Технологии в электронной промышленности №8'2015

Высоконадежное осаждаемое медное покрытие со снятыми внутренними напряжениями для гибких, полиимидных и гибко-жестких печатных плат

Карвер Джейсон (Jason Carver)

Кучера Элвин (Alvin Kucera)


Перевод: Рентюк Владимир


Доступный в настоящее время широкий спектр листовых слоистых материалов и специализированных диэлектриков представляет проблему для технологических процессов изготовления печатных плат. В частности, столь гладкие поверхности, как у полиимида, при использовании их в качестве подложек гибких печатных плат и гибко-жестких конструкций с оконными вырезами могут вызвать проблемы как при химическом осаждении меди, так и при гальванических процессах.

Кроме того, обычные системы химического осаждения меди часто требуют предварительной обработки опасными для здоровья химическими веществами или имеют небольшое окно технологического процесса для достижения равномерного покрытия без брака в виде пузырей (вспучивания). Для того чтобы разрешить проблемы металлизации гладких диэлектрических поверхностей, был разработан новый технологический процесс химического осаждения меди, свободный от внутренних механических напряжений осажденного слоя. Этот процесс может сыграть важную роль в производстве печатных плат.

Введение

По мере того как тепловые, физические, химические и электрические свойства обычных печатных плат совершенствуются, происходит эволюция и материалов подложек (оснований) для создания гибких печатных плат. В связи с широким разнообразием доступных материалов подложек становится все труднее вписывать их в рамки имеющихся производственных процессов [1]. Так, полиимидные смолы, обеспечивающие исключительную тепловую и химическую стабильность, по-прежнему создают проблемы при их использовании в ходе стандартных технологических процессов.

Например, наиболее часто применяемый метод металлизации непроводящих подложек — химическое осаждение меди — восприимчив к вспучиванию или отслаиванию из-за низкой адгезии осаждаемой медной пленки на подложку. Для обеспечения необходимой адгезии к подложке и предотвращения вспучивания химически осажденной пленки меди требуется создать точки для ее механического сцепления с подложкой. Этому способствует шероховатая поверхность основания, выполненная химическим травлением или плазменной обработкой. Обычные химические травители, которые, прежде всего, были предназначены для эпоксидных подложек, как правило, неэффективны при использовании с полиимид-ными основами печатных плат [2].

Однако плазменная обработка, наиболее действенная применительно к полиимиду, пока недостаточна для того, чтобы полностью предотвратить отшелушивание и образование зон вспучивания [3]. В некоторых технологических процессах для этого прибегают к помощи щелочного раствора, содержащего гидразин [4]. Хотя это и оказывает эффект в части улучшения адгезии безэлектролизных пленок меди, гидразин чрезвычайно опасен для здоровья и создает проблемы при обеспечении безопасности его использования. Кроме того, многие виды материалов, например, скрепляющие слои, содержащие адгезив, несовместимы с растворами сильных щелочей.

Известно, что большинство методов подготовки поверхностей неэффективны, или не практичны, или приемлемы лишь в некоторых ситуациях для того, чтобы смягчить эффект образования зон вспучивания (пузырей) и быть пригодным для различных типов подложек. Поэтому важно использовать процесс химического осаждения меди, имеющий достаточно широкое технологическое окно.

В настоящее время наиболее распространенные коммерчески доступные неэлектролитические решения не могут удовлетворить эти требования в части меднения. Известно, что образование пузырей и отшелушивание осажденной меди зависит от внутренних механических напряжений и деформации и что в раствор меди могут быть включены добавки, воздействующие на свойства осаждаемой меди в данных условиях [57]. Тем не менее включение добавок способно повлиять на надежность печатной платы, поэтому необходим их тщательный отбор. В этом исследовании мы оценивали выбор добавок в безэлектролизной системе осаждения меди, чтобы выявить их влияние на внутренние механические напряжения в осажденном слое и на надежность печатной платы в целом. Такая надежность определялась с помощью термоудара и стресс-теста для электрических межсоединений (англ. IST — Interconnect Stress Test).

Описание эксперимента

Решение для химического меднения состоит из раствора, содержащего 0,03 моль сульфата меди, 0,15 моль формальдегида, 0,08 моль металлохелата, 0,1–0,3 моль гидроксида натрия, а также из добавок для неэлектролитической металлизации медью, уменьшающих внутренние механические напряжения. В ходе экспериментов для химического нанесения металлизации медью использовались подложки, предварительно активированные палладием.

На подложки, представляющие интерес в рамках данного исследования, было химическим путем нанесено 1–2 мкм меди. Подложки были обработаны с помощью вышеуказанного раствора, при этом для оценки повышения химического выхода продукта в результате реакции осаждения меди были использованы растворы с увеличением относительного удельного веса в диапазоне 1,03–1,1. Эти растворы были испытаны в нескольких точках относительной плотности в пределах всего диапазона указанных удельных весов. Для испытаний на предмет формирования вздутий осажденного слоя меди применялись полиимидные подложки.

Внутренние механические напряжения оценивались с помощью прибора для измерения напряжений в гальванопокрытиях по стандарту JIS H8626 компании Yamamoto, со спиралью из никеля 0,15 мм и тефлоновым покрытием согласно стандарту ASTM B 636-84 (2001).

В ходе исследований проверялось наличие дефектов электрических межсоединений, для этого использовался тест-купон толщиной 1,57 мм, состоящий из восьми слоев с чередованием меди толщиной 35 мкм (1 oz) и 18 мкм (1/2 oz) и сквозных металлизированных отверстий диаметром 1,02 мм. В качестве подложки для проверки конструктивных характеристик покрытия был использован стеклотекстолит марки FR-4 с температурой стеклования (Tg), равной +180 °C. После металлизации, проведенной химическим нанесением меди, на тест-купоны наносилось гальваническое покрытие в обычном базовом растворе для меднения в серной кислоте. Это было сделано для увеличения толщины медного покрытия до 28–30 мкм, прежде чем купоны подвергнутся тепловому удару в +288 °C в течение 10 с каждый. Затем в тест-купонах в соответствии со стандартом IPC-ТМ-650 2.4.13f. была проведена оценка в шлифе сечения семи сквозных металлизированных отверстий.

Надежность оценивалась с помощью системы тестирования для электрических межсоединений компании PWB Interconnect Solutions Inc. (Оттава, Канада). Для проведения испытаний электрических межсоединений использовался купон типа GM40001A толщиной 3,18 мм, состоящий из 14 медных слоев толщиной 18 мкм (1/2 oz). Еще один купон был выполнен с использованием той же подложки, что и для тест-купона, для проверки наличия дефектов электрических межсоединений и содержал сквозные металлизированные отверстия для монтажа элементов диаметром 0,25 и 0,38 мм и переходные межслойные микроотверстия диаметром 0,15 мм. Чтобы имитировать процесс сборки платы, все образцы были предварительно подвергнуты шестикратному термоциклированию с температурой +260 °C.

Режим оборудования для проведения стресс-теста электрических межсоединений был установлен циклами +25…+150 °C для металлизированных сквозных отверстий и +25…+190 °C для переходных межслойных микроотверстий. Тест проводился при следующих условиях: 3 мин нагрев и 2 мин охлаждение. Купоны протестированы на 1000 циклов или до отказа, который определялся как увеличение сопротивления межсоединения на 10%. Режим отказа оценивали и документировали. Тест-купон состоит из двух электрических цепей. Цепь S1 предназначалась для проверки сквозных металлизированных отверстий, цепь S2 — для проверки переходных межслойных микроотверстий. В первую очередь оценивались цепи типа S1, а потом — цепи типа S2.

Внешний вид купона для стресс-теста электрических межсоединений показан на рис. 1 (http://www.pwbcorp.com/EN/microvia.php).

 Тест-купон GM40001A для стресс-теста электрических межсоединений

Рис. 1. Тест-купон GM40001A для стресс-теста электрических межсоединений

Результаты и их обсуждение

Эффект влияния добавок на толщину слоя осаждения меди первоначально исследован на полиимидных подложках, которые исторически всегда были проблематичными для технологии химического осаждения меди. Материалы для исследования представляли собой полиимидные положки, взятые из серийного производства гибких печатных плат. Для определения эффективности добавок, предназначенных для уменьшения или устранения вспучивания и отшелушивания осажденной меди, проведены визуальные сравнительные исследования на образцах с добавками и без. На рис. 2 и 3 продемонстрированы материалы, которые показали плохое качество покрытия на решениях химического осаждения меди без использования добавок. А вот с применением добавок наблюдается значительное улучшение качества покрытия.

 Гибкко-жестие платы из полиимида, изготовленные методом послойного наращивания и имеющие вырезанное окно

Рис. 2. Гибкко-жестие платы из полиимида, изготовленные методом послойного наращивания и имеющие вырезанное окно, были поочередно подвержены технологическому процессу осаждения меди: а) результат химического осаждения меди; б) результат химического осаждения со снижением внутренних механических напряжений при помощи добавок


 Сквозные металлизированные отверстия в гибких полиимидных платах

Рис. 3. Сквозные металлизированные отверстия в гибких полиимидных платах: а) химическое осаждение меди; б) химическое осаждение меди с добавками, снижающими внутренние механические напряжения

Уменьшение зон вспучивания объясняется пониженным внутренним напряжением медного осажденного слоя. Добавки, включенные в раствор для нанесения медного покрытия, оказывают влияние на напряжения, возникающие внутри химически осажденного слоя меди. Такому осаждению меди обычно свойственно наличие сжимающего напряжения, и оно, как правило, поднимает пузырь из осажденной меди на гладких поверхностях подложек, которые не имеют точек механического сцепления с осажденной медью. При правильном выборе добавок напряжение в осажденном слое можно значительно снизить.

Внутренние напряжения в осажденном слое измеряются несколькими способами. Обычный метод, распространенный в индустрии гальванических покрытий, — использование специального измерительного прибора. Итоговый результат осаждения меди из четырех химических растворов, содержащих различные добавки, оценен с помощью прибора компании Yamamoto, который выполняет измерения по японскому промышленному стандарту JIS H8626. На рис. 4 показано, что добавки действительно оказывают существенное влияние на внутреннее напряжение осажденного слоя меди. Типичные неэлектролитические решения для меди, применяемые в производстве печатных плат, похожи на результаты, обозначенные буквами В, С и D. Результат с применением некоторых добавок, снижающих напряжения, помечен буквой А — как видим, при использовании добавок напряжение в покрытии значительно уменьшается.

Уровни внутреннего напряжения в химически осажденной меди, измеренные прибором для измерения напряжений в гальванопокрытиях

Рис. 4. Уровни внутреннего напряжения в химически осажденной меди, измеренные прибором для измерения напряжений в гальванопокрытиях. Добавки в раствор для неэлектролитического осаждения меди оказывают существенное влияние на итоговый уровень внутренних механических напряжений в осажденном слое

Раствор для химического осаждения меди с добавками, результат которого обозначен на рис. 4 как «процесс А», исследован с целью определить его влияние на конечную надежность печатных плат. В частности, оценена надежность итогового медного осаждения на электрические межсоединения многослойных печатных плат при воздействии термических напряжений. Для получения достоверного результата, соответствующего реальным условиям эксплуатации, подложки были обработаны согласно указанному процессу и дополнительно подверглись воздействию всех химических реагентов, используемых при изготовлении реальной печатной платы.

Здесь имеется в виду, что в растворе для химического осаждения меди присутствовали такие компоненты, как формиат (соль муравьиной кислоты), сульфат и другие различные добавки, применяемые в технологическом производственном процессе при неэлектролитической системе осаждения меди. Был проведен анализ основных химических компонентов и относительного удельного веса раствора. В неэлектролитических растворах, используемых для осаждения меди, увеличение относительного удельного веса крайне нежелательно, поскольку оно вызывает нестабильность жидкой смеси, дефекты осаждения и образование побочных продуктов, которые становятся более заметными. В итоге эти свойства могут повлиять на надежность покрытия из осажденной меди.

Тест-купоны для проверки на наличие дефектов электрических межсоединений были обработаны растворами с разной относительной плотностью и затем исследованы. Результаты показали отсутствие дефектов в электрических межсоединениях на всех образцах. Каждая точка на рис. 5 представляет собой оценку 12 электрических межсоединений, чье качество определено по семи сквозным металлизированным отверстиям; в общей сложности в каждой точке проанализировано 84 результата. Всего проверено около 4500 межсоединений. Тест-купоны для стресс-теста электрических межсоединений были проверены и после обработки в растворах для неэлектролитического осаждения меди, содержащих добавки для уменьшения внутренних механических напряжений в осажденном слое меди.

Десятикратный тест на пайку при использовании ванн с раствором

Рис. 5. Десятикратный тест на пайку при использовании ванн с раствором, относительная плотность которого находится в пределах 1,02–1,1

В таблице показаны результаты каждого теста в зависимости от относительной плотности раствора и толщины осажденного слоя. Испытания тест-купонов проводились циклами до фиксации отказа, а результаты записывались следующим образом: отказ цепи питания, отказ цепи передачи данных или отсутствие отказа. Тест-купоны, которые показали положительный результат после 1000 циклов, считались успешно прошедшими тестирование. Отказы, наступившие до завершения 1000 циклов, изначально были детерминированы в системе стресс-теста как отказы в цепи питания или отказы в цепи передачи данных.

Таблица. Результаты стресс-теста электрических межсоединений на тест-купонах GM40001A

Относительная
плотность
Толщина осажденного слоя, мкм Цепь S1
Результат
Цепь S1
Циклов
Цепь S2
Результат
Цепь S2
Циклов
1,06 1,55 Обрыв цепи
передачи данных
880 Успешно 1000
1,06 1,55 Успешно 1000 Успешно 1000
1,06 1,55 Успешно 1000 Успешно 1000
1,06 1,55 Успешно 1000 Успешно 1000
1,06 1,55 Успешно 1000 Успешно 1000
1,09 2,03 Успешно 1000 Успешно 1000
1,09 2,03 Обрыв цепи
передачи данных
985 Успешно 1000
1,09 2,03 Успешно 1000 Успешно 1000
1,09 2,03 Успешно 1000 Успешно 1000
1,09 2,03 Успешно 1000 Успешно 1000
1,04 1,5 Обрыв цепи
передачи данных
486 Успешно 1000
1,04 1,5 Успешно 1000 Успешно 1000
1,04 1,5 Обрыв цепи
передачи данных
586 Успешно 1000
1,04 1,5 Успешно 1000 Успешно 1000
1,04 1,5 Успешно 1000 Успешно 1000
1,04 1,5 Успешно 1000 Успешно 1000
1,092 1,73 Успешно 1000 Успешно 1000
1,092 1 73 Успешно 1000 Успешно 1000
1,092 1,73 Обрыв цепи
передачи данных
768 Успешно 1000
1,092 1,73 Обрыв цепи
передачи данных
999 Успешно 1000
1,092 1,73 Обрыв цепи
передачи данных
649 Успешно 1000
1,07 1,23 Обрыв цепи
передачи данных
966 Успешно 1000
1,07 1,23 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,23 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,23 Обрыв цепи
передачи данных
653 Успешно 1000
1,07 1,23 Обрыв цепи
передачи данных
864 Успешно 1000
1,07 1,23 Обрыв цепи
передачи данных
938 Успешно 1000
1,1 1,32 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1 32 Успешно 1000 Успешно 1000
1,l 132 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,32 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,32 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,18 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,18 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,18 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,18 Успешно 1000 Успешно 1000
1,07 1,18 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,075 0,94 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,14 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,14 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,14 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,14 Успешно 1000 Успешно 1000
1,1 1,14 Успешно 1000 Успешно 1000

В целом, отказы в цепи питания могут свидетельствовать о разрыве на границе медь/внутренний слой, которая представляет интерес при оценке надежности межсоединений в ходе процесса неэлектролитического осаждения меди. Отказ в цепях передачи данных обычно связывают с недостаточностью меднения в сквозных металлизированных отверстиях (то есть, возможно, в металлизации имеются трещины). Однако в обоих случаях, для того чтобы правильно идентифицировать отказ и установить его причину, необходимо сделать шлиф поперечного разреза.

Как уже упоминалось, для определения причины отказа у всех тест-купонов, не выдержавших 1000 испытательных циклов, был исследован шлиф поперечного разреза. Во всех случаях отказ был вызван растрескиванием медного покрытия или трещинами в проводящем покрытии стенок отверстий в печатной плате (рис. 6). Здесь стоит отметить, что при данном исследовании не было обнаружено никаких отказов, относящихся к безэлектролизному осаждению меди или к дефектам внутренних электрических межсоединений.

 Примеры отказа цепи передачи данных в ходе стресс-теста электрических межсоединений

Рис. 6. Примеры отказа цепи передачи данных в ходе стресс-теста электрических межсоединений, идентифицированные при анализе шлифа поперечного разреза как трещина в медном гальваническом покрытии

Далее был проведен регрессивный анализ надежности, выполненный по двум параметрам — плотность раствора и толщина осажденного слоя. Цель анализа — определить влияние этих параметров на число циклов стресс-теста электрических межсоединений до фиксации их разрушения. Полученные результаты обработаны с помощью распределения Вейбулла (распределение Вейбулла в теории вероятностей — двухпараметрическое семейство абсолютно непрерывных распределений. — Прим. переводчика). В обоих случаях эти два фактора не были статистически значимыми при α = 0,05, а потому результаты были объединены и представлены в графике распределения Вейбулла, приведенном на рис. 7. Затем результаты были сопоставлены с полученными ранее на подобных по исполнению купонах с безэлектролизным осаждением меди, без снижающих внутренние напряжения добавок. Сравнение результатов показано на рис. 8. Обратите внимание, что ранее проведенные испытания проходили при более низкой предустановленной температуре, а именно +230 °C. Общепринято, что испытания при более высоких предустановленных температурах считаются более результативными в отношении анализа устойчивости электрических межсоединений к стресс-тесту.

Обзорные графики распределения для всех стресс-тестовых купонов

Рис. 7. Обзорные графики распределения для всех стресс-тестовых купонов для исследования электрических межсоединений в циклах до отказа: а) плотность вероятности; б) функция выживания; в) по Вейбуллу; г) функция риска (интенсивности отказов)


Сравнение числа циклов стресс-теста электрических межсоединений

Рис. 8. Сравнение числа циклов стресс-теста электрических межсоединений до отказа в сквозных металлизированных отверстиях. Красным цветом отмечен результат с добавками для уменьшения внутренних напряжений, черным цветом — без добавок

По итогам анализа можно сделать вывод, что добавки не оказали никакого негативного воздействия на надежность электрических межсоединений при химическом осаждении меди по сравнению с результатами, полученными ранее при использовании безэлектролизного медного раствора, не содержащего добавки для снятия внутренних напряжений. На следующем этапе испытаний оценивалась схема типа S2, в которой были выполнены переходные межслойные микроотверстия. Поперечное сечение такого межсоединения показано на рис. 9. После 1000 циклов не выявлено никаких дефектов, относящихся к теме данного исследования, поэтому в дополнительных исследованиях не было необходимости. Из-за специфической конструкции тест-купона для стресс-теста электрических межсоединений и последовательности действий, принятой для оценки в ходе описываемого эксперимента, цепь типа S2 уже прошла до 1000 циклов воздействий при тестировании цепи типа S1. В связи с этим цепи типа S2 испытали до 2000 циклов термоциклирования.

Шлиф поперечного разреза переходного межслойного микроотверстия

Рис. 9. Шлиф поперечного разреза переходного межслойного микроотверстия

Выводы

Выбранные добавки, которые уменьшают внутренние напряжения в слое безэлектролизного осаждения меди, можно без риска добавлять к химическим растворам, используемым для осаждения меди. Снижение внутренних напряжений позволяет достичь качественного (без вздутий/пузырей) осаждения меди на гладких, трудно поддающихся металлизации подложках, таких как полиимидные. При воздействии термических напряжений, характерных для пайки и стресс-теста электрических межсоединений, эти добавки показали, что в результате безэлектролизного осаждения меди неблагоприятное воздействие на надежность межсоединений отсутствует.

Литература

  1. Coombs C. F. Printed Circuits Handbook 6th Edition McGraw Hill. NY, 2008.
  2. Wang Z., Furuya A., Yasuda K., Ikeda H., Baba T., Hagiwara M., Toki S., Shingubara S., Kubota H., Ohmi T., Adhes J. Sci. Technol., 16 (2002) 1027.
  3. Bhusari D., Hayden H., Tanikella R., Allen S., Kohl P. J. Electrochemical Soc., 152 (2005) F162.
  4. Jones J. J. Polymer. Sci., 22 (1969) 773
  5. Shipley J. C. R., Shipley L. H., Gulla M., Dukewych O. B. Electroless Copper Plating. United States Patent 3615733. 1971.
  6. Schneble F. W., Zeblisky R. J., McCormack J. F., Williamson J. D. United States Patent 3310430. 1967.
  7. Brüning R., Muir B., McCalla E., Lempereur É., Brüning F., Etzkorn J. Strain in electroless copper films monitored by X-ray diffraction during and after deposition and its dependence on bath chemistry // Thin Solid Films. Vol. 519. 2011. 4377.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо