堆积构造的设计影响到可靠性。另一方面,作为芯板,确保板的强度的最小板厚,镀层填充微小贯通孔内部的填充贯通孔都是必要的。7铜箔电镀的制备现在进行化学镀铜时,以铅为催化剂而析出铜。只用覆铜箔板时,树脂面上没有催化剂的残留。但是在半加成法中,为了在树脂面上析出铜,图形形成以后,树脂面上必须存留催化剂铅。如果吸附的铅催化剂量多,则具有导电性,可以用作电镀的基底层。根据目前的图形密度,虽然控制铅催化剂吸附量是可以维持绝缘性的,但是如果图形微细化,铅催化剂的残留就会降低绝缘性。作为对策,以通常的半加成法为基准,一般采用2µm~3µm的减成法的铜箔进行图形电镀,除去铅催化剂。但是这种铜箔厚度还是存在微细图形的问题,于是研究了图形形成以后可以除去的铜催化剂和银催化剂作为铅催化剂取代催化剂。银催化剂可溶解于H2SO4-H2O2溶液中(98%H2SO4170ml/L,35%H2O2150ml/L,CuSO4O·5H2125g/L),有利于提高绝缘性。因为可以采用各种溶液除去铜,绝缘性的确保也是可能的。如果采用上述的图形转写法,因为没有使用催化剂而可以确保高绝缘性。8镀层离子迁移引起的不良现象PCB中的绝缘劣化几乎都是由离子的迁移造成的。离子迁移的生成条件有:(1)迁移的离子种;(2)加湿;(3)存在着离子移动的微细空间;(4)施加电压。在这些条件下发生沿着板的面方向,板厚方向或者玻璃纤维的离子迁移,引起绝缘劣化或者短路等不良现象。图17表示了与电镀的关系例,它是内层铜箔间发生的迁移,经过相当时间以后发生短路。图18表示了绝缘电阻随着电镀液离子的爬行(Creep)成为迁移的离子种,引起图形之间的绝缘性差。除了镀液以外,还会发生与树脂中的杂质和铜箔的处理等有关的迁移。然而现在已经有了很大