加速通过黄色安全光区域

LDI抗蚀剂正在成为PCB制造不可或缺的一部分,它可消除光绘工艺,并以很高成品率生产高分辨率印制板

• 感光度
  

• 下一代抗蚀剂
  

• 黄色安全光稳定度
  

• PLHT
  

Mark R. McKeever博士

由于越来越多地利用激光直接成像技术(LDI)制造PCB,因此人们对现有的第一代高速抗蚀剂的性能要求也越来越高。直接成像的优势已经被广泛接受:

? 毋需照相及与之相关工艺和处理

? 消除因照相而引起的成本和缺陷

? 具有以高成品率生产高分辨率印制板的潜力

? 可以按比例缩放外层图像

? 具有以低成本批量生产印制板的潜力

为了最大限度地利用直接成像的优势,并获得采用LDI处理的经济利益,就需要激光直接成像抗蚀剂。这些抗蚀剂必须能适应现有的标准PCB处理工艺,同时还要具有极高的感光度。目前的商用产品中,干性薄膜抗蚀剂较受欢迎,这是因为它们不需要液体成像抗蚀剂冲洗工艺所需的安装和减光处理,在晒干过程中溶剂的焚化和处理工作,保持和为这些冲晒线提供工艺控制所需的工程支出,以及与采用一种无缺陷且厚度一致光聚合物薄膜相关的成本和成品率。

现在制造商们正在从现有的商用LDI抗蚀剂中逐步地获得经验,对下一代抗蚀剂的要求也开始逐步明朗。开发第一代LDI抗蚀剂时遇到的主要挑战是,如何在保持制造高档PCB所需的性能时,在小于或等于每平方厘米10mJ的数量级上获得高感光度。这个问题现已被解决。这里描述的是如何获得下一代LDI抗蚀剂所需性能的技术方案。

第一代抗蚀剂的总体性能是好的,它们正被大量制造商成功地应用在ETEC和Orbotech光绘机上。根据这一实践经验,有两个区域对改善性能很重要。它们对提高感光度和改善层叠后保持时间PLHT(Post-Lamination Hold Time)处理曝光范围提出了需要。改善PLHT曝光范围意味着需要改善对黄色安全光的稳定性和减少更长PLHT引发的蚀刻延迟。如果能够遵守推荐的安全光和保持时间规定进行处理,这些效果将能得到有效控制。而且,增加的曝光范围扩大了处理的窗口,从而有可能提高整体成品率和减小高档PCB的制造成本。

感光度:LDI抗蚀剂的感光度是指,在储存在LDI光绘机CAD数据库的一个给定几何面积光敏抗蚀剂上复制出一幅图像所需的能量,而且该感光过的抗蚀剂应能在用户应用中发挥正常效能。例如,如果需要用每平方厘米8mJ的能量来从0.002"数据库中复制一条0.002"宽的线,抗蚀剂的感光度就是每平方厘米8mJ。如果每平方厘米8mJ的能量只能复制出0.0018"宽的线,则说明感光不足,需要更高曝光量,这意味着抗蚀剂的感光度已超过每平方厘米8mJ。

对LDI抗蚀剂感光度的最初要求是与光绘机制造商共同开发出来的。根据当时开发的光绘机的设计参数,目标规格是每平方厘米8到10mJ。当时认为这已足够让光绘机达到最高生产效率,并可确保一个良好的激光管寿命。

当感光度接近每平方厘米10mJ时,一些抗蚀剂会减小ETEC和Orbotech光绘机的生产效率。也就是说,光绘机不能在其最高效率下运行。激光管的功率也要被加大,导致其寿命缩短。通过提高抗蚀剂的感光度(减小所需的每平方厘米10mJ),毋需损失后续工艺的性能,就可减少光绘机上每一像素的曝光时间,从而提高生产效率。必须提高下一代抗蚀剂的感光度以使光绘机的生产效率达到最高。

黄色安全光稳定度:通常,涂上抗蚀剂的面板在进行曝光和处理之前会先放在黄色安全光下。这种情况通常会在工作间断期、假期或周末时发生。对抗蚀剂而言,曝光在黄色安全光下而不会引起性能的改变是很重要的。

在黄色安全光下时间过长可能会引起一些抗蚀剂的感光度发生变化。感光度改变的程度是由安全光的亮度和抗蚀剂被安全光照射的时间共同决定的。

图1给出第一代酸性洗印蚀刻抗蚀剂随在黄色安全光下照射时间增加其感光度损耗的曲线。(注意:这些数据是在接触洗印模式下得出的,但在激光光绘下也有相同表现。这一相同趋势也可见于这一家族其他抗蚀剂。黄色安全光的亮度约是375 Lux。)

图1:在黄色安全光下感光度损失曲线

PLHT:如同可能会在常规接触洗印抗蚀剂上发生一样,在曝光与操作之前,增加的PLHT会在处理后的铜皮表面残留一层薄的有机物。这是由很多因素造成的,包括铜箔的类型、上铜的时间、层叠之前铜表面的清洁度、整个操作过程是否有断点等等。如果有机残留物残留在铜表面,那么,蚀刻延迟和减少的镀铜量将呈现增长的趋势。

下一代抗蚀剂

接着我们描述下一代紫外线激光抗蚀剂的性能。这些抗蚀剂(一般称做LDX)是为提高感光度和作用曝光范围而发展的。

感光度:丙稀酸抗蚀剂的感光度主要由下面几点决定:

?光敏抗蚀剂的化学特性

?丙稀酸系统的反应能力和功能

?抗蚀剂稳定装置和抑制剂的整体水平。

在更小程度上,感光度取决于感光抗蚀剂抵抗显像液的能力。如果一个感光抗蚀剂不能有效地抵抗显像液化学侵蚀,图像将被迅速破坏、消散、变形等等。为补偿这一侵蚀,需要更高曝光量,从而可以有效地降低感光度。这一点对LDI抗蚀剂来说尤其如此。

导致高感光度的光敏抗蚀剂的所有组成部分必须协调以获得所需的整体性能。感光后的低防水性高感光度将会导致抗蚀剂的工作范围无法接受。抗蚀剂中高质量的稳定装置和抑制剂将会延长其使用寿命,然而会降低其感光度。类似地,低反应能力的单个系统感光度很差。实际上,在不牺牲性能的情况下达到LDI所需高灵敏度,需要协调处理前面所叙述的各种材料。

光激励系统必须设计得能具有很强的激光吸收能力,然后它必须产生高活性的化学物质,从而促成抗蚀剂中丙稀酸由单体向聚合的变化。对大多数抗蚀剂而言,激励波长的光密度必须能最大限度地获得光聚合效应。大多数抗蚀剂良好的聚合作用,可以改善铜箔的附着力,并得到好的蚀刻和电镀性能。光激励系统还应当具有对黄色安全光中存在的较长波长光辐射的低灵敏度。另外,它还应该可以完全融化和分散化学物质以避免软化。

在抗蚀剂中,选择合适的丙稀酸单体的类型和标准可以使其具有快速反应能力。同时,还必须提供在曝光后对显像液具有较高抵抗力的交叉连接抗蚀剂矩阵,从而可以在制造过程结束时在保持其可接受的剥落性能的同时,给予其优越的显像液曝光范围。

抑制剂是一种化学物质,通过减慢和停止有害的化学反应,从而稳定其他材料。所有的光敏抗蚀剂中都含有抑制剂。这些抑制剂可以为准备和制造光敏抗蚀剂提供所需的稳定性,还可给予包装好的抗蚀剂较长的保存期。但是,如果抑制剂的质量太好,抗蚀剂的感光度将会减少。同样,如果抑制剂的质量太差,抗蚀剂将会因保存期太短而缩短商业寿命。

抑制剂可以由抗蚀剂制造商添加到光敏抗蚀剂化合物内,或者被加至用于光敏抗蚀剂的原料中。例如,由于加入抑制剂,抗蚀剂中的丙稀酸单体比较稳定。当丙稀酸单体被加到抗蚀剂化合物中时,这些抑制剂就被添加到光敏抗蚀剂中。

有多种材料会提高光敏抗蚀剂的感光度,在LDX抗蚀剂中这些材料的组合已得到调整。光激励系统的组成成分,以及光激励系统对丙稀酸单体系统和化合物中抑制剂的比例都已经过调整。这种调整可以提高光激励系统的优化程度。

这种优化的结果使感光度相对于第一代抗蚀剂系列有显著的提高。事实上,在每平方厘米5mJ条件下,LDX的感光度几乎是第一代产品系列感光度的两倍。更可贵的是,在进行ETEC光绘机的一系列测试中,曝光量为每平方厘米5mJ到6.25mJ之间时,LDX可以复制 0.002"宽的线或几何空间(低曝光量没有测试)。在对第一代抗蚀剂进行同样测试时,在每平方厘米8mJ到10.5mJ曝光条件下,只得到了0.0018"宽的线。这说明为复制CAD信号的线宽需要超过每平方厘米10.5mJ以上的曝光量。另外,LDX在光绘机上能达到0.002"线宽,接触洗印会更低。

黄色安全光稳定度:就象前面讨论的一样,一个光敏抗蚀剂的总体感光度由它的几个组成成分决定。同样,光敏抗蚀剂对黄色安全光的感光度也一样受其几个成分的影响。

光激励器吸收范围必须被优化以从抗蚀剂印刷机或LDI光绘机吸收所需的射线,但并不吸收由印刷机或光绘机、或安全光房发出的游离的无用波长的光。

几乎所有的光敏抗蚀剂都包含用于染色的有机染料或颜料。抗蚀剂的颜色可以使操作和处理过程更加轻松,必须小心选择染料系统和颜色形成系统以提供一个打印输出图象,而且这些原料不应该干扰抗蚀剂的聚合过程。它们必须能在一个波长范围内吸收能量,并远离有光化性的区域,在那里紫外线感光的光敏抗蚀剂吸收能量。如同感光度一样,光敏抗蚀剂中抑制剂的类型和程度都会影响对黄色安全光的灵敏度。

设计并运作了几个实验,以掌握影响暗室稳定度的因素,从而找到消除或最小化不稳定因素的方法。这些实验的结果是非常清楚的(如图2所示)。根据所实验的LDX抗蚀剂的实验结果,不需要损失其他性能即可得到显著提高暗室稳定度的几种方法。在图2中,三个实验中的每一个LDX抗蚀剂,都使用了不同的技术方法。三天之后,安全光下的LDX抗蚀剂只损失了两级即剩下41级,而第一代抗蚀剂则损失了5级。LDX损失的比率较小,从而可以增加PLHT范围。

图2:LDX感光度相对PLHT的变化曲线

在LDX抗蚀剂上评估的几种新技术,不仅仅能提高对黄色安全光的稳定度,而且还能不损失LDX抗蚀剂所改善的感光度。图3给出在保持不变能量下第一代抗蚀剂与三个LDX光敏抗蚀剂的性能比较,长时间暴露于黄色安全光下的高感光度和感光度稳定性都在LDX抗蚀剂设计中得到充分考虑。

图3:LDX感光度

PLHT:提高PLHT的第二个方面是如何在加长保持时间内保持良好的蚀刻性能。无论面板被固定在黑暗中或是在黄色安全光下,这一性能应保持良好。LDX再次显示出性能方面的巨大改善。

图4示出第一代酸性蚀刻抗蚀剂酸性蚀刻测试与三个LDX实验配方之间的比较结果。第一代LDI抗蚀剂,在标准工业实践中使用时,在一天PLHT下显示出极好的性能。如果在一天内通过显像液进行处理,不会看到蚀刻延迟。但随着延长PLHT,蚀刻性能直线下降。

图4:在不同保持时间下的酸性蚀刻性能

进行评估的三个LDX配方具有非常长的保持时间。其中一个可以被保持三天以上,而没有或很少有蚀刻延迟。这些LDX抗蚀剂也含有改良后的化学物质,以提供更好感光度和黄色安全光下稳定性。通过控制附着在LDX上的化学物质可以获得改良的蚀刻性能,并能在加长的保持时间内提供最好的蚀刻性能。

利用碱性蚀刻也可得到同样结果。这种方案也被用于优化光敏抗蚀剂。

[作者简介]

Mark R. McKeever博士是美国宾州DuPont iTechnologies 公司印制板材料部资深副研究员。他拥有一个Temple大学化学学士学位和美国宾州大学物理化学博士学位。他的联系电话是:+1-570-268-3178；电子邮件:er@.