1 外層線路制作制程目的
經(jīng)
鉆孔及通孔電鍍后, 內(nèi)外層已連通, 本制程在制作PCB外層線路, 以達(dá)電性的完整.
2 外層線路制作流程
銅面處理 - 壓膜 - 曝光 - 顯像
2.1 銅面處理
內(nèi)層制作.
2.2 壓膜
2.2.1干膜介紹
干膜(dry film)的構(gòu)造，1968年由杜邦公司開發(fā)出來這種感旋光性聚合物的干膜后PCB的制作就進(jìn)入另一紀(jì)元, 到1984年末杜邦的專利到期后日本的HITACHI也有自己的品牌問世爾后就陸續(xù)有其它廠牌加入此一戰(zhàn)場(chǎng). 依干膜發(fā)展的歷史可分下列三種Type: 溶劑顯像型 半水溶液顯像型 堿水溶液顯像型
現(xiàn)在幾乎是后者的天下,所以本章僅探討此類干膜.
A. 干膜之組成
水溶性干膜主要是由于其組成中含有機(jī)酸根會(huì)與強(qiáng)堿反應(yīng)使成為有機(jī)酸的鹽類可被水溶掉。 水溶性干膜最早由Dynachem 推出, 以碳酸鈉顯像用稀氫氧化鈉剝膜當(dāng)然經(jīng)不斷改進(jìn)才有今日成熟而完整的產(chǎn)品線.
B. 制程步驟
干膜作業(yè)的環(huán)境需要在黃色照明,通風(fēng)良好,溫濕度控制的無塵室中操作以減少污染增進(jìn)阻劑之品質(zhì)其主要的步驟如下壓膜─停置─曝光─停置─顯像
2.2.2 壓膜(Lamination)作業(yè)
A. 壓膜機(jī)壓膜機(jī)可分手動(dòng)及自動(dòng)兩種,有收集聚烯類隔層的卷輪干膜主輪加熱輪抽風(fēng)設(shè)備等四主要部份, 進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。
一般壓膜條件為：
壓膜熱輪溫度 12010 板面溫度 5010 壓膜速度 1.5~2.5米分 壓力 15-40 psi
a. 傳統(tǒng)手動(dòng)壓膜機(jī)須兩人作業(yè)一人在機(jī)前送板一人在機(jī)后收板并切斷干膜此方式用在樣品小量多料號(hào)適合對(duì)人力物料的耗用浪費(fèi)頗多。
b. 自動(dòng)壓膜機(jī)市面上HAKUTOCEDALSCHMID等多種廠牌其機(jī)構(gòu)動(dòng)作在板前緣黏壓干膜方式及壓膜后緣切膜動(dòng)作多有不同但都朝產(chǎn)速加快節(jié)省干膜以及黏貼能力上在改進(jìn)。
c. 國(guó)內(nèi)志勝幾年前開發(fā)自動(dòng)壓膜機(jī)頗為成功國(guó)內(nèi)多家大廠均有使用。
d. 干膜在上述之溫度下達(dá)到其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)而具有流動(dòng)性及填充性而能覆蓋銅面但溫度不可太高否則會(huì)引起干膜的聚合而造成顯像的困難壓膜前板子若能預(yù)熱,可增強(qiáng)其附著力。
e. 為達(dá)細(xì)線路高密度板之高品質(zhì)必須從環(huán)境及設(shè)備上著手干膜之壓膜需要在無塵室中進(jìn)行10K 級(jí)以上環(huán)境溫度應(yīng)控制在233相對(duì)濕度應(yīng)保持50RH5左右操作人員也要帶手套及抗靜電之無塵衣帽。
2.3 曝光 Exposure
2.3.1 曝光機(jī)種類
手動(dòng)與自動(dòng) 平行光與非平行光 LDI雷射直接暴光
A. 手動(dòng)曝光機(jī)是將將欲曝板子上下底片以手動(dòng)定PIN對(duì)位后送入機(jī)臺(tái)面吸真空后曝光。
B. 自動(dòng)曝機(jī)一般含Loading/unloading須于板子外框先做好工具孔做初步定位再由機(jī)臺(tái)上之CCDCheck底片與孔的對(duì)位狀況并做微調(diào)后入曝光區(qū)曝光依目前的精密須求程度不以視覺機(jī)器自動(dòng)對(duì)位恐怕做不到好品質(zhì)的板子。
C. 如何量測(cè)及評(píng)估曝光機(jī)的平行度:
定義:從平行度(collimate)字面的意思就是使直向行進(jìn)而從光的眼光而言則是讓光行進(jìn)同時(shí)垂直于照射面。
平行度的影響:而研判平行直進(jìn)的方法有兩個(gè)值可供參考平行羊角 (Collimate Half Angle)及偏斜(Declination Angle)此二值可大略判斷曝光機(jī)的平行度及曝光可能造成的側(cè)向偏移也因此若使用非平行曝光機(jī)曝光其影像會(huì)有偏料及底部側(cè)向顯像的問題。
量測(cè)方法及工具:
一般量測(cè)平行度的方法是用一種叫平行度像機(jī)(Collimation Camera) 其量測(cè)方式是以此工具置于感光紙或感光物上曝光之后再量偏移度。
D. 非平行光與平行光的差異平行光可降低Under-Cut 其差異點(diǎn)可見圖5 顯影后的比較做細(xì)線路(4mil以下)非得用平行光之曝光機(jī)。
E. 另有一種LDI(Laser Direct Imaging)激光直接感光之設(shè)備與感光方式是利用特殊之感光膜coating在板面，不須底片直接利用激光掃描曝光其細(xì)線可做到2mil以內(nèi)利用多beam方式，18in24in的板子已有號(hào)稱曝光時(shí)間僅30 秒。
2.3.2 作業(yè)注意事項(xiàng)
A. 偶氮棕片的使用手動(dòng)曝光因仰賴人目視對(duì)位因此棕片是有必要的但自動(dòng)曝光機(jī)由機(jī)器負(fù)責(zé)對(duì)位所以一般黑白底片即可棕片的壽命較短。
B. 能量的設(shè)定曝光機(jī)中有光能量之累積計(jì)算器光能量子 (以焦耳或毫焦耳為單位)是指光強(qiáng)度瓦特或毫瓦特與時(shí)間的乘積即 mili - Joule = mili Watt ╳ Sec. 焦耳瓦特╳秒曝光機(jī)上有可以調(diào)動(dòng)的光能量數(shù)字鍵并有測(cè)光強(qiáng)度之裝置，當(dāng)設(shè)定某一光能量數(shù)字后即可做定能量之曝光每當(dāng)光源紫外燈老化而光強(qiáng)度衰減時(shí)，該設(shè)定系統(tǒng)即會(huì)自動(dòng)延長(zhǎng)時(shí)間以達(dá)到所需的光能量定期以"Photometer" 或"Radiometer"做校正工作。
C. Stouffer 21 Step Tablet Stouffer 21 step tablet是IN-process監(jiān)測(cè)曝光顯像后的條件是否正常，它是放于板邊與正常板一樣曝光停置及顯像后其21格上之干膜殘留有顏色漸淡至完全露銅的變化最重要視其已顯像及仍殘存板面之交界是落于第幾格一般標(biāo)準(zhǔn)是8~10格Follow各廠牌所給的Data Sheet。
D. 吸真空的重要
非平行光的作業(yè)中吸真空的程度是影響曝光品質(zhì)的重大因素，因底片與膜面有間隙會(huì)擴(kuò)大under-cut。一般判斷貼緊程度是從光罩上之Mylar面出現(xiàn)的牛頓環(huán)(Newton Ring)的狀況，以手碰觸移動(dòng)若牛頓環(huán)并不會(huì)跟著移動(dòng)，則表吸真空良好。手動(dòng)作業(yè)時(shí)常作業(yè)員尚要以"刮刀"輔助刮除空氣，此小動(dòng)作事實(shí)上極易影響對(duì)位及底片的壽命平行光源，則此問題可降至最低。
E. 對(duì)位對(duì)于自動(dòng)曝光機(jī)來說，偏位不是大問題，只要評(píng)估好設(shè)備的制程能力以及維護(hù)工作底片的準(zhǔn)確度即可，但手動(dòng)曝光機(jī)作業(yè)影響對(duì)準(zhǔn)度的變量就很多。
<1> PIN孔大小的選擇
<2> 上制程通孔電鍍的厚度分析
<3> 孔位準(zhǔn)確度
<4> 底片套板的方式
<5> 人目視誤差
上述僅舉常見因素各廠應(yīng)就產(chǎn)品層次來提升干膜作業(yè)的制程能力。
F. 靜置曝光后板子須問隔板置放10~15分鐘，讓吸收UV能量后的resist Film聚合更完全。
G.高強(qiáng)度的UV光對(duì)細(xì)線路而言是十分重要的，因?yàn)樗械墓庾瓒己姓诒蝿?(Inhibitor)而此遮蔽劑遇UV光時(shí)會(huì)在數(shù)秒內(nèi)大量消耗。因此如果用弱光曝光則須用較長(zhǎng)時(shí)間來達(dá)到必須的能量，如此有較多的時(shí)間讓未見光區(qū)的遮蔽劑擴(kuò)散至曝光區(qū)。如此只要有一點(diǎn)折光或散射就會(huì)形成聚合產(chǎn)生殘膠顯影不潔等問題，因此使用強(qiáng)光曝光機(jī)有助于細(xì)線的制作有殘膠并不是代表只是顯影不潔或水洗不良的問題。一般而言，5mW/cm2能量密度對(duì)一般的線路已有不錯(cuò)的效果。如果要有更佳的分辨率則高一些的光強(qiáng)度有助于改善之。
H. 影響分辨率的因子互動(dòng)關(guān)系有:(1)曝光時(shí)間長(zhǎng)短(2)未曝光區(qū)遮蔽劑的量 (3)散射折射光的多少.其中第二項(xiàng)是來自供貨商的調(diào)配較無法調(diào)整第(1)項(xiàng)可考慮控制光強(qiáng)度來改善其品質(zhì)第(3)項(xiàng)則使用平行曝光機(jī)及加強(qiáng)曝光前真空作業(yè)會(huì)有幫助。
2.4. 顯像Developing
2.4.1槽液成份及作業(yè)條件
溶液配方 之碳酸鈉重量比 溫度 30 +_2 噴壓 1520 PSI 水洗 2729水壓40 PSI pH 10.5 10.7 Break point 50~70% Auto dosing
2.4.2作業(yè)注意事項(xiàng)
A. 顯像是把尚未發(fā)生聚合反應(yīng)的區(qū)域用顯像液將之沖洗掉，已感光部份則因已發(fā)生聚合反應(yīng)而洗不掉，仍留在銅面上成為蝕刻或電鍍之阻劑膜。注意在顯像前不可忘記把表面玻璃紙撕掉。
B. 顯像點(diǎn)Break point ( 從設(shè)備透明外罩看到已經(jīng)完全顯現(xiàn)出圖樣的該點(diǎn)的距離稱之 )應(yīng)落于50~70%間不及,銅面有scun殘留,太過,則線邊有膜屑或 undercut過大. 最好有自動(dòng)添加系統(tǒng)(auto-dosing). 另外噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)良否也會(huì)影響顯像點(diǎn).
C. 顯像良好的側(cè)壁應(yīng)為直壁式者，顯像不足時(shí)容易發(fā)生膜渣(Scum) 造成蝕刻板的短路銅碎及鋸齒突出之線邊。顯像機(jī)噴液系統(tǒng)之過濾不良時(shí)，也會(huì)造成此種缺點(diǎn)。檢查Scum的方法可用之氯化銅溶液(Cupric Chloride CuCl 2) 或氯化銨溶液浸泡，若銅面上仍有鮮亮的銅色時(shí)即可判斷有 Scum殘留。
D. 顯像完成板子切記不可疊放,須用Rack插立.
3. 干膜環(huán)境的要求
線路板之細(xì)線及高密度要求漸嚴(yán)，其成功的契機(jī)端賴各種精密的控制。干膜轉(zhuǎn)移影像之精準(zhǔn)除了上述各種生產(chǎn)技術(shù)外，環(huán)境的完善也占有很大的比重。
A. 首先要注意到的是無塵室(Clean Room) 的建立。一般常說的無塵室是以美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)Fed. STD 209 做為分級(jí)的規(guī)范，是以每立方呎的空氣中所含大于0.5微米的塵粒之?dāng)?shù)目(PPCF) 作為分級(jí)的。可分為三級(jí)，三者間之維護(hù)與安裝費(fèi)用相差極大。class 100 級(jí)多用在集成電路程(IC) 之晶圓制造上，至于精密線路板之干膜壓膜及曝光區(qū)，則10,000級(jí)已夠。
B. 無塵室品質(zhì)之控制有三要件。防止外界塵埃之進(jìn)入避免內(nèi)部產(chǎn)生及清除內(nèi)部既有之塵量，需在環(huán)境系統(tǒng)上加裝進(jìn)氣之過濾設(shè)備，工作人員穿戴不易起塵之工作服鞋手套頭罩，室內(nèi)裝配則應(yīng)采表面平滑的墻板無縫地板。氣密式之照明及公共設(shè)施進(jìn)出口之 Air Shower室內(nèi)送風(fēng)則采水平層流(Laminar Flow) 及垂直層流方式以消除氣流的死角, 避免塵埃的聚積。
C. 干膜區(qū)之照明為黃色光源，以避免干膜于正式曝光前先感光此種黃光波長(zhǎng)必須在500 n m(naro-meter為10 m或5000A)，比500nm短的光源中含有紫外線而導(dǎo)致干膜之局部感光，市面上有金黃色日光燈管出售在一般日光燈外加裝橘黃色燈罩也可使用。
4 高密度細(xì)線路技桁
電路板的密度以往主要受限于鉆孔的尺寸，因此似乎線路密度成長(zhǎng)的迫切性也就沒有那么高細(xì)。線路由于鉆孔技術(shù)的進(jìn)步及MCM-L技術(shù)的需求，近來備受重視，而運(yùn)用傳統(tǒng)的Tenting & Etching技術(shù)想作到小于1OOm的線路十分困難。Additive process能降低甚至避免蝕刻的問題只是必須使用特定的物料與流程，因此在電子封裝領(lǐng)域較少被運(yùn)用。
A. Additive Process其銅線路是用電鍍光阻定義出線路區(qū)以電鍍方式填入銅來達(dá)形成線路。此類制程分為Semi Additive與Fully Additive兩類。Semi Additive 利用壓合薄銅于各類樹脂上再以電鍍及蝕刻達(dá)到形成線路的目的。Fully Additive則是利用樹脂表面粗化其后涂布加強(qiáng)黏合層以改善無電銅與板面連結(jié)強(qiáng)度之后以無電解銅長(zhǎng)出線路典型的線形式。
B. 無電解銅在Additive制程方面是極為重要的，尤其是高品質(zhì)高選擇性的無電解銅是高密度高信賴度板使用該制程的必要條件。然而一般無電解銅析出速率約為2~2.5m/Hr，其析鍍時(shí)間相對(duì)可縮短為2~4分之一。
C. 對(duì)無電解銅而言，抗鍍光阻的剝離是最嚴(yán)苛的問題。由于光阻會(huì)操作在70的堿性化學(xué)銅液中接口間的應(yīng)力及光阻，膨松是被認(rèn)為剝離的主要?jiǎng)恿Α；瘜W(xué)銅反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，原有的薄氧化銅表層因還原反應(yīng)而失去鍵結(jié)力都是剝離的可能原因。
D. 較有效的防止剝離方式可以考慮對(duì)表面施以不同的金屬處理。底銅的化學(xué)電位相對(duì)于氫為-600mV，氧化銅相對(duì)于氫的還原位為-355mV。由于還原電位高于電化反應(yīng)，因此還原反應(yīng)極易產(chǎn)生剝離。若要保持良好的鍵結(jié)力就必須找一個(gè)更低電位的金屬覆于其上以防止反應(yīng)，Zn/Sn/Ni都是有機(jī)會(huì)的金屬。以鋅而言，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明適當(dāng)?shù)母采w厚度可得到承受，浸泡化學(xué)銅40Hr仍不會(huì)剝離的結(jié)合效果，其經(jīng)驗(yàn)厚度約為0.50.1mg/cm2。金也是可選擇加強(qiáng)結(jié)合力的金屬。
E. 傳統(tǒng)的光阻是以溶劑型為主，但因環(huán)保問題而使業(yè)界對(duì)配方有所調(diào)整。加入親水性物質(zhì)光阻可使用水溶液顯影，但一般水溶性光阻由于是堿性顯影系統(tǒng)用化學(xué)銅抗電鍍將因親水分子過多而產(chǎn)生膨松問題。因此有新系統(tǒng)發(fā)展出來親水分子調(diào)整至最佳狀況后，以低堿性鹽及高揮發(fā)點(diǎn)溶劑組合成顯影液。顯影液之最大成份仍為水，如此不會(huì)有燃燒的危險(xiǎn)。而此光阻劑可承受約40小時(shí)化學(xué)銅浸泡不致有問題，只是光阻難免有溶出物會(huì)影響鍍液析出速度及鍍出品質(zhì)，因此其配方是必須考慮以減少影響為目標(biāo)一般負(fù)型光阻其本身會(huì)吸收光源能量。因此改善光阻透光性以獲得良好筆直的壁面是光阻改善的方向有部份光阻已可作到光阻厚度76m厚度以下,30m線寬間距的分辨率。
F. 電鍍過程中如何防止雜質(zhì)顆粒的產(chǎn)生，對(duì)細(xì)線路而言將是一大課題。對(duì)Semi additive制程而言，電鍍?nèi)粝仁褂酶邷劐冦~(化學(xué)或電鍍)再以較冷的鍍錫槽鍍保護(hù)層。由于光阻會(huì)因熱脹冷縮而在銅線路與光阻頂端產(chǎn)生約1m的空隙，因此鍍錫時(shí)線邊緣也會(huì)大部份被錫鍍上，因此可加強(qiáng)保護(hù)效果獲得更好的線路。
G. 薄膜技術(shù)也可用于細(xì)線制程。一薄層Cr-Cu底層金屬以濺鍍鍍于底材上，以22 m厚的光阻作業(yè)以Semi additive制程化學(xué)銅浸約4Hr，去除光阻后由于底層薄膜很薄，因此用Ion milling即可不必作錫保護(hù)。
H. Fully additive是另一種方式其作業(yè)是以UV型干膜式增黏劑(Adhesive)壓覆于樹脂面，UV聚合后鉆孔粗化再以活化劑(觸媒)覆于表面，其后以光阻定義出備鍍區(qū)。為使光阻能抗堿可用UV光將光阻固化再以化銅填入備鍍區(qū)其后光阻本身也保留成板面的一部份觸媒，一般多用錫鈀膠體若附以適當(dāng)厚度既可啟始化銅反應(yīng)同時(shí)能保有一定絕緣電阻。
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