Передовые решения при подготовке поверхности слоев МПП — технологии компании MEC
Компанией МЕС (Япония) в целях улучшения адгезии между медной поверхностью и смольной основой была создана совершенно новая технология обработки медной поверхности. Предложенная технология предусматривает операцию кислого микротравления на основе раствора органической кислоты и последующего процесса образования на медной поверхности защитного органического азотосодержащего слоя.
В данной статье представлены особенности нового технологического процесса и продемонстрированы некоторые результаты испытаний адгезии на различных видах смол. С помощью электронно-сканирующего микроскопа (SEM) изучена топография медной поверхности. В результате был разработан технологический процесс подготовки медной поверхности, позволивший получить лучшие показатели адгезии даже для материалов с высоким показателем Tg, которых обычно не удается достичь традиционными методами оксидирования.
Введение
В связи с тем что в последние годы ужесточились требования к стоимости и возросла необходимость совершенствования характеристик теплоотвода для электронных устройств, в производстве полупроводников увеличился объем замены традиционных керамических корпусов компонентов пластиковыми корпусами. Одновременно в индустрии печатных плат стали появляться такие новые технологии, как производство многослойных печатных плат, имеющих высокий уровень плотности монтажа (HD-МПП), и выпуск плат с межслойными переходными микроотверстиями (microvia). Рост функциональных требований к подобным технологиям предопределил улучшение адгезии между медной поверхностью и смольной основой печатных плат.
Так же как HD-МПП, платы с межслойными переходными микроотверстиями состоят из различного вида материалов, в связи с этим в подобных платах содержится много различных контактирующих межслойных поверхностей. Следовательно, повышение надежности адгезии различных поверхностей друг к другу приведет к увеличению надежности устройств. На рис. 1 приведены возможные варианты контакта медной поверхности и смольной основы для печатных плат с межслойными переходными микроотверстиями.
Наиболее эффективным методом повышения уровня адгезии контактирующих поверхностей является увеличение микрошероховатости медной поверхности. Традиционно для данной задачи применялась операция оксидирования медной поверхности, но, как уже упоминалось, такой вид обработки имеет некоторые недостатки.
Описание технологического процесса
Механическая связь
В процессе изучения воздействия различных соединений на медную поверхность с целью придания ей шероховатости были найдены сочетания веществ, весьма значительно повышающие уровень шероховатости. В результате разработан новый технологический процесс микротравления MECetchBOND CZ‑8100.
CZ‑8100 — травильный раствор на основе муравьиной кислоты, имеющий следующий механизм травления:
Cu + Cu (II) An → 2Cu (I) An/2
↓ Air
2Cu (I) → An/2 + n/4O2+nAH 2Cu (II) An + n/2H2O,
где A — слабый комплексообразователь, n — координационное число.
Добавление ингибитора в раствор микротравления позволило получить сверхшероховатую медную поверхность.
Механизм формирования топографии медной поверхности представлен на рис. 2. В результате воздействия раствора MECetchBOND CZ‑8100 травление межкристаллитных соединений происходит быстрее, чем травление самих кристаллов. Таким образом воспроизводится уникальная топография медной поверхности за счет использования положения кристаллов меди. Воспроизводимые топографии отличаются в зависимости от положения кристаллов меди. Полученная в итоге травления медная поверхность имеет повышенные показатели адгезии. На рис. 3 показан механизм улучшения адгезии. Как видно из рисунка, при одинаковом количестве стравленной меди существует разница в глубине рельефа, разница в эффекте «якоря», разница в адгезии к смоле.
На рис. 4а отображена топография подтравленной медной поверхности глубиной 3 мкм (рассчитано по изменениям в весе до и после микротравления). Оценка проводилась с помощью электронно-сканирующего микроскопа (SEM).
На рис. 4б приведено 3D-изображение подтравленной медной поверхности, измеренной в нанометрах профильным микроскопом KEYENCE VZ‑7700. Максимальный параметр измеренной шероховатости поверхности — 2,42 мкм.
Химическая связь
В последние годы для печатных плат стали производиться новые материалы, которые соответствуют таким свойствам керамики, как низкая диэлектрическая константа и высокая теплостойкость. Примерами подобных материалов с высоким Tg являются FR5, полиимид и бисмалеимид триазин (BT). По сравнению с обычно применяемым FR4 адгезия к медной поверхности у таких материалов более слабая, поскольку данные материалы обычно состоят из химически неактивных компонентов.
С целью увеличения уровня адгезии даже к таким сложным материалам было проведено исследование нескольких различных методов обработки поверхности и выявлено, что химическая связь между медной поверхностью и смолой очень важна в сочетании с механической связью. В результате был установлен определенный класс органических азотосодержащих соединений, которые образуют тонкий органический слой на микроподтравленной медной поверхности. Итогом проведенной работы стал новый технологический раствор для обработки поверхности на водной основе MECetchBOND CL‑8300. Он не только обеспечивает прочность сцепления со смолами с высоким Tg, но и защищает медную поверхность от окисления.
Механизм действия CL‑8300 следующий:
Cu + HN~R~NH + HN~R’ или HO~R’ → Cu __ N~R~N_R’,
(CL‑8300) (смола)
где HN~NH — это основной компонент раствора CL‑8300, HN~R’ и HO~R’ — химически неактивные компоненты смолы.
Атомы азота раствора CL‑8300 образуют ковалентную связь с медью и координационную связь с химически неактивными функциональными группами смолы, и таким образом органический слой работает в качестве связующего компонента. Поскольку и координационная связь, и ковалентная связь очень крепкие, то и прочность сцепления будет очень высока.
Технология MECetchBOND
Технологический процесс обработки состоит из процесса микротравления, промывки в растворе кислоты и процесса, образующего на поверхности меди тонкий защитный органический слой.
На рис. 5 приведена технологическая цепочка процесса MECetchBOND. Для удаления нерастворимых соединений меди, состоящих в основном из гидроксида меди и образующихся на подтравленной поверхности меди, используется очистка кислотой после процесса микротравления.
Стадия 1
Предварительная обработка для очистки поверхности раствором MECBRITE CA‑5330RTU.
При обработке обычными растворами на поверхности печатных плат могут оставаться следы химических продуктов, что замедляет эффект создания шероховатой поверхности в последующей стадии процесса.
Раствор для очистки MECBRITE CA‑5330RTU эффективно удаляет не только отпечатки пальцев и оксиды, но и клейкое вещество сухой пленки с медной поверхности, не оставляя при этом никаких следов после обработки.
Стадия 2
Обработка раствором из смеси органических кислот CZ‑8100 для создания шероховатостей на поверхности меди.
При обработке раствором CZ‑2030 формируется уникальный микрорельеф медной поверхности, что способствует возникновению эффекта «якоря» при меньшем травлении по сравнению с CZ‑8100, который сводит к минимуму уменьшение ширины линии на рисунке схемных соединений.
Скорость травления CZ‑8100 стабильна благодаря тому, что процесс травления происходит без окислителя. В качестве окислителя выступает воздух, подаваемый в процессе распыления.
В зависимости от применения глубина микрорельефа медной поверхности может быть отрегулирована объемом и временем травления и настройкой скорости конвейера.
Стадия 3
Обработка в кислой промывке (раствор соляной кислоты) с целью удаления продуктов травления.
Так как CZ‑8100 не содержит сильных комплексообразователей, то в результате увеличения рН на этапе промывки водой происходит отложение соединений меди на медной поверхности, которые вследствие своей высокой гигроскопичности приводят к ухудшению адгезии к смоле.
После обработки CZ необходима обработка в кислой ванне для удаления продуктов травления.
Стадия 4
Обработка раствором CL‑8300 (Anti-tarnish) для предотвращения окисления медной поверхности и усиления адгезии.
Раствор CL‑8300 образует органическую пленку на шероховатой медной поверхности, созданной раствором CZ-8100, которая предотвращает окисление меди и улучшает адгезию с образованием химических связей к смоле с высоким Tg. В результате обеспечивается отличная адгезия к смоле посредством образования химических связей благодаря CL‑8300 и механических связей процесса CZ‑8100.
Проверка эксплуатационных показателей
Прочность сцепления с паяльной маской
В производстве печатных плат часто применяется паяльная маска на основе эпоксидной смолы. Паяльная маска также используется для нанесения на пластиковые корпуса. Но в последние годы появилась проблема отслоения паяльной маски во время последующего процесса золочения. Был проведен стандартный тест на отрыв липкой ленты с целью изучения адгезии паяльной маски к медной подтравленной поверхности. Методика тестирования описана ниже (рис. 6).
- Подготовка медной поверхности.
- Нанесение паяльной маски:
-
- паяльная маска: PSR‑4000 Z‑26 (Taiyo Iink);
- экспонирование: 300 мДж;
- предварительное отверждение: 80 °C, 30 мин;
- проявление: 1%-ный раствор углекислого натрия;
- отверждение: 150 °C, 40 мин.
- Подготовка к тесту. Нанесение перекрестной штриховки. Погружение в 3,5%-ную соляную кислоту на 10 мин.
- Нанесение липкой ленты. Наклейка липкой ленты на перекрестную штриховку. Отрыв ленты за один прием.
Были подготовлены следующие образцы:
- стеклотекстолит с медной фольгой, обработанный MECetchBOND CZ‑8100;
- стеклотекстолит с медной фольгой, обработанный в традиционном растворе микротравления H2SO4‑H2O2;
- стеклотекстолит с медной фольгой после механической зачистки.
Результат проведенного тестирования показал, что только при применении технологического процесса MECetchBOND CZ‑8100 на образцах не было обнаружено отслоения паяльной маски.
Прочность сцепления с препрегами
Было проведено исследование адгезии препрегов к медной поверхности после климатических испытаний при повышенной температуре и давлении (PCT). В качестве образцов использовалась стандартная медная 35‑мкм фольга. Блестящая сторона первого образца обрабатывалась только процессом микротравления MECetchBOND CZ, для сравнения второй образец был обработан стандартным раствором черного оксидирования. Использовались как обычные препреги FR4, так и материалы с высоким показателем Tg. Измерения проводились согласно JIS C 6481.
На рис. 7 приведены результаты тестирования.
Результаты теста показывают, что новый технологический процесс MECetchBOND CZ обеспечивает высокий уровень прочности на отрыв даже после воздействия температуры, влажности и повышенного давления. Наблюдалось значительное повышение степени прочности сцепления в случае применения материалов с высоким Tg.
По итогам проведенных исследований по получению высокого уровня адгезии между медной поверхностью и смольной основой был создан новый технологический процесс обработки медной поверхности, особенно для материалов с высоким Tg.
Данная технология основана на повышении как механической, так и химической связи медной поверхности со смолой.
Новая система MECetchBOND обеспечивает значительное улучшение надежности сложных печатных плат (HD-МПП) с межслойными переходными микроотверстиями.