Технология изготовления многослойной печатной платы методом наращивания перераспределительных слоев

Технология изготовления многослойной печатной платы методом  наращивания перераспределительных слоев.

Это самый дорогостоящий и трудоемкий из описанных в литературе методов , при разработке которого преследовалась цель обеспечить максимальную надежность межслойных соединений и внутренних проводников. Межслойные соединения в данном методе представляют собой столбики гальванически осажденной меди. Используются тонкие не фольгированные диэлектрики, отверстия в которых формируют расположение столбиков межслойной металлизации. МПП, изготовленные таким методом, не содержат отверстий для штыревых выводов электро-радиоэлементов.

Метод послойного наращивания заключается в последовательном наклеивании (напрессовывании) диэлектрика и выполнении печатного монтажа, повторяющегося по количеству слоев многослойной печатной платы, то есть в последовательном чередовании слоев изоляционного материала (препрега) и проводникового слоя. Соединения между проводящими элементами соседних печатных слоев производится гальваническим наращиванием меди в отверстиях изоляционного слоя. Пример структуры МПП, реализованной этим методом, показан на рис.1.

Рис. 1. Вариант структуры МПП послойного наращивания: 1 — сквозное переходное металлизированное отверстие между наружными слоями; 2 — монтажная контактная площадка; 3 — компонент с планарными выводами; 4 — основа (ядро МПП); 5 — проводники внутренних слоев; 6 — межслойные переходы (металлизированные столбики); 7 — проводники внешних слоев

Технология  процесса

На заготовку фольги напрессовывают слой тонкого диэлектрика, перфорированного в местах межслойных соединений (рис. 2, а). Заготовки диэлектрика получают путем прессования листов стеклоткани (4-9 листов) с нанесением слоя клея на каждый лист. В заготовках стеклоткани и фольги пробивают фиксирующие отверстия. В перфорированные отверстия и на поверхность стеклоткани гальванически осаждают медь (рис. 2, б). Рисунок второго слоя изготовляют фотохимическим способом (рис. 2, в). На второй слой напрессовывают диэлектрик с перфорированными отверстиями (рис. 2, г). Затем наращивают контактные переходы и после соответствующей механической и химической подготовки поверхности осаждают медь на поверхность стеклоткани (рис. 2, д). Рисунок третьего слоя получают травлением (рис. 2, е). В таком же порядке можно наращивать последующие слои. Последний слой защищают наклеенным слоем диэлектрика (рис. 2, ж). На обратной стороне платы, покрытой фольгой, выполняют схему наружного слоя (рис. 2, э) и производят необходимую механическую обработку.

На платы устанавливают  навесные элементы только с планарными выводами.

Этапы метода послойного наращивания:

• С помощью субтрактивного метода формируются будущее ядро – основа МПП, (формируются слои двух первых внутренних слоев МПП с рисунком печатных проводников и площадок);
• Поверх ядра с обеих сторон наносится необходимое количество слоев препрега;
• Поверх препрега наносится фольга;
• Заготовка подвергается технологической операции прессования;
• С помощью механического сверления (с контролем глубины сверловки), лазерного или плазменного прожига формируются отверстия – основа микропереходов между внешними и ближайшими внутренними слоями заготовки;
• Активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка, как и для ДПП при комбинированном позитивном способе;
• Нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
• Основная гальваническая металлизация (отличие от классического полуаддитивного метода – большая толщина меди для полного заполнения полостей отверстий микропереходов);
• Нанесение металлорезиста;
• Удаление экспонированного фоторезиста;
• Травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
• Удаление металлорезиста;
• Механическая и химическая очистка, выравнивание и планаризация  поверхности осажденной меди (особенное внимание уделяется областям межслойных переходов – в этих местах не должно быть наплывов меди);
• Отмывка заготовки, сушка;
• Электрическое тестирование, контроль полученной заготовки;
• Далее снова наносится необходимое количество слоев препрега, медной фольги, и все технологические операции повторяются;
• При формировании внешних слоев МПП после прессования заготовки производится сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
• Далее опять повторяется ряд технологических операций по гальванической металлизации и травлению остатков меди между элементами русунка;
• Нанесение паяльной маски;
• Нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
• Нанесение маркировки;
• Обрезка платы по контуру;
• Электрическое тестирование, контроль всей платы.

Основные преимущества данного метода изготовления МПП :

Исключительно высокая плотность размещения проводников во всех слоях печатной платы и очень высокая плотность монтажа. Это достигается вследствие возможности выполнения межслойных переходов в любой точке платы, независимо от трассировки и расположения межслойных соединений любых смежных слоев.

Недостатки  метода послойного наращивания:

• Ограниченное количество слоев МПП. Как правило, нельзя производить операцию прессования более пяти раз, поэтому количество слоев такой МПП будет не более двенадцати. Это связано с тем обстоятельством, что при каждом следующем прессовании нового слоя диэлектрик внутренних слоев (с уже сформированной структурой) подвергается тепловому стрессу и большим механическим нагрузкам. С каждым новым прессованием происходит нарушение уже сформировавшейся структуры полимеризованной ранее смолы внутренних слоев. Таким образом, при наращивании новых слоев происходит старение и деградация внутренних слоев, что ограничивает слойность платы и уменьшает ее надежность в целом;
• При комбинированных методах, используемых для изготовления слоев при послойном наращивании МПП, используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков меди между проводниками. Следует обратить внимание, что толщина осаждаемой меди достаточно значительна (не менее 35мкм) для обеспечения заполнения отверстий межслойных переходов. Эти обстоятельства влияют на рост стоимости техпроцесса и приводят к дополнительным расходам на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;
• Для наращивания гальванической меди требуется большое время – несколько часов, что делает техпроцесс изготовления каждой новой пары слоев достаточно продолжительным. Так как наращивание новых слоев происходит последовательно (только после полного завершения техпроцесса изготовления предыдущей пары слоев), то полный цикл изготовления МПП по этому методу занимает очень большое время;
• При возникновении дефектов изготовления последующих слоев вся полученная заготовка уходит в брак. Это значительно снижает выход годной продукции и, как следствие, приводит к удорожанию годных плат;
• Особенности гальванического осаждения меди в толстых слоях приводят к необходимости тщательной очистки технологических растворов и электролитов на протяжении всего техпроцесса изготовления. Для обеспечения постоянных условий такой металлизации необходимо более часто производить химический анализ, корректировку и очистку рабочих растворов.

Сложность послойного наращивания (в сочетании с высокой реализуемой  плотностью топологии печатного  рисунка и монтажа) определили этот метод в основном для изготовления ультрасложных МПП в опытном производстве с высокой технологической культурой. Внедрение его в серийное производство встречает множество трудностей, из-за чего возможно выполнить только опытные образцы и очень малые серии плат. По этим причинам применение метода послойного наращивания, ввиду имеющихся ограничений и высокой стоимости МПП, оправдано только для изготовления уникальной аппаратуры с высокой надежностью.

Новейшие  технологии послойного наращивания

High Density Interconnection

Отечественная разработка технологии МПП послойного наращивания, освоенная в СССР в конце 70-х годов, до сих пор работает в ответственной аэрокосмической аппаратуре, теперь приходит к нам из-за рубежа в новом качестве в технологиях, которые называются там HDI — High Density Interconnection (высокоплотные межсоединения). Простейший пример структуры HDI показан на рис. 3.

Рис. 3. Структура HDI с послойным наращиванием двух слоев с глухими отверстиями

Неравномерность толщины  осаждений при электролизе обусловлена  в основном двумя факторами: неравномерностью распределения плотности тока и  концентрационной катодной поляризацией. До настоящего времени последнюю успешно преодолевали интенсификацией обмена электролита у катодной поверхности: барботажем, возвратно-поступательным перемещением катода в электролите, вибрацией катода, применением ультразвука.

Но с появлением в конструкциях плат мелких отверстий эффективность  этих приемов упала — начала сказываться  большая вязкость электролитов для обмена внутри отверстий. Особенно это относится к широко распространенному сернокислому электролиту меднения, вязкость которого выше, чем у других известных, за счет большого содержания концентрированной серной кислоты. Продавливать этот электролит сквозь узкие отверстия затруднительно. В то же время диффузионные механизмы обмена замедлены настолько, что не соответствуют требованиям производительности процесса.

Что касается неравномерности  распределения плотности тока, то она меньше поддается управлению: для обеспечения равномерности  распределения тока от периферии  катода к центру платы используются выравнивающие экраны, на периферии  заготовки платы обязательно  выполняют металлическую рамку, в общей гальванике могут менять даже форму анода, чтобы выровнять  электрическое поле у прикатодной поверхности. В технологиях печатных плат главный объект металлизации — отверстия: сквозные, а теперь и глухие. Металлизация поверхности — побочный, неизбежный, ненужный процесс, которого хотелось бы избежать. Но выровнять градиенты тока в отверстиях и на поверхностях (рис. 4) никогда не удастся.

Рис. 4. Распределение  тока в сквозном отверстии. Наибольший градиент тока сосредоточен на углах  отверстия

 В силу этого осаждение  металла в зоне отверстия идет  неравномерно, по форме напоминает  собачью кость, отчего этот  эффект получил соответствующее  экзотическое название (рис. 5).

Рис. 5. Наибольшая толщина гальванопокрытия сосредотачивается  на наибольших градиентах тока.

При использовании металлизации по рисунку (комбинированный позитивный метод) одиночно расположенные проводники могут получить недопустимо грубые наросты (рис. 6).

Рис. 6. Наросты гальванических осадков на одиночных проводниках

Для предотвращения этого  эффекта используются выравнивающие  добавки, которые создают барьерный  слой в местах наибольших градиентов, предотвращая там утолщение металлизации. Выравнивающие добавки (в основном поверхностно-активные вещества) позволяют  успешно металлизировать отверстия  до соотношения толщины платы  и диаметра отверстия, равного 10:1 (в  ряде случаев и 20:1). Поскольку такие  соотношения характерны для тонких отверстий, обмен электролита для  доставки новых порций ионов металла  в них затруднен. Чтобы свежие порции электролита успевали поступать  в отверстия и участвовать  в осаждении металла, приходится работать на малых плотностях тока 1-2 А/дм². Осаждение до толщины 25 мкм длится около двух часов.

Конечно, вибрация и ультразвук ускоряют обмен электролита у  катодной поверхности, но не настолько, чтобы получить заметный эффект. Для  интенсификации продавливания электролита  через отверстия используют горизонтальные линии, в которых электролит подается в отверстия под большим напором. Но и здесь на равномерности покрытия сказывается краевой эффект.

Что же дает нам импульсный реверсный режим питания гальванических ванн? И почему мы не использовали его  раньше, раз догадывались о его  эффективности? Ответ на последний  вопрос простой: не было соответствующих  источников тока, которые бы создавали токи порядка тысяч ампер с управлением их длительности и амплитуды в условиях реверсивного режима. Поэтому в лабораторных условиях (при достаточно малых токах) накопилось много экспериментальных данных, чтобы получить убедительные доказательства благотворности импульсных режимов питания гальванических ванн. Но перейти к промышленному использованию мешало отсутствие соответствующих источников тока. Теперь они есть. Например, широкую гамму таких источников выпускает фирма DRPP Europa & North America. Этими источниками тока комплектуются гальванические линии фирмы PAL Galvaur.

Каковы же механизмы импульсной металлизации с реверсом тока? Их несколько. Один состоит в том, что при  обратном (отрицательном) импульсе идет анодное стравливание металла на больших градиентах тока, то есть именно там, где произошло большое наращивание  при прямом токе. Второй заключается  в интенсивном разрушении концентрационной катодной поляризации, что способствует обновлению раствора в прикатодном слое. Но основной связан с использованием выравнивающих добавок, которые адсорбируются на катодной поверхности при реверсе тока (рис. 7).

Рис. 7. Образование  барьерного слоя при обратном импульсе тока

Причем сорбция добавок  пропорциональна градиенту тока. Эти добавки к электролиту  создают барьерный слой, который  препятствует осаждению металла  на острых кромках, способствуя преимущественному  осаждению в глубине отверстий (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Осаждение меди по барьерному слою на первом этапе прямого тока

Рис. 9. Осаждение меди по барьерному слою на втором этапе прямого тока

В конечном итоге можно  получить ровное осаждение (рис. 10), причем толщина металлизации в отверстии может оказаться больше толщины осаждения на поверхности и на углах отверстий. Последний эффект неблагоприятно сказывается на прочности сцепления металлизации отверстия с контактной площадкой, поэтому слишком большим выравниванием металлизации стараются не увлекаться.

Рис. 10. Итоговая металлизация отверстий в режиме реверса токов в комбинации с выравнивающими добавками

Выход из экспериментальной  стадии на промышленное освоение позволяет  объективно оценить результаты использования  импульсной металлизации. Обозначения  размерности импульсных режимов (рис. 11) показаны в таблице 1. Типичные режимы для металлизации тонких отверстий показаны в таблице 2. Однако когда на плате присутствуют сквозные отверстия разного диаметра, да еще и глухие отверстия, приходится варьировать режимы тока в широких пределах и проводить металлизацию в несколько стадий при разных режимах.

Рис. 11. Эпюра импульсного реверсного тока

Таблица 1. Параметры  тока электролиза импульсной металлизации

Таблица 2. Типичные режимы металлизации сквозных отверстий  при реверсировании тока

Несколько примеров режимов  импульсной металлизации из практики ее промышленного использования  приведено на рис. 12-14.

Рис. 12. Преимущество использования глухих отверстий с полным заполнением металлом состоит в двойном увеличении плотности межсоединений

Рис. 13. Сквозное металлизированное

 отверстие диаметром  0,6 мм, толщина

 платы 1,8 мм, плотность  тока 1,2 А/дм^:

Рис. 14. Глухое заполненное отверстие диаметром 0,1 мм, глубина отверстия 0,07 мм, плотность тока 1,5А/дм:

Главный эффект, из-за которого эта технология начала развиваться  особенно интенсивно, — возможность  заполнения глухих отверстий, за счет чего плотность размещения переходов  увеличилась в два раза (рис. 14). Мы как потребители электронной продукции ощущаем это уплотнение в уменьшении габаритов мобильных телефонов, цифровых видеокамер, фотоаппаратов и т. п.

Рис. 14. Переходные отверстия диаметром 0,15 мм, полностью  заполненные металлом, толщина платы (слоя) 0,1 мм, толщина металлизации на поверхности 50 мкм, глубина выемки —  меньше 10 мкм. Вверху — отверстие  на краю заготовки, внизу — по центру заготовки

Это лишь немногочисленные примеры  эффективности импульсной металлизации в обеспечении равномерности  покрытий. Что касается обычных конструкций  плат, то металлизация с реверсом тока позволяет без потери качества увеличить  плотность тока до 3 А/дм², что увеличивает производительность гальванических линий на 70%.

Итак, появление мощных источников тока с регулируемыми параметрами  реверсирования позволило получить положительные эффекты в промышленном использовании импульсной металлизации печатных плат: выравнивание толщины  металлизации, увеличение производительности процесса почти в два раза, полное заполнение металлом глухих и переходных отверстий. В итоге эти эффекты  позволяют увеличить плотность  межсоединений в многослойных структурах в два раза.