PCB制作中成像和电路制作的方式

徐杰栋 胡广群 编译

（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

描述了一些新的制程。由于创新领域总有部分技术最后无法实施，对于一些有希望但暂未成功的技术方向做了适当的分析。在此文发表的时候，本文部分提及早期的研发也许已经确定不能成功。

“Tech Talk”曾经提到激光直接成像（LDI）和PCB制作中的喷墨技术[1][2]，本文也介绍了一些常见的喷墨和激光应用。

1 半加成工艺和加成工艺

图1给出了半加成工艺（SAP）的概述。图1左侧的制程是先进倒装（FC）封装常用的电路形成过程。无电镀铜镀在平坦的介质层和微通孔孔壁上。制作一个抗蚀图形后，根据这个图形将铜层镀厚，然后剥离抗蚀层，将无电镀的基铜用差分蚀刻的方法去除。也就是说，电镀的电路没有被蚀刻而成的金属抗蚀层所保护。

图1 半加成工艺

一个关键的问题点是无电解铜和微粗化过的介质层表面之间的结合力。这个过程需要非常高的控制精度和先进的介质层材料以及光阻材料。为了保证铜的结合力，基铜的选择中，铜箔会用来替代无电解铜。铜箔的制作可以是在支持铜层上继续加厚或者用一个较厚的铜层做蚀刻，减薄到目标厚度。保留的基铜仍旧厚于无电解铜，因此不能用于小于30μm的特别细的线路制作。铜箔表面粗糙度（牙齿）是个常见的问题，因为集肤效应，更光滑的溅镀铜将被用于先进封装中的高速信号层。

在图1右方的流程图包含了介质层表面的凹槽制作，这些凹槽定义了之后形成电路的位置。这样的沟槽可以用激光消融[3]，喷射塑模，热压或印刷图形[4]的方式来加工得到。接着将整个介质层表面，尤其是镀盲孔和埋孔的位置，进行123qwe无电解镀铜，然后用电镀铜快速加厚。非电路位置的面铜将会用差分蚀刻、电解法抛光或化学机械抛光（CMP）的方法去除。凹进的电路将生成一个平整的表面，并在电路三面和基板之间提供更强的结合力。转移积层[5]也可以达到同样的效果。将一个电镀的抗蚀图形镀在导电薄片上（例如不锈钢）。然后根据该图形将铜层镀到薄片上，接着将抗蚀层剥离，这样图形铜层就被转移（印刷）到了半固化片上。

图2（a）描述了使用无电解铜沉积的带种子层的基板的加成工艺。种子层可以用钯，Kollmogen就使用了这个一流的非电解镀铜工艺来完成整个制程。在这个应用中，抗蚀层需要能耐数小时的强碱。这种制程的一个替代方案是用含多个不同种子层，例如复合有机金属或金属氧化物，在激光照射时转换成金属[6][7]，然后用非电解铜加厚。

图2（b）描述了使用不含种子层基板的加成工艺。在一个这样的工艺案例中（Parelec公司的Parmod®技术），预先印上导电墨层，经过加热后转换成导电金属。导电墨可以用丝网印刷或者胶印技术印到基板上。在低电流应用中，墨也可以直接提供足够的电传导性，或者将导电墨作为无电解镀铜的基层使用[8]。还有一种不同的技术，将导电的聚合物涂布到基板表面，用激光照射的方式来形成电路图形[9]。与之类似的一个技术是将不导电的聚合物涂布到基板表面，然后用激光照射的方式将其转换成导电聚合物。聚乙烯聚合物（PATAC）是一个现实中的例子[10]。喷墨形成导电图形和介质层图形是近来加成工艺领域中的最新的创新方向[11]。一种喷墨打印机喷射绝缘墨和导电墨（含银微粒的有机涂料）的方法，将金属配线图形以喷墨的方式喷到绝缘层上，然后在150°～200°的条件下烘烤。Z方向互连的金属柱和绝缘层也可以用喷墨的方式加工，一种20 mm×20 mm规格的20层板已经成功使用这种工艺加工。

2 激光成像的选择

图3描述了激光成像的概述。在这类技术中首先被关注的是LDI技术，包含了光阻的曝光，逐一像素对准，使用Orbotech[12]、Asahi Opical[13]、Fuji和其他公司提供的激光设备。

图2 加成工艺图

图3 激光图形转移方法

PCB制造商在之后的几年里对LDI技术表现了持续的关注。这种发展的主要驱动力有几个方面的持续需求：

（1）成像的正确位置；

（2）层与层间的对准提高；

（3）缩放图形，根据最佳对准的条件来改变或移动图形。

（4）LDI设备便宜的价格。

这些需求现在已经达到。提高的性能具体都有LDI成像仪，固体激光器更长的使用寿命和更低的能源消耗，用于初次成像的先进光阻和更快的加工速度。

图3描述了几种激光消融成像的应用。激光成像作用在空曝光之后的光阻上，相对传统光刻的光阻对光阻外形的需求更小。另一个激光消融成像的例子是是Atotech使用非光敏有机抗蚀层的浸渍涂布流程，光阻涂布之后用激光成像。这种抗蚀层在独立的浸渍过程中会相对铜层形成色差。Lamwit[13]是一个介质层基层激光消融成像的例子。西门子展示了浸锡选择性蚀刻来建立镀铜板的工艺，之后用碱式蚀刻。在INVINT的试行工艺案例中，激光用于消融导电聚合物层，剩余的图形部分则用于生成电路图形。

作为激光消融的例子，这里也需要提到印刷电路板的微控制系统的激光标志制作[14]，见图4所示。

图4 激光标记制作

一个不同于上述技术（LDI，激光消融成像）的例子是Anvik的激光投影成像体统Anvik HexSacanTM 2100 SPE[15]，见图5所示，使用受激准分子激光器作为激光源。另一个例子是LPKF的激光系统用于活化3D结构中的种子层图形[16]。

3 PCB制造中的喷墨应用

PCB制作中首先成功的喷墨案例是在阻焊层上的字符印墨[16]-[20]。这种应用和纸上的喷墨印刷非常相近，它也迎合了喷墨印刷的强度需求：薄的颜色涂布，有限的分辨率需求和数字数据驱动。

图5 Anvik投影成像系统

下一个有希望成功的应用是用喷墨印刷抗蚀层，这个技术还在起步阶段。同样该应用也有低厚度，无针孔的涂布能力的需求。

抗镀层或阻焊层的喷墨印刷有较高的技术要求，例如更厚的涂布高度，多层喷嘴的需求，和良好的侧壁精确度。扩散图形可以用喷墨技术来形成电路而不是用于形成抗蚀层。这种工艺的原理是将选择性溶解（或选择性不溶）的化学制品用喷墨的方式喷到抗蚀层上。数字图像数据驱动喷墨机。一个例子是喷射胺溶液到覆铜基板上，覆盖一种未曝光的负型光阻。被胺选择性溶解的光阻随后被显影和空曝光。近来PCB制作中一种令人印象深刻的喷墨印刷技术是Seiko Epson的多层加成工艺。它的绝缘层和导电层图形都是喷墨形成的。

4 投影成像

“分步重复”投影成像是IC制作工艺的选择之一。即将用于精细线路倒装封装的线路成形。玻璃表面铬掩膜是很常见的。投影光学成像能在X、Y方向等比例放缩来补偿基板的涨缩。强光源能在使用慢光刻速度，高分辨率光阻的条件下满足曝光时间的需求。

5 胶印

在2003Productronica上介绍了一个致力于研发印刷蚀刻光阻的胶印技术的协会。包含了研究所，大学，供应商和制造商。追踪了两个技术版本，一个基于单侧薄片胶印（使用MAN Roland 200的设备），另一个是轴到轴双侧印刷工艺，产能在2000片/小时。印刷凸轮是激光成像，且可以重复调整，类似于CDRW。

图6 RTCircuits的胶印光刻工艺

[1]Fine Lines in High Yields, (Part CV): Laser Direct Imaging Update, Karl H. Dietz, CircuiTree, June 2004, pg. 46.

[2]Fine Lines in High Yields, (Part LXXIII): Ink-Jet Applications in Electronics, Karl H. Dietz,CircuiTree, October 2001, p.62.

[3]The Sharper Image: Current Alternatives to Direct Imaging/Patterning (Part II), Christophe Vaucher,CircuiTree July 2001 (covering Multek's Laser-Ablated Micro Wiring Interconnect Technology(Lamwit) technology).

[4]Innovative Uses for Imprinted, U-Shaped PWB Traces & Microvias, George Gregoire, IPC Expo‘98, Long Beach, CA.

[5]US Patent 4,606,787 to P. Pellegrino.

[6]Laser Technologies for HDI Applications--New Structuring--and Via Processing, D.J. Meier & J.Kickelhain, Proceedings, ECWC (9), October 7-9,2002, Cologne, Germany.

[7]Ultramid T als Traeger fuer MID-Schaltungen bei Laser-Direkt-Strukturierung, Production von Leiterplatten und Systemen, 9/2004, p.1535.

[8]RT Circuits: Additive Circuit Processes, Printed Circuit Europe, 3rd Quarter, 2001, p.51 (additive offset litho print seed layer ink).

[9]INVINT (www.invint.com).

[10]Laser Recording of Circuit Structures from Conducting Polymers in Insulating Polymer Layers,H. K. Roth et al, Circuit World, Vol. 22, No.2, 1996.

[11]Inkjet wiring advances 'desktop factory' goal, Yoshiko Hara, EE Times, 11/8/2004 (reporting on Seiko Epson Corp.'s inkjet printing technology by which conductor patterns are directly inkjetted onto a substrate).

[12]Market needs and LDI technological improvements drive further utilization of LDI, Orbotech, TPCA Proceedings, Oct.30-Nov.1, 2003, Taipei, Taiwan.

[13]http://www.pentax.co.jp/japan/products/system/directimager/index_2080.htmlControl Micro Systems, 4420 Metric Drive, Winter Park, FL 32792(tel: 407-679-9716).

[14]www.cmslasermarking.com.

[15]www.anvik.com.

[16]New System Company, Via III Armata, 131, 34170 Gorizia, Italy (www.new-system.com).

[17]Productronica, Product Launches, Printed Circuit Europe, 1st Quarter 2000, p.64.

[18]Jetmask Ltd. (www.jetmask.com).

[19]The Inkjet Legend, Printed Circuit Europe, 1st Quarter 2001, p.63.

[20]Printar, 5, Oppenheimer Street, PO Box 292, 76000 Rehovot, Israel.