由于碳系列直接電鍍系統(tǒng)擁有成本低和易于維護的優(yōu)點，電子制造商選擇其代替化學沉銅工藝。如今，全球各地有數(shù)百條高產量碳系列直接電鍍生產線。這些系統(tǒng)之所以受歡迎，是因為減少了用水量，減少了廢水產生，減少了設備占地面積并降低了能源消耗。 除此之外，這些系統(tǒng)不需要鈀等貴金屬來活化，從而可顯著節(jié)約運營成本。

       在最新一代的智能手機技術中，高密度互連（HDI）技術朝向更精細的線寬和線距發(fā)展，從而需要采用超薄銅箔作為整個生產制程的起點。這種超薄銅箔技術要求在銅互連形成過程中精密控制蝕刻精度。直接電鍍工藝（例如最新一代黑孔化技術）已開始在3微米的銅箔上進行先進的半加成法生產。

本文將回顧碳系列直接電鍍技術發(fā)展歷史，包括設備技術的新突破，以及如何應用于當今旗艦手機中設計極精細的線寬和線距。

碳系列直接電鍍的歷史

碳系列直接電鍍工藝廣泛應用于電路板行業(yè)已有35年之久。工業(yè)中廣泛使用的工藝包括黑孔、日蝕和黑影。最初的黑孔直接電鍍技術于1984年獲得了專利，并作為電鍍FR-4通孔面板工藝在商業(yè)上取得了成功。

由于黑孔是涂覆工藝，而不是像化學沉銅那樣的氧化還原工藝，因此該技術對不同介電材料的表面活性不敏感，可處理金屬化難度高的材料。 因此，這種工藝已廣泛用于撓性電路中的聚酰亞胺薄膜、高性能或特殊材料，如聚四氟乙烯（PTFE）。 碳和石墨的直接電鍍技術被認可用于航天和軍事航空電子應用且符合IPC -6012D規(guī)范的 3.2.6.1節(jié)的要求。

電路板的發(fā)展

隨著印制電路板設計的需要，直接電鍍工藝在過去幾年中不斷發(fā)展。由于微型化的驅動，由引線元器件發(fā)展到表面貼裝元器件，PCB設計演變?yōu)橐m應具有更多引腳數(shù)的微型元器件，這導致PCB的層數(shù)增加、電路板更厚、通孔直徑更小。為了應對高縱橫比的挑戰(zhàn)，生產線技術規(guī)范要涉及對微孔進行溶液傳遞交換的改進，如使用超聲波快速潤濕孔和去除氣泡，以及改善風刀和烘干機的能力以有效烘干厚電路板上的小孔。

此后，PCB設計人員進入了下一個階段：盲孔饑渴癥，引腳數(shù)和球柵密度超過了鉆孔和布線可用的板面。 隨著球柵陣列封裝（BGA）的1.27mm至1.00 mm柵格，轉向芯片級封裝（CSP）的0.80mm至0.64 mm柵格的，微盲孔已成為設計人員應對HDI技術挑戰(zhàn)的利器。

1997年，功能手機開始使用1 + N+1設計進行批量生產；這是在層芯上的疊加層帶有微盲孔的設計，隨著手機銷售量的增長，通過預蝕刻開窗和CO2激光、UV、UV-YAG激光和組合UV- CO2激光形成微盲孔。微盲孔允許設計人員在盲孔下布線，因此可以在不增加層數(shù)的情況下重新分布更多的引腳柵格。HDI目前廣泛應用于三個平臺：微型化產品、高階封裝和高性能電子產品。手機設計中的微型化是當前產量最高的應用。

直接電鍍

諸如黑孔之類的直接電鍍系統(tǒng)必須克服技術障礙，以應對盲孔和HDI微小孔型的金屬化挑戰(zhàn)。當盲孔尺寸縮小之后, 提高了清除盲孔底部碳顆粒的困難度，但是盲孔底部的清潔度有是影響可靠性的關鍵因子；所以，開發(fā)新的清潔劑和微蝕劑，是改善盲孔底部清潔的方法。

另外，依據理論以及實務經驗，修改微蝕段的噴管設計為 噴灑-浸泡-噴灑的配置組合，實踐證明是有效的設計。減小了噴嘴與電路板表面之間的距離，縮小了噴嘴之間的間距，增加了對電路板的噴灑沖擊力。通過針對細節(jié)的掌握，新型的噴管設計可以有效處理高縱橫比的通孔以及盲孔。

隨著下一代智能手機的發(fā)展，制造商開始使用任意層的堆疊盲孔設計而取消通孔，這引發(fā)了一種趨勢，即隨著線寬和線距從60μm減少到40μm，電路板的制作流程采用的原始銅箔厚度從18μm穩(wěn)定地減少到12μm再到9μm。而任意層線路板的每一個疊加層都需要經過一次金屬化和電鍍，這樣子就大幅度增加了濕制程的產能需求量。

智能手機也是撓性和剛撓結合電路的主要用戶。與傳統(tǒng)的化學沉銅工藝相比，直接電鍍在任意層、撓性電路板（FPC）和剛撓結合電路板生產中的應用均顯著增加，這是因為該工藝與傳統(tǒng)的化學銅工藝相比成本更低、用水更少、廢水產生更少（圖1）。

                                               圖1：直接電鍍工藝為制造商帶來了巨大的環(huán)保和經濟利益

銅咬蝕量規(guī)格 ：改良型半加成法（mSAP）

現(xiàn)在，最新一代的智能手機和先進的封裝逐漸采用替代型的半加成法（mSAP）。mSAP采用3μm的超薄箔來實現(xiàn)30/30微米的線寬線距設計。而采用超薄銅箔的生產流程中，需要非常精準地管控各個制程中的微蝕槽的咬蝕量。特別是對于傳統(tǒng)的化學沉銅和直接電鍍工藝，必須非常精準地控制表面銅箔的咬蝕量（圖2）。

                                                    圖2：PCB日益縮小的線寬/線距要求需要嚴格控制蝕刻深度

MacDermid Alpha公司的設備團隊和產品專家小組現(xiàn)已成功將碳直接電鍍制程應用在最新的領域；最新的、經過優(yōu)化的碳直接電鍍生產線被應用在3 μm銅箔的mSAP生產流程中。

設備配置方面的進步

為了優(yōu)化直接電鍍工藝以配合mSAP工藝，在投入全面生產之前，逐步在實驗線上測試幾種不同的設備設計。測試結果顯示，經由良好的設備設計，可以在一個操作范圍寬條件下提供均勻一致的導電碳涂層。

舉例來說，在碳系列的直接電鍍制程中，采用一種有專利保護的滾輪配置，可以讓碳涂層更趨均勻一致。并且降低生產板板面上的碳沉積量、減少碳懸浮液的帶出量，同時防止盲孔或通孔孔角處出現(xiàn)過厚碳層。

后微蝕槽的設備規(guī)格也進行了重新設計。盲孔底部是否100%完全清潔干凈是廠商最在意的品質問題。如果在盲孔底部的局部有碳殘留，在電性測試時是能夠通過測試的，但是因為導通的橫截面面積減小、結合力也縮小，導致在組裝過程中因未受熱應力沖擊而出現(xiàn)斷裂失效的問題。 隨著盲孔直徑從傳統(tǒng)的100微米至150微米減小到80微米至60微米，升級微蝕槽的設備規(guī)格對于產品可靠性至關重要。

通過測試研究修改微蝕槽的設備規(guī)格提升制程能力來達到完全清除盲孔底部的的碳殘留，目前已應用于量產線。第一個主要改進包括使用雙蝕槽來提供更精密的咬蝕量控制。第一階段去除銅表面的大部分碳，第二階段采用新鮮干凈的微蝕液，避免碳顆粒能會再重新返沾到量產板板面。第二階段同時采用了減銅線的技術，大幅度度地提高線路板板面上的微蝕量的均勻性。

減少電路板板面咬蝕量的變異值，有助于精準地控制盲孔底部的總蝕刻量，咬蝕量的變異值是由化學濃度、噴管設計和噴灑壓力參數(shù)嚴格控制（圖3）。

                                  圖3：通過設備和化學改進的均勻蝕刻控制可以完全去除目標焊盤中的碳殘留

化學品改進

在化學品改進方面，對傳統(tǒng)的清潔整孔劑和微蝕藥水進行了測試和修改，同時考慮控制咬蝕能力。清潔劑中的有機添加劑，選擇性地只有沉積在銅表面，不會沉積在樹脂材料上。所以，碳顆粒也只會沉積在這一特殊的有機涂層上。當線路板進入微蝕槽時，有機涂層在酸性藥水中有很高的溶解性，所以，通過微蝕槽中的酸移除有機涂層，同時側蝕碳顆粒底下的銅面，可以加速清除同面上的碳顆粒。

另一個改善項目是，采用雙組分的微蝕刻，可以提高去除碳顆粒的能力并且降低銅箔表面的微粗糙度。讓銅表面的粗糙度有利于干膜附著。測試結果顯示，相對平滑的盲孔底部有助于提高電鍍同在盲孔底部可靠性。經過優(yōu)化的碳系列直接電鍍制程之后，盲孔底部的銅箔已經完全干凈，可以讓電鍍銅依附銅箔上的銅晶格持續(xù)成長而達到最佳的鍍層結合力（圖4）。

                               圖4：微蝕模塊已被證明是提高直接電鍍工藝中盲孔可靠性的關鍵

關鍵工藝槽和化學品的特定改進相結合，構成適用于采用超薄銅箔生產的先進HDI / mSAP流程。通過銅-銅直接鍵合的單一界面，形成連續(xù)的金屬晶格，提高了盲孔的可靠性。微蝕槽的處理讓盲孔底部銅箔形成的理想的微粗糙度，當作填孔電鍍銅基底。這促進了盲孔底部上電鍍銅的晶格沿著銅箔的晶格持續(xù)成長。經過正常的高溫熱處理之后，銅晶粒出現(xiàn)晶格重組排列而形成了完整的連續(xù)向的金屬晶格。

采用FIB切割樣品形成薄片觀察分析顯示，界面線在晶粒尺寸和結構上是均勻的（圖5），在熱沖擊或熱循環(huán)之后，盲孔底部的銅箔和電鍍銅之間的界線很難找到，沒有其他制程容易出現(xiàn)的Nano-void，除非是由于氧化或污染等因素造成的。

圖5：電鍍銅層和目標焊盤之間界面的聚焦離子束（FIB）成像，領先的直接電鍍技術可使強銅-銅鍵合在熱應力下表現(xiàn)優(yōu)異

全速前進

直接電鍍生產線，如“黑孔”，目前已經用于3微米超薄銅箔的替代型半加成（mSAP）的量產流程上了。這些系統(tǒng)在批量生產中使用精準控制微蝕量的相關設備，用這種設備生產的12層任意層電路板已通過了300 Cycle的IST測試。在上述產品中，黑孔應用在采用mSAP流程的L2/10和 L3/11，盲孔的尺寸為80~100 x 45μm，每片線路板含有200萬個盲孔。

在制程中使用AOI檢查是否有碳殘留物。檢驗結果顯示在5,000 PSM/月的產量中，沒有檢測到任何缺陷。這些電路板的電鍍是在垂直連續(xù)電鍍（VCP）生產線上完成的；內層采用Tent-Etch流程的全板電鍍，而mSAP層必然是采用圖形電鍍。圖6中的電子背向散射衍射（EBSD）圖像顯示了目標焊盤和電鍍銅層之間的界面處晶粒尺寸的均勻性。

                                   圖6：盲孔和目標焊盤橫截面的電子背向散射衍射（EBSD）晶粒結構

備注：電路板在260°C下進行熱處理，然后在170°C下循環(huán)300個周期，平均晶粒尺寸為3.12微米。

隨著微型化元器件要求更多引腳數(shù)且更小封裝，PCB基板發(fā)展需要應對密度增加的挑戰(zhàn)。盲孔已成為HDI設計的代名詞。隨著PCB設計從通孔發(fā)展到HDI設計（如任意層和mSAP技術）的變化，為了與行業(yè)的發(fā)展保持同步，直接電鍍技術已在化學和設備配置方面取得了一定的進步。

目前，最先進的高階直接電鍍系統(tǒng)正在為最新一代移動裝置平臺的PCB制造商提供競爭所需的可靠性和性能。在新的領域，例如利用撓性和剛撓結合電路，或新混合材料的領域，碳系列直接電鍍技術為尋求擴大其電鍍能力的制造商提供了一種經濟高效的技術解決方案。

                                                                                                                                                  此文章內容來自電子時代