有很多种材料可用于下一代线路板互连应用,在此基础上现在又开发出系列通孔填充聚合物,利用这种聚合物可改进目前高密度组装中所使用的传统环氧树脂通孔插入材料的性能。
有机层压封装及线路板生产的急剧增长驱使制造厂商不断地提高互连密度,同时还要减小尺寸和单位成本。移动电话淘汰数量的迅速上升就是一个很好的例子,小尺寸、低成本及高性能已成为产品在全球市场规模竞争中的重要因素。
与此同时,自从表面贴装成为PWB业界标准以来,对通孔填充的需求正开始上升。线路板在作层压时其内层常由树脂填充,当用到塑料焊盘栅格阵列(PLGA)封装器件时,回焊焊料还起着增强通孔结构的作用,利用其高导电率修补由于断裂或其他缺陷引起的任何开路。
如今的高密度线路板及序列内置封装(SBU)设计人员正利用各种通孔填充材料来提高设计的可靠性和性能,大多数时候使用绝缘通孔填充材料,通孔填充主要有两个功能,即防止后工艺遗留物蔓延污染以及提供结构支持。另一种方法是最近由Prolinx发表的技术,它直接用导电环氧树脂填充通孔而不是先镀铜,虽然这种应用尚未成为业界标准做法,但是已经证明通过提高通孔填充材料的特性尤其是导电率,可以大大简化封装和线路板制造工艺。我们也看到大家对利用导热及导电材料的优点来提高可靠性表示出极大的兴趣,就缩小尺寸而言,用导电或绝缘材料来填充通孔、暗孔及焊盘过孔等都会有积极作用,而且在先进工艺技术应用中也没有什么大问题。
材料技术
我们这里先介绍实际填充材料的性能特性,以及各种材料如何填充各种形状的通孔才能达到理想的效果,另外我们还将从线路板和封装两个方面以及填充剂开发商的角度介绍不同材料需考虑的因素。
性能因素
对线路板和封装制造厂商以及最终用户的大量调查都显示,实际功能方面的要求和通孔填充材料的质量应互为关联地加以考虑,这对导电及绝缘通孔填充技术都适用,但同时并不排除其他人用不同的方法确定具体需求参数。例如有时允许内部有空洞,只要其上下表面都是“盖住”的；或者有时一点下沉也是容许的,只要表面没有会积聚化学材料的凹坑即可等等。在6σ质量控制工艺中,上面两种情况都是相当主观的控制因素。随着进一步观察多步骤工艺和通孔的功能及机械完整性,尤其是热导率或电导率时,结论会更清楚一些。让我们考虑一下某些经常观察到的特性。比如当某种材料固化收缩时,会留下一个“翻盖”形表面,这样其内部应力可能会增加而使填充物分裂,这对于线路板/封装的最终用户可能只是一个外观问题,而对于线路板/封装制造厂商来说,该缺陷则会引起后续工艺的问题,包括阻焊剂涂敷以及湿工艺污染等。再比如内部有孔洞时,它在哪里出现几乎是无法控制的,因而导致表层下面随机出现孔洞,在生产过程中有时就会造成碎裂。对于导热或导电通孔填充材料来讲,孔洞具有良好的绝缘特性,所以这会给实现材料数据资料中所列热导或电导率带来困难。
在考虑用导热或导电通孔填充材料作为热传导或电传导通路时,其特性应该如何测量呢？通常这样的测量需要在导电材料镀层旁边有一个链路,我们认为通孔内壁接触面至少也应是同等重要的。在考虑可靠性时,接触点将起很大作用,含有导电材料的环氧树脂固化后会附在通孔内壁,但实际上它与电镀并不相同。体热传导率常常利用接点上的热油脂来帮助测量,但对于填充通孔壁面来说,这不是一个可行的方法。材料供应商利用隔离式结构来测试这些特性的固化值再将其公布,或许这对制造商会有所帮助。
当把通孔填充与其它变量共同考虑时,又出现了很多新问题。在对高密度线路和SBU设计以及印刷线路板制造的复杂性进行研究之后,我们把最能满足通孔填充材料可靠性要求的固化前及固化后特性详列如下:
功能性
1．材料必须要有流动性,可以很好地流入各种孔径的通孔,而且在使壁面润湿的同时,决不能在靠近表面位置出现严重树脂外渗。此外它还应具有优良的平整特性,作“点形”或“面形”填充时尤其应该如此。
2．填充材料必须形成一个内部没有孔洞的“塞子”,以便为镀孔壁面提供支撑和良好的热导和电导。因为空气或其他气体引起的孔洞会在填充的通孔中形成各种不同的隔离区,贴近表面的孔洞则会引起后续工艺的问题,这一点对绝缘通孔也是一样的。
3．作为孔壁传导的辅助替代物,填充材料应具有较低的热/电接触阻抗,在填充之前进行铜处理可提高整体传导性。
4．填充材料颗粒尺寸的分布及最大值必须保证能够对最小直径为0.003英寸(甚至还有0.002英寸)的通孔进行填充,它应能克服一些轻微的孔壁镀层缺陷,如突起或因通孔电镀产生的弯曲限制等。
5．材料的固化温度必须与封装或印刷线路板材料特性以及设计限制条件相符合,并能够控制温度的下降速度,以尽量减少形状的改变和对后工序的影响。
可靠性
1．固化后的填充物应该能承受后续各种工艺,包括水洗和化学清洗、铜蚀刻、抛光、电镀特别是化学镀铜等等,因此应该对所用的化学混合物严格执行JEDEC 1级防潮和处理溶液浸入测试。
2．填充材料必须能承受填充后的机械处理,比如经各种平面化处理后不应破坏通孔的表面特性,或造成后工艺材料残留到印刷和蚀刻工序中。
3．填充材料不管是在预清洗阶段或在铜蚀刻后的表面上都必须要有良好的孔壁粘着力,而且还能承受后面的热循环过程。就是说它必须要通过现有的可靠性测试标准,在温度循环过程(如在液体恒温槽间转换的B类热循环)中孔壁保持连续而不发生破裂。
封装和线路板结构因素
我们现在来看一下“内置”和“真空层压”多层构造中通孔填充材料的基本应用。通孔填充可以在层压制造的初始工序中进行,应用对象包括内部微过孔、埋孔、盲孔以及靠近封装/线路板边缘的预镀金孔等。
SBU从“核心材料”结构开始,它是指一种单层或多层的铜/树脂结构,其上下表面均覆有铜箔。铜箔厚度一般用盎司重量表示,有1/2盎司、3/8盎司等规格。这种核心材料通常先按照设计要求进行机械钻孔,然后去毛刺、进行清洗最后再镀铜。
核心板料涂镀有四种基本方法:平板涂镀(普通表面)、点镀,模形涂镀和完全涂镀。前三种通常采用电镀工艺,最后一个则用化学方法。为解释涂镀特性与通孔填充的关系,我们对前三种方法作一简要讲述。平板电镀是最容易的通孔填充方法,通孔填充材料通过橡胶滚轴接触或其他方法直接涂敷到板面而不用模版或丝网,这就省掉了模版与通孔精确对位的过程。在点镀和模形镀中则要先用掩膜图,然后是电镀、去除掩膜,再通过模版对位进行通孔填充(有时还要一个掩膜来帮助填充)。使用掩膜版的原因是通孔有一个环形凸面,其宽度通常在52um以上,厚度16～52um,这对模版来说会产生一种类似垫片的效果,特别是在一个45.7×61cm的平板上进行X、Y和θ对位时它的影响会很大。上面这些方法各有优缺点,我们看一下其中两个最基本的方法。平板电镀依靠平面化可以很容易进行通孔填充和整平,但却无法作得很精细以应用于更高的电路密度上；模形电镀具有很好的线条分辨率,但在作模版通孔填充时又有很大的对位问题,使得过填充加剧或者造成树脂渗透到必须保持清洁的表面上。日本趋向于使用平板电镀,并通过缩小平板尺寸减小对位的难度,但这同时也降低了单板元件数量和利润。在美国,大多数厂商都尝试所有三种电镀工艺,在扩大平板
尺寸的同时缩小特征尺寸并增加板上的元件数以增加盈利。
我们的目的是均匀地对钻出的通孔壁面进行电镀,一直到核心层表面。通常厚度一致性会难以保证,造成镀层厚度出现差异,称为“膝形镀层”(在上下开口处的孔壁电镀量过厚),另外通孔内还会出现由电镀溶剂引起的结点,这些问题会进一步影响通孔填充的一致性及导线蚀刻过量或不足。电镀通孔的尺寸和深度取决于核心层的层数,显然,核心层越厚或通孔直径越小,后面的电镀和通孔填充操作就越困难。平面化可以帮助改善表面的一致性,但通常最好是对电镀槽加强控制,这样就可以免掉这个工序。处理通孔填充目前已有了一些方法,不过材料准备或方法本身也可能引起一些潜在的缺陷。
在我们已研究过的通孔填充材料和特定应用变量关系上,有一些应用限制条件。例如要想在某个平板或基板内不出现过度填充或不合适的平整特性其通孔尺寸就应有一定范围,另外流变特性及填充剂密度也有一个范围,它受到通孔直径和长宽比的影响。
可以看到在所有这些考虑因素中,通孔填充物性能必须要能够与各种工艺或者后序工艺相适应,并适应这些工艺中可能出现的异常情况。对于高性能材料来说,这些特性的考虑是很重要的,有必要加以强调以便开发出性能和成分的最佳组合以满足最终用户的要求。
先进的材料开发方法
根据前面讨论的制造考虑因素,我们开发了既可以解决工艺又可解决最终性能问题的通孔填充材料。为达到所要求的性能目标,我们利用内部仿真设备研究特殊的界面效果。这些研究可提供关于配方性能的一些高水平化学和理化知识,因此在这里与其它参考资料一并提及,供有兴趣了解这些的技术人员作参考。就通孔填充系统而言,对树脂(一种改进过的环氧/氰酸盐酯)以及填充物的动力学建模帮助解决了许多实际的小问题,正是这些问题使原来的配方常常失败而使相关的学科得不到重视。
虽然对填充剂(包括目前改进的环氧/氰酸盐酯化学成分)仿真会带来的影响已经在一些文章中有所论述,但通孔填充表明利用仿真是加快配方开发的有效途径。例如,利用分离的元件模型我们可以通过确定颗粒分布的一般趋势,帮助调整目前(专用)填料颗粒分布,从而获得更高更密的传导性。更进一步还可对分子建模,以确定表面活性剂以及导电聚合物的效果,它将同时影响通孔填充剂的印刷特性和界面及体积传导性,而且还可控制一些次要的方面,如渗出和相分离等。不过目前分子建模最重要的是要与化学试剂选择共同使用,并考虑对粘着特性的影响。由于环氧/氰酸盐酯系统具有很复杂的化学反应过程,因此确定能够增强聚合物固化后防潮性能的理想化学材料是很重要的。依据我们的实验室研究,环氧/氰酸盐酯的固化逐步进行,最后的产品分布很大程度上取决于配方引入的催化剂类型。分子建模可用来确定哪一物质对于增强固化特性是有帮助的,尤其是防潮特性。所找出表现最佳的材料最终都在固化研究中得到证实,进一步建模说明这些产品还有助于提高压力循环特性和防潮特性。这些资料可用来对催化剂进行正确调整,以优化配方并获得具有更佳反应效果的材料,下一节将介绍通孔填充应用中的防潮效果以及其他测试结果。
AlliedSignal新型通孔填充材料
AlliedSignal通孔填充材料编号为JM3200系列,具有很好的通孔填充性能、低孔洞固化特性、较高防潮性以及较高粘着性等,其中导电型填充剂还加入了一种专用导电聚合物和渗出修正剂,可以增强孔壁的介面传导率。本节将讨论这些性能的各个方面,以及读者可能感兴趣的其它数据。
改进后的环氧/氰酸盐酯通孔填充剂里不含溶剂,可以消除因挥发性成分引起的孔洞。JM3200系列材料的挥发性很低,与环氧树脂材料相比,不含溶剂的材料在热固化时不会出现较大的重量减少,例如200℃时通孔填充材料的重量损耗是0.397%, 而环氧树脂材料则是3.467%。比较发现,采用我们目前的环氧/氰酸盐酯和一些其他厂商的环氧树脂通孔填入材料进行填充后,可看到有很多孔洞散布在通孔填料内部,而使用不含溶剂的材料后,整个通孔内都没有孔洞或者气泡,得到的是一个非常理想的稳固填充物。另外这种填充剂的粘度通过粘性非常低的单体以及一种专利技术而得到良好控制,与之相反,其他环氧树脂通孔填充材料利用稀释剂来抵消填充物过多(通常不到重量的80～90%)的影响,以达到更高的热/电传导率。对这些填充剂来说,固化时稀释剂或者溶剂挥发将造成很大的重量损失,导致填充后通孔收缩并出现孔洞。为克服孔洞现象,含有溶剂的配方通常先在低温下烘干,除去溶剂,然后在更高温度下固化,这就要使用两段或三段式固化曲线。虽然一些建议的加热曲线可减少孔洞现象,但并不能消除。这是因为反应中的环氧树脂会迅速凝结、粘性提高并且发生聚合,在溶剂发出气体时将空气留在内部。
简化固化工艺是JM3200系列的另一个特征。由于这种填充剂不含溶剂,因此免去了溶剂预热工序(虽然这种工序很少能够将溶剂全部去除),缩短了工艺时间,也减少了搬运传递步骤。缩短工艺周期和提高生产率是该材料的另一个优点。虽然建议的固化工艺为160℃下进行1小时,但是也可采用其他固化程序,例如在某些临时情况下可以在175℃下固化30分钟。不过注意高温/快速固化对材料的韧性可能有轻微影响,并要留心内外材料的玻璃转换温度(Tg)。这种材料通过仔细控制和设计,可在任意一种条件下进行单步式固化,不会由于孔洞或者收缩而影响产量。除了缩短工艺周期提高生产效率之外,其灵活的工艺性能也为制造商提供了一个非常可靠的无孔洞通孔填充工艺。这种灵活性可以从其稳定的传导特性清楚地看到,它与固化时间无关(如图1)。
对于高密度线路和SBU工艺来说,前面所述在通孔填充之后的常用工艺,如铜蚀刻、抛光和电镀等都要求通孔填充材料必须能够防潮,并且不会有材料损耗或者收缩。有些方法可以用来测试材料的防潮能力,包括湿气的吸收和预处理测试。我们用湿气吸收试验对AlliedSignal改进型环氧/氰酸盐酯与普通环氧树脂通孔填充材料进行了比较,图2显示在这方面可防潮的环氧/氰酸盐酯比环氧树脂通孔填充材料要好很多,暴露于湿气之中重量只呈现出较小增加。图3中的粘性保持特性更清楚地说明了防潮性能的重大差异,在85℃和85%RH环境下经过7天后(JEDEC 1级标准),通孔填充聚合物在铜/铜和铜/FR4上分别还有75.5%和72.8%的粘着保持能力,虽然环氧树脂材料在铜/铜样品上最初粘着力更高,但是经过潮湿环境之后粘着力几乎完全丧失。环氧树脂材料的潮湿敏感性在以前的文献中已经作过很多介绍,这主要是由于其中的聚合物具有亲水性,同时在一些环氧树脂系统如酐固化环氧树脂中弱酯粘合剂的水解作用。JM3201通孔填充材料经过普通后处理工艺测试,在铜镀工艺中具有很好的耐久性而不会有材料损耗。
JM3200还在8小时制生产线上表现出良好的工艺性,特别是与橡胶滚轴工艺联合使用时。它也有一些缺点,由于材料配方内含氰酸盐酯,因此需要低温贮藏,不过这已经是封装/裸片粘接业中施行了很多年的一种作法。
JM3200系列的另外一个优点是可以粘着于各种基底材料。数据表明,在铜和有机基底材料之间利用这种独特的聚合物化学制剂可以达到很强的粘合,对于BT、FR4和聚酰亚胺也有同样良好的附着力。其较低的CTE能够很好地缩小两种不同材料在热膨胀上的失配,另外这种新型化学制剂具有中等弹性系数和Tg,保证工艺材料能经得起高温回流焊,而且热循环过程不会产生裂缝。在一个从液体环境到液体环境的热冲击测试(B类条件,500个周期) 中,环氧/氰酸盐酯聚合物系统未出现裂缝或者收缩,也没有因潮湿而出现退化现象(如图4)。
研究中另一个关键性能指标是体传导率。通过使用一种在导电填充物形态方面的受控设计以及新型表面涂敷技术,可以提高环氧树脂材料的热传导率,将这两种技术合在一起能使新材料比环氧树脂材料在装填物重量上节省10%,同时仍然满足各种关键性能指标,如热传导率等。
最后,虽然目前还没有要求,但是这种通孔填充材料因为使用(从离子杂质的角度来说)非常干净的成分,而具有较高离子纯度,每种离子在对其水解离子含量(如Cl-、F-、Na+、K+等)进行测量时,通常不足10ppm。环氧树脂通孔填充材料由于使用由环氧氯丙烷组成的环氧基树脂,不可避免地含有很多Cl-,通常为100ppm。在裸片粘接和底部填充应用中,粘合材料非常接近裸片,研究证明此时Cl-在潮湿条件下可能会造成腐蚀。
本文结论
本文介绍了表面上看似简单的通孔填充技术在开发时需要考虑的各种因素,同时为读者介绍由Johnson Matthey电子公司开发的新型通孔填充产品。随着微通孔和高密度线路板技术不断面临挑战,它们也为新材料的发展带来了契机。高性能通孔填充聚合物在提供可靠的高质量通孔填充方面显示出巨大潜力,数据表明它在可靠性、可用性和工艺性等方面都超过了环氧树脂材料。可靠的高质量通孔填充聚合物出现为设计人员和制造商在开发下一代产品时提供了更多的材料选择。
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J. Pedigo
材料工程师
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Tel:(1-715)720-5352
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N. Iwamoto
研究员
Honeywell Advanced Circuits
Tel:(1-858)536-4736
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C. Zhou
高级科学家
Honeywell Wafer Fabrication Materials
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