凸起焊盤板外層線路工藝制作技術(shù)研究

文/吳柳松 張軍杰 劉振寧

0 引言

凸起焊盤（Raised PAD）技術(shù)是下一代印制電路板（PCB）服務(wù)器中央處理器（CPU）控制模塊基板的主要應(yīng)用技術(shù)之一，常見技術(shù)參數(shù)要求Raised PAD高度為50μm，此要求決定其PCB制作技術(shù)的重點(diǎn)在外層線路。鍍銅Raised PAD做外層線路方法，除了用真空壓膜制作線路，也可用油墨制作線路（先干膜蓋孔），但此種工藝制作外層良率較低。本研究提出先制作出外層線路，然后在線路層再鍍Rai sed PAD，解決Raised PAD使用油墨制作外層良率低問題，并且能夠很好解決Raised PAD的高度增高，不再受到外層線路良率限制，實(shí)現(xiàn)一定程度的工藝技術(shù)突破。

1 技術(shù)概述

Raised PAD技術(shù)類產(chǎn)品（見圖1）為美國超威半導(dǎo)體公司、英特爾公司等大客戶應(yīng)市場發(fā)展需求，應(yīng)用前景廣闊。Raised PAD技術(shù)指標(biāo)要求較高，高度為50μm，比綠油厚度高25μm，分布在球柵陣列封裝(BGA)區(qū)域，且PAD是獨(dú)立連線和夾線設(shè)計(jì)，因而，Raised PAD產(chǎn)品特征決定其制作工藝制作難點(diǎn)在鍍銅后外層線路制作。外層線路制作使用壓干膜方法，但必須要用真空壓膜才可把銅面PAD高低處覆蓋上干膜，曝光后DES生產(chǎn)出外層線路圖形。也有使用油墨來制作線路。油墨工藝可分絲網(wǎng)印刷、靜電噴涂和浸油，無論采用哪種工藝制作，先用干膜蓋PTH孔（預(yù)防油墨流入PTH孔），再把濕墨均勻覆蓋Raised PAD制作出外層線路。由于Raised PAD高低差造成油墨厚薄不均，影響油墨底層的曝光不良，增加了影像轉(zhuǎn)移難度，導(dǎo)致外層良率較低。本研究提出先制作線路，再鍍銅Raised PAD的方法，不僅能在無真空壓膜設(shè)備下作業(yè)，且相比干膜蓋孔后用油墨做線路的工藝方法更精簡，縮短工時(shí)和節(jié)約成本。

下文介紹5種方案制作線路的工藝方法，主要從工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、使用物料等方面進(jìn)行剖析，給出一套可行的技術(shù)方案，并闡述電鍍、外層和防焊制程的制作參數(shù)及關(guān)鍵品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 Raised Pad 板外觀

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

Raised PAD制作成品要求高度50±5μm，其高度比綠油厚度高25μm，如圖2所示。

圖2 Raised Pad介質(zhì)層厚度

2.2 Raised Pad 工藝流程

針對外層線路不同工藝方法，Raised Pad板的制作工 藝全流程方案，統(tǒng)計(jì)整理如下：

（1）方案1：真空壓膜法。具體流程如下：

開料→內(nèi)層→AOI（自動光學(xué)檢測）→壓合→鉆孔→板電→干膜1→烘烤→鍍銅Raised PAD→鍍金→去膜→真空壓膜→線路曝光→DES→外檢AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→電測→FQC→清洗→包裝。

（2）方案2：“干膜封孔+絲網(wǎng)印刷油墨法”。具體流程如下：

開料→內(nèi)層→內(nèi)檢AOI→壓合→鉆孔→板電→干膜1→烘烤→鍍銅Raised PAD→鍍金→去膜→熱輥壓膜→曝光→顯影→印刷油墨一面→烘烤→印刷油墨另一面→烘烤→曝光→DES→外檢AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→電測→FQC→清洗→包裝。

（3）方案3：“干膜封孔+浸油工藝法”。具體流程如下：

開料→內(nèi)層→AOI→壓合→鉆孔→板電→干膜1→烘烤→鍍銅Raised PAD→鍍金→去膜→熱輥壓膜→曝光→顯影→烘干→浸油→烘烤→線路曝光→DES→外檢層AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→成測→FQC→清洗→包裝。

（4）方案4：“干膜封孔+靜電噴涂法”。具體流程如下：

開料→內(nèi)層→AOI→壓合→鉆孔→板電→干膜1→烘烤→鍍銅Raised PAD→鍍金→去膜→壓膜→曝光→顯影→靜電噴涂→預(yù)烤→曝光→DES→外檢AOI→防焊→文字→干膜2→化金→退膜→成型→成測→FQC→清洗→包裝。

（5）方案5：先外層線路后鍍Raised PAD。具體流程如下：

開料→內(nèi)層→AOI→壓合→鉆孔→板電→外層線路→DES→外檢AOI→沉銅→干膜1→烘烤→鍍銅Raised PAD→鍍金→去膜→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→成測→FQC→清洗→包裝。

3 Raised Pad線路板制作工藝

3.1 Raised Pad板的電鍍工藝流程

Raised Pad電鍍工藝，包含鍍銅與鍍金兩個(gè)流程。從干膜到鍍金制程相關(guān)參數(shù)如下：

（1）壓膜：板電后，經(jīng)過前處理，清洗烘干板面后，使用熱輥壓膜機(jī)壓上一層感光抗蝕膜。干膜型號W265，此干膜有65μm，保證鍍銅Raised Pad能鍍上大于50μm的厚度。

（2）曝光：把壓膜后的板放到曝光機(jī)臺面上，放上底片，使用UV光照射，作用是通過底片把圖形轉(zhuǎn)移到板面的干膜層上（LDI曝光機(jī)直接鐳射光作業(yè)把圖形轉(zhuǎn)移到板面的干膜層上，無需底片）。其生產(chǎn)制作參數(shù)為曝光能量280mj～300mj，曝光能量尺6±1格。

（3）顯影：將曝光完后的板靜置30min后，撕去干膜表層Mylar，放進(jìn)顯影機(jī)，利用顯影劑藥水（碳酸鈉）把未曝光的干膜沖洗掉，留下曝光過的干膜覆蓋圖形。其生產(chǎn)制作參數(shù)為線速1.5m/min～2m/min，碳酸鈉濃度1±0.2%。

（4）烘烤：把顯影后的板插于框架，放置在箱式烤箱內(nèi)，設(shè)定溫度120°，時(shí)間10min～20min，目的是使干膜和面銅結(jié)合得更牢固，預(yù)防后續(xù)電鍍藥水的滲鍍。

（5）鍍銅Raised Pad（凸臺）：把烤后的板冷卻常溫后，放到鍍銅線上進(jìn)行鍍銅作業(yè)。其生產(chǎn)制作參數(shù)參考露出銅面積，設(shè)定電流乘以鍍銅時(shí)間來計(jì)算出得到所需的凸臺高度鍍銅面積（0.06ft2）/鍍銅（15ASFX120min）/鍍錫（1ASFX10min）。

（6）鍍金：Raised Pad板鍍銅后，直接鍍金作業(yè)，要求鍍金厚度最小：30U"，鎳厚118U"～300U"，使用3#鍍金線。生產(chǎn)制作參數(shù)為電流密度（Au：11ASF＊Ni：12ASF），線速：0.7m/min，設(shè)定面積：5000mm2。

通過以上制程后，Raised PAD已制作完成，如圖3～圖5所示。

圖3 BGA區(qū)域鍍Raised Pad

圖4 Raised Pad放大10倍

圖5 Raised Pad切片

使用切片分析統(tǒng)計(jì)電鍍Raised PAD的厚度，經(jīng)測量，數(shù)據(jù)實(shí)際值都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（見表1、表2）。

表1 Raised PAD鍍銅切片測量數(shù)據(jù) 單位：μm

表2 Raised PAD鍍金測量數(shù)據(jù) 單位：U〞

3.2 Raised Pad外層線路制作工藝

3.2.1 先鍍銅Raised Pad后制作外層線路外層圖形的工序

（1）去膜。鍍金后Raised Pad板放進(jìn)去膜線作業(yè)，其原理利用去膜藥劑（NaOH），把干膜從板面上去除掉，保持板面潔凈。生產(chǎn)制作參數(shù)：線速1.0m/min～1.5m/min；碳酸鈉濃度3%～5%。

（2）壓膜。去膜后Raised Pad板經(jīng)過前處理，清洗烘干板面后，使用熱輥壓膜機(jī)壓上一層感光抗蝕膜，干膜型號HD240，此干膜制作干膜封孔之用，防止后續(xù)印刷油墨時(shí)油墨入孔烤干導(dǎo)致孔內(nèi)油墨清除不干凈。主要參數(shù)：線速2.0m/min；壓膜溫度110℃±10℃。

（3）曝光。把壓膜后的板放到曝光機(jī)臺面上，放上底片，使用UV光照射，通過底片把圖形轉(zhuǎn)移到板面的干膜層上。其生產(chǎn)制作參數(shù)：曝光能量90mj～110mj， 曝光能量尺6±1格。

（4）顯影。曝光完后的板靜置30min后，撕去干膜表層Mylar，放進(jìn)顯影機(jī)，利用顯影劑藥水（碳酸鈉）把未曝光的干膜沖洗掉，留下曝光過的干膜覆蓋圖形。生產(chǎn)制作參數(shù)：線速4.0m/min～4.5m/min；碳酸鈉濃度1%±0.2%。

（5）絲網(wǎng)印刷一面。把顯影后板使用絲網(wǎng)印刷機(jī)，進(jìn)行單面印刷作業(yè)，在板面上印上一層均勻的濕膜（線路油墨或防焊油墨，解析度達(dá)到制作外層線路的要求即可）。生產(chǎn)制作參數(shù)：刮刀速度1.5m/min～2.0 m/min;角度45°;壓力1.5kg/cm2～2kg/cm2。

（6）預(yù)烤。把印好單面的板插框架，放進(jìn)烤箱預(yù)烤，溫度75℃，時(shí)間5min～10min。目的為把濕膜烤干（不粘手為準(zhǔn)）。

（7）絲網(wǎng)印刷另一面。把印刷一面油墨烘烤干的板在同機(jī)臺進(jìn)行另一面印刷作業(yè)，在板面上印上一層均勻的濕膜。其生產(chǎn)制作參數(shù)：刮刀速度1.5m/min～2.0m/min;角度45°;壓力1.5kg/cm2～2kg/cm2。

（8）預(yù)烤。把印好雙面油墨的板插框架，放進(jìn)烤箱預(yù)烤，溫度75℃，20min～25min，把濕膜烤干（不粘手為準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)），預(yù)防粘底片給生產(chǎn)造成不便。

（9）曝光。把印刷雙面油墨烤干的板放到曝光機(jī)臺面上，放上底片，使用UV光照射作業(yè)通過底片把圖形轉(zhuǎn)移到板面的濕膜層上（LDI曝光機(jī)直接鐳射光作業(yè)把圖形轉(zhuǎn)移到板面的濕膜層上，無需底片）。制作生產(chǎn)參數(shù)：曝光能量90mj～110mj；曝光能量是5～7格。

（10）酸性蝕刻線（DES）。即顯影機(jī)（Deve loping）、蝕刻機(jī)（Etching）、去膜機(jī)（Stripping）的水平線連線作業(yè)。把曝光過的板放進(jìn)顯影機(jī)，顯影出所需要的圖形，不需要的露出銅面，經(jīng)過蝕刻機(jī)內(nèi)酸性蝕刻液腐蝕掉其銅面，留下保護(hù)膜覆蓋圖形，經(jīng)過去膜機(jī)內(nèi)去膜藥劑（氫氧化鈉）把覆蓋銅面上的保護(hù)膜去掉，得到銅層線路圖。生產(chǎn)參數(shù)：顯影機(jī)速度：3.5m/min～4m/min，壓力1.5kg/cm2～2.0 kg/cm2，碳酸鈉濃度1%±0.2%；蝕刻機(jī)速度：1OZ銅厚為參 考，4.5m/min±0.5 m/min，壓 力2.0kg/cm2～3.0 kg/cm2；去膜機(jī)速度：4m/min～5m/min，壓力1.5kg/cm2～2.0 kg/cm2，氫氧化鈉濃度3%～5%。

（11）外檢AOI。針對蝕刻出外層線路圖形進(jìn)行品質(zhì)檢驗(yàn)，與CAM客戶原稿設(shè)計(jì)圖形比對是否完整；如不完整，存在缺失項(xiàng)，查看判別，檢修，直到符合客戶需求品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其作業(yè)，檢驗(yàn)制程缺陷，預(yù)防品質(zhì)不良出現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

圖6～圖8為Raised Pad外層線路的不同工藝制作、不同工序所呈現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的線路。

圖6 真空壓膜法線路顯影后

圖7 “干膜+油墨”法線路顯影后

圖8 Raised Pad線路蝕刻后

3.2.2 先外層線路后制作鍍銅Raised Pad的工序

（1）壓膜。板電后，經(jīng)過前處理，清洗烘干板面后，使用熱輥壓膜機(jī)壓上一層感光抗蝕膜。干膜型號HD7240，此壓膜溫度110℃±10℃，壓膜速度2.5m/min±0.5m/min。

（2）曝光。把壓膜后的板放到曝光機(jī)臺面上，放上底片，使用UV光照射，通過底片把圖形轉(zhuǎn)移到板面的干膜層上（LDI曝光機(jī)直接鐳射光作業(yè)把圖形轉(zhuǎn)移到板面的干膜層上，無需底片）。生產(chǎn)制作參數(shù)：曝光能量80mj±10mj， 曝光能量尺6±1格。

（3）顯影。曝光完后板靜置15min后，撕去干膜表層Mylar，放進(jìn)顯影機(jī)，利用顯影劑藥水（碳酸鈉）把未曝光的干膜沖洗掉，留下曝光過的干膜覆蓋圖形。生產(chǎn)制作參數(shù)：線速1.5m/min～2m/min;碳酸鈉濃度1±0.2%。

（4） DES.生產(chǎn)參數(shù):顯影機(jī)速度3.5m/min-4m/min，壓 力1.5kg/cm2～2.0 Kg/cm2，碳 酸 鈉 濃度1±0.2%；蝕刻機(jī)速度1OZ銅厚為參考，4.5m/min±0.5 m/min，壓力2.0kg/cm2～3.0 kg/cm2；去膜機(jī)速度4m/min～5m/min，壓力1.5kg/cm2-2.0 kg/cm2，氫氧化鈉濃度3%～5%。

（5）外檢AOI（光學(xué)自動檢測設(shè)備）。針對蝕刻出外層線路圖形進(jìn)行品質(zhì)檢驗(yàn)，與CAM客戶原稿設(shè)計(jì)圖形比對是否完整；如不完整，存在缺失項(xiàng)，查看判別，檢修，直到符合客戶需求品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其作業(yè)，檢驗(yàn)制程缺陷，預(yù)防品質(zhì)不良出現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

（6）沉銅。把外層線路獨(dú)立的單元，通過沉銅線，沉積一層薄的銅層連接起來，為后面電鍍提供能導(dǎo)電的導(dǎo)體。此為化學(xué)銅在線路圖形之間作為電鍍導(dǎo)體的一種運(yùn)用。生產(chǎn)參數(shù)：線速2m/min。

（7）鍍銅Raised Pad工序制作相關(guān)參數(shù)參照以上Raised Pad板的電鍍工藝流程工序（1）～（6）。

Raised Pad外層線路制作依據(jù)基材銅經(jīng)過板電后，整體銅厚在35μm～40μm。按照銅厚35μm外層銅厚進(jìn)行補(bǔ)償線寬作業(yè)，其正常補(bǔ)償38μm?，F(xiàn)首件測量線寬數(shù)據(jù)在中值偏上，符合生產(chǎn)要求。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示（見表3、表4、表5），Raised Pad板的首件板制作完，線寬測量數(shù)據(jù)以及相關(guān)阻抗測量值在中值偏上，都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合生產(chǎn)要求，后續(xù)批量生產(chǎn)。

表3 TOP面Raised Pad線寬測量數(shù)據(jù) 單位：μm

表4 Bottom 面阻抗線寬測量數(shù)據(jù) 單位：μm

表5 Bottom 面阻抗值測量數(shù)據(jù) 單位：Ω

4 Raised Pad線路板制作工藝對比

4.1 先制作Raised Pad后制作線路的工藝流程

先鍍銅Raised Pad后線路制作，由于Raised Pad存在高低差，無真空壓膜設(shè)備，只能選用油墨制作線路。預(yù)防油墨入孔去墨不凈，PTH孔先使用干膜蓋孔，再絲印油墨（或噴涂，浸油作業(yè)）。由于工藝流程長，油墨在Raised Pad之間厚薄不均，抗蝕刻能力差異，導(dǎo)致最終線路良率較低。 見圖9。

圖9 PCB先鍍銅Raised Pad后制作外層線路工藝流程

4.2 先制作線路后制作Raised Pad的工藝流程

先制作外層線路，由于在板電后壓膜生產(chǎn)，不存在Raised Pad高低差影響，因而，其外層制作的良率較高，達(dá)90%以上，可到達(dá)到方案1使用真空壓膜設(shè)備生產(chǎn)Raised Pad板的外層良率。見圖10。

圖10 PCB 板先制作外層線路后鍍銅Raised Pad工藝流程

4.3 Raised Pad線路制作的缺陷與工藝改進(jìn)

Raised Pad在制作線路時(shí)，由于Raised Pad存在高低差，導(dǎo)致抗蝕劑干膜或油墨在覆蓋Raised Pad的全面、填充側(cè)壁時(shí)，其厚度受工藝技術(shù)設(shè)備局限性出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，影響抗蝕刻效果（見圖11～圖13）。具體改進(jìn)對策見表6。

圖11 Raised Pad對位不正

圖12 Raised Pad殘缺

圖13 Raised Pad線路不良

表6 Raised Pad制作線路缺陷工藝改善主要對策

5 Raised Pad線路制作方案比較

針對5種方案的設(shè)備，依據(jù)不同制作工藝流程及生產(chǎn)產(chǎn)品良率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，見圖14、表7。

圖14 Raised Pad板不同工序制作外層良率

表7 Raised Pad板不同工藝方法相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析以上5種方案流程，前4種先鍍銅Rais ed Pad后制作線路，方案5剛好相反，其優(yōu)勢如下：

A.縮短工序，可減去使用干膜蓋孔和濕墨制作線路兩個(gè)工序。

B.精簡工藝，省略濕墨印刷制作線路，減少一次影像轉(zhuǎn)移工藝。

C.節(jié)省工時(shí)，沉銅（10分鐘）與絲印油墨（3小時(shí)-制作10PNL板計(jì)時(shí)）耗時(shí)相差甚遠(yuǎn)。

D.物料節(jié)省，省去濕墨的物料和工治具的消耗。

E.良率提升＞30%，即方案5的外層良率90%相比方案2、方案3、方案4的外層線路良率50%～60%，差異＞30%。

綜上所述，Raised Pad 外層線路制作，不同的工藝制作方法生產(chǎn)良率存在差異，后續(xù)工藝將不斷改善，優(yōu)化參數(shù)，改良方法，不斷提高產(chǎn)品良率，持續(xù)改善之。