凸起焊盘板外层线路工艺制作技术研究

文/吴柳松 张军杰 刘振宁

0 引言

凸起焊盘（Raised PAD）技术是下一代印制电路板（PCB）服务器中央处理器（CPU）控制模块基板的主要应用技术之一，常见技术参数要求Raised PAD高度为50μm，此要求决定其PCB制作技术的重点在外层线路。镀铜Raised PAD做外层线路方法，除了用真空压膜制作线路，也可用油墨制作线路（先干膜盖孔），但此种工艺制作外层良率较低。本研究提出先制作出外层线路，然后在线路层再镀Rai sed PAD，解决Raised PAD使用油墨制作外层良率低问题，并且能够很好解决Raised PAD的高度增高，不再受到外层线路良率限制，实现一定程度的工艺技术突破。

1 技术概述

Raised PAD技术类产品（见图1）为美国超威半导体公司、英特尔公司等大客户应市场发展需求，应用前景广阔。Raised PAD技术指标要求较高，高度为50μm，比绿油厚度高25μm，分布在球栅阵列封装(BGA)区域，且PAD是独立连线和夹线设计，因而，Raised PAD产品特征决定其制作工艺制作难点在镀铜后外层线路制作。外层线路制作使用压干膜方法，但必须要用真空压膜才可把铜面PAD高低处覆盖上干膜，曝光后DES生产出外层线路图形。也有使用油墨来制作线路。油墨工艺可分丝网印刷、静电喷涂和浸油，无论采用哪种工艺制作，先用干膜盖PTH孔（预防油墨流入PTH孔），再把湿墨均匀覆盖Raised PAD制作出外层线路。由于Raised PAD高低差造成油墨厚薄不均，影响油墨底层的曝光不良，增加了影像转移难度，导致外层良率较低。本研究提出先制作线路，再镀铜Raised PAD的方法，不仅能在无真空压膜设备下作业，且相比干膜盖孔后用油墨做线路的工艺方法更精简，缩短工时和节约成本。

下文介绍5种方案制作线路的工艺方法，主要从工艺流程、生产设备、使用物料等方面进行剖析，给出一套可行的技术方案，并阐述电镀、外层和防焊制程的制作参数及关键品质标准。

图1 Raised Pad 板外观

2 技术难点

2.1 技术现状分析

Raised PAD制作成品要求高度50±5μm，其高度比绿油厚度高25μm，如图2所示。

图2 Raised Pad介质层厚度

2.2 Raised Pad 工艺流程

针对外层线路不同工艺方法，Raised Pad板的制作工 艺全流程方案，统计整理如下：

（1）方案1：真空压膜法。具体流程如下：

开料→内层→AOI（自动光学检测）→压合→钻孔→板电→干膜1→烘烤→镀铜Raised PAD→镀金→去膜→真空压膜→线路曝光→DES→外检AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→电测→FQC→清洗→包装。

（2）方案2：“干膜封孔+丝网印刷油墨法”。具体流程如下：

开料→内层→内检AOI→压合→钻孔→板电→干膜1→烘烤→镀铜Raised PAD→镀金→去膜→热辊压膜→曝光→显影→印刷油墨一面→烘烤→印刷油墨另一面→烘烤→曝光→DES→外检AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→电测→FQC→清洗→包装。

（3）方案3：“干膜封孔+浸油工艺法”。具体流程如下：

开料→内层→AOI→压合→钻孔→板电→干膜1→烘烤→镀铜Raised PAD→镀金→去膜→热辊压膜→曝光→显影→烘干→浸油→烘烤→线路曝光→DES→外检层AOI→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→成测→FQC→清洗→包装。

（4）方案4：“干膜封孔+静电喷涂法”。具体流程如下：

开料→内层→AOI→压合→钻孔→板电→干膜1→烘烤→镀铜Raised PAD→镀金→去膜→压膜→曝光→显影→静电喷涂→预烤→曝光→DES→外检AOI→防焊→文字→干膜2→化金→退膜→成型→成测→FQC→清洗→包装。

（5）方案5：先外层线路后镀Raised PAD。具体流程如下：

开料→内层→AOI→压合→钻孔→板电→外层线路→DES→外检AOI→沉铜→干膜1→烘烤→镀铜Raised PAD→镀金→去膜→防焊→文字→干膜2→化金→去膜→成型→成测→FQC→清洗→包装。

3 Raised Pad线路板制作工艺

3.1 Raised Pad板的电镀工艺流程

Raised Pad电镀工艺，包含镀铜与镀金两个流程。从干膜到镀金制程相关参数如下：

（1）压膜：板电后，经过前处理，清洗烘干板面后，使用热辊压膜机压上一层感光抗蚀膜。干膜型号W265，此干膜有65μm，保证镀铜Raised Pad能镀上大于50μm的厚度。

（2）曝光：把压膜后的板放到曝光机台面上，放上底片，使用UV光照射，作用是通过底片把图形转移到板面的干膜层上（LDI曝光机直接镭射光作业把图形转移到板面的干膜层上，无需底片）。其生产制作参数为曝光能量280mj～300mj，曝光能量尺6±1格。

（3）显影：将曝光完后的板静置30min后，撕去干膜表层Mylar，放进显影机，利用显影剂药水（碳酸钠）把未曝光的干膜冲洗掉，留下曝光过的干膜覆盖图形。其生产制作参数为线速1.5m/min～2m/min，碳酸钠浓度1±0.2%。

（4）烘烤：把显影后的板插于框架，放置在箱式烤箱内，设定温度120°，时间10min～20min，目的是使干膜和面铜结合得更牢固，预防后续电镀药水的渗镀。

（5）镀铜Raised Pad（凸台）：把烤后的板冷却常温后，放到镀铜线上进行镀铜作业。其生产制作参数参考露出铜面积，设定电流乘以镀铜时间来计算出得到所需的凸台高度镀铜面积（0.06ft2）/镀铜（15ASFX120min）/镀锡（1ASFX10min）。

（6）镀金：Raised Pad板镀铜后，直接镀金作业，要求镀金厚度最小：30U"，镍厚118U"～300U"，使用3#镀金线。生产制作参数为电流密度（Au：11ASF＊Ni：12ASF），线速：0.7m/min，设定面积：5000mm²。

通过以上制程后，Raised PAD已制作完成，如图3～图5所示。

图3 BGA区域镀Raised Pad

图4 Raised Pad放大10倍

图5 Raised Pad切片

使用切片分析统计电镀Raised PAD的厚度，经测量，数据实际值都在标准范围内（见表1、表2）。

表1 Raised PAD镀铜切片测量数据 单位：μm

表2 Raised PAD镀金测量数据 单位：U〞

3.2 Raised Pad外层线路制作工艺

3.2.1 先镀铜Raised Pad后制作外层线路外层图形的工序

（1）去膜。镀金后Raised Pad板放进去膜线作业，其原理利用去膜药剂（NaOH），把干膜从板面上去除掉，保持板面洁净。生产制作参数：线速1.0m/min～1.5m/min；碳酸钠浓度3%～5%。

（2）压膜。去膜后Raised Pad板经过前处理，清洗烘干板面后，使用热辊压膜机压上一层感光抗蚀膜，干膜型号HD240，此干膜制作干膜封孔之用，防止后续印刷油墨时油墨入孔烤干导致孔内油墨清除不干净。主要参数：线速2.0m/min；压膜温度110℃±10℃。

（3）曝光。把压膜后的板放到曝光机台面上，放上底片，使用UV光照射，通过底片把图形转移到板面的干膜层上。其生产制作参数：曝光能量90mj～110mj， 曝光能量尺6±1格。

（4）显影。曝光完后的板静置30min后，撕去干膜表层Mylar，放进显影机，利用显影剂药水（碳酸钠）把未曝光的干膜冲洗掉，留下曝光过的干膜覆盖图形。生产制作参数：线速4.0m/min～4.5m/min；碳酸钠浓度1%±0.2%。

（5）丝网印刷一面。把显影后板使用丝网印刷机，进行单面印刷作业，在板面上印上一层均匀的湿膜（线路油墨或防焊油墨，解析度达到制作外层线路的要求即可）。生产制作参数：刮刀速度1.5m/min～2.0 m/min;角度45°;压力1.5kg/cm²～2kg/cm²。

（6）预烤。把印好单面的板插框架，放进烤箱预烤，温度75℃，时间5min～10min。目的为把湿膜烤干（不粘手为准）。

（7）丝网印刷另一面。把印刷一面油墨烘烤干的板在同机台进行另一面印刷作业，在板面上印上一层均匀的湿膜。其生产制作参数：刮刀速度1.5m/min～2.0m/min;角度45°;压力1.5kg/cm²～2kg/cm²。

（8）预烤。把印好双面油墨的板插框架，放进烤箱预烤，温度75℃，20min～25min，把湿膜烤干（不粘手为准进行检验），预防粘底片给生产造成不便。

（9）曝光。把印刷双面油墨烤干的板放到曝光机台面上，放上底片，使用UV光照射作业通过底片把图形转移到板面的湿膜层上（LDI曝光机直接镭射光作业把图形转移到板面的湿膜层上，无需底片）。制作生产参数：曝光能量90mj～110mj；曝光能量是5～7格。

（10）酸性蚀刻线（DES）。即显影机（Deve loping）、蚀刻机（Etching）、去膜机（Stripping）的水平线连线作业。把曝光过的板放进显影机，显影出所需要的图形，不需要的露出铜面，经过蚀刻机内酸性蚀刻液腐蚀掉其铜面，留下保护膜覆盖图形，经过去膜机内去膜药剂（氢氧化钠）把覆盖铜面上的保护膜去掉，得到铜层线路图。生产参数：显影机速度：3.5m/min～4m/min，压力1.5kg/cm²～2.0 kg/cm²，碳酸钠浓度1%±0.2%；蚀刻机速度：1OZ铜厚为参 考，4.5m/min±0.5 m/min，压 力2.0kg/cm²～3.0 kg/cm²；去膜机速度：4m/min～5m/min，压力1.5kg/cm²～2.0 kg/cm²，氢氧化钠浓度3%～5%。

（11）外检AOI。针对蚀刻出外层线路图形进行品质检验，与CAM客户原稿设计图形比对是否完整；如不完整，存在缺失项，查看判别，检修，直到符合客户需求品质标准。其作业，检验制程缺陷，预防品质不良出现，及时发现问题、解决问题。

图6～图8为Raised Pad外层线路的不同工艺制作、不同工序所呈现出当时的线路。

图6 真空压膜法线路显影后

图7 “干膜+油墨”法线路显影后

图8 Raised Pad线路蚀刻后

3.2.2 先外层线路后制作镀铜Raised Pad的工序

（1）压膜。板电后，经过前处理，清洗烘干板面后，使用热辊压膜机压上一层感光抗蚀膜。干膜型号HD7240，此压膜温度110℃±10℃，压膜速度2.5m/min±0.5m/min。

（2）曝光。把压膜后的板放到曝光机台面上，放上底片，使用UV光照射，通过底片把图形转移到板面的干膜层上（LDI曝光机直接镭射光作业把图形转移到板面的干膜层上，无需底片）。生产制作参数：曝光能量80mj±10mj， 曝光能量尺6±1格。

（3）显影。曝光完后板静置15min后，撕去干膜表层Mylar，放进显影机，利用显影剂药水（碳酸钠）把未曝光的干膜冲洗掉，留下曝光过的干膜覆盖图形。生产制作参数：线速1.5m/min～2m/min;碳酸钠浓度1±0.2%。

（4） DES.生产参数:显影机速度3.5m/min-4m/min，压 力1.5kg/cm²～2.0 Kg/cm²，碳 酸 钠 浓度1±0.2%；蚀刻机速度1OZ铜厚为参考，4.5m/min±0.5 m/min，压力2.0kg/cm²～3.0 kg/cm²；去膜机速度4m/min～5m/min，压力1.5kg/cm²-2.0 kg/cm²，氢氧化钠浓度3%～5%。

（5）外检AOI（光学自动检测设备）。针对蚀刻出外层线路图形进行品质检验，与CAM客户原稿设计图形比对是否完整；如不完整，存在缺失项，查看判别，检修，直到符合客户需求品质标准。其作业，检验制程缺陷，预防品质不良出现，及时发现问题、解决问题。

（6）沉铜。把外层线路独立的单元，通过沉铜线，沉积一层薄的铜层连接起来，为后面电镀提供能导电的导体。此为化学铜在线路图形之间作为电镀导体的一种运用。生产参数：线速2m/min。

（7）镀铜Raised Pad工序制作相关参数参照以上Raised Pad板的电镀工艺流程工序（1）～（6）。

Raised Pad外层线路制作依据基材铜经过板电后，整体铜厚在35μm～40μm。按照铜厚35μm外层铜厚进行补偿线宽作业，其正常补偿38μm。现首件测量线宽数据在中值偏上，符合生产要求。根据数据显示（见表3、表4、表5），Raised Pad板的首件板制作完，线宽测量数据以及相关阻抗测量值在中值偏上，都在标准范围内，符合生产要求，后续批量生产。

表3 TOP面Raised Pad线宽测量数据 单位：μm

表4 Bottom 面阻抗线宽测量数据 单位：μm

表5 Bottom 面阻抗值测量数据 单位：Ω

4 Raised Pad线路板制作工艺对比

4.1 先制作Raised Pad后制作线路的工艺流程

先镀铜Raised Pad后线路制作，由于Raised Pad存在高低差，无真空压膜设备，只能选用油墨制作线路。预防油墨入孔去墨不净，PTH孔先使用干膜盖孔，再丝印油墨（或喷涂，浸油作业）。由于工艺流程长，油墨在Raised Pad之间厚薄不均，抗蚀刻能力差异，导致最终线路良率较低。 见图9。

图9 PCB先镀铜Raised Pad后制作外层线路工艺流程

4.2 先制作线路后制作Raised Pad的工艺流程

先制作外层线路，由于在板电后压膜生产，不存在Raised Pad高低差影响，因而，其外层制作的良率较高，达90%以上，可到达到方案1使用真空压膜设备生产Raised Pad板的外层良率。见图10。

图10 PCB 板先制作外层线路后镀铜Raised Pad工艺流程

4.3 Raised Pad线路制作的缺陷与工艺改进

Raised Pad在制作线路时，由于Raised Pad存在高低差，导致抗蚀剂干膜或油墨在覆盖Raised Pad的全面、填充侧壁时，其厚度受工艺技术设备局限性出现不均匀现象，影响抗蚀刻效果（见图11～图13）。具体改进对策见表6。

图11 Raised Pad对位不正

图12 Raised Pad残缺

图13 Raised Pad线路不良

表6 Raised Pad制作线路缺陷工艺改善主要对策

5 Raised Pad线路制作方案比较

针对5种方案的设备，依据不同制作工艺流程及生产产品良率进行统计比较，见图14、表7。

图14 Raised Pad板不同工序制作外层良率

表7 Raised Pad板不同工艺方法相关数据统计

统计分析以上5种方案流程，前4种先镀铜Rais ed Pad后制作线路，方案5刚好相反，其优势如下：

A.缩短工序，可减去使用干膜盖孔和湿墨制作线路两个工序。

B.精简工艺，省略湿墨印刷制作线路，减少一次影像转移工艺。

C.节省工时，沉铜（10分钟）与丝印油墨（3小时-制作10PNL板计时）耗时相差甚远。

D.物料节省，省去湿墨的物料和工治具的消耗。

E.良率提升＞30%，即方案5的外层良率90%相比方案2、方案3、方案4的外层线路良率50%～60%，差异＞30%。

综上所述，Raised Pad 外层线路制作，不同的工艺制作方法生产良率存在差异，后续工艺将不断改善，优化参数，改良方法，不断提高产品良率，持续改善之。