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[分享]用于下一代互连的通孔填充材料

智者不锐，慧者不傲。

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0楼发表于: 2008-07-05 13:00:26

摘要：有很多种材料可用于下一代线路板互连应用，在此基础上现在又开发出系列通孔填充聚合物，利用这种聚合物可改进高密度组装中所使用的传统环氧树脂通孔插入材料的性能。

有很多种材料可用于下一代线路板互连应用，在此基础上现在又开发出系列通孔填充聚合物，利用这种聚合物可改进高密度组装中所使用的传统环氧树脂通孔插入材料的性能。

有机层压封装及线路板生产的急剧增长驱使制造厂商不断地提高互连密度，同时还要减小尺寸和单位成本。移动电话淘汰数量的迅速上升就是一个很好的例子，小尺寸，低成本及高性能已成为产品在全球市场规模竞争中的重要因素。

与此同时，自从表面贴装成为PWB业界标准以来，能通孔填充的需求正开始上升。线路板在作层压时其内层常由树脂填充，当用到塑料焊盘栅格阵列（PLGA）封装器件时，回焊焊料还起着增强通孔结构的作用，利用其高导电率，修补由于断裂或其他缺陷引起的任何开路。

如今的高密度线路板及序列内置封装（SBU）设计人员正利用各种通孔填充材料来提高设计的可靠性和性能，大多数时候使用绝缘通孔填充材料，通孔填充主要有两个功能，即防止后工艺遗留物蔓延污染以及提供结构支持。

另一种方法是最近由Prolinx发表的技术，它直接用导电环氧树脂填充通孔而不是先镀铜，虽然这种应用尚未成为业界标准做法，但是已经证明通过提高通孔填充材料特性尤其是导电率，可以大大简化封装和线路板制造工艺。我们也看到大家对利用导热及导电材料的优点来提高可靠性表示出极大的兴趣，就缩小尺寸而言，用导电或绝缘材料来填充通孔，暗孔及焊盘过孔等都会有积极作用，而且在先进工艺技术应用中也不存在什么大的问题。

材料技术

我们这里先介绍实际填充材料的性能特性，以及各种材料如何填充各种形状的通孔才能达到理想的效果，另外我们还将从线路板和封装两个方面以及填充剂开发商的角度介绍不同材料需考虑的因素。

性能因素

对线路板和封装制造厂商以及最终用户的大量调查都显示，实际功能方面的要求和通孔填充材料质量应互为关联地加以考虑，这对导电及绝缘通孔填充技术都适用，但同时并不排除其他人用不同的方法确定具体需求参数。

例如，有时允许内部有空洞，只要其上下表面都是“盖住”的；或者有时有一点下沉也是容许的，只要表面没有会积聚化学材料的凹坑就可以了等等。在6σ质量控制工艺中，上面两种情况都是相当主观的控制因素。随着进一步观察多步骤工艺和通孔的功能信机械完整性，尤其是热导率或电导率时，结论会更清楚一些。让我们考虑一下某经常观察到的特性。比如当某种材料固化收缩时，会留下一个“翻盖”形表面，这样其内部应力可能会增加而使填充物分裂，这对于线路板／封装的最终用户可能只是一个外观问题，而对于线路板／封装制造厂商来说，该缺陷则会引起后续工艺的问题，包括阻焊涂敷以及湿工艺污染等。

再比如内部有孔洞时，它在哪里出现几乎是无法控制的，因而导致表层下面随机出现孔洞，在生产过程中有时就会造成碎裂。对于导热或导电通孔填率材料来讲，孔洞具有良好的绝缘特性，所以这会给实现材料数据资料中所列热导或电导率带来困难。

在考虑用导热或导电通孔填充材料作为热传导或电传导通路时，其特性应该是如何测量呢？通常这样的测量需要在导电材料镀层旁边有一个链路，我们认为通孔内壁接触面至少也应是同等重要的。在考虑可靠性时，接触点将想很大作用，含有导电材料的环氧树脂固化后会附在通孔内壁但实际上它与电镀并不相同。体热传导率常常利用接点上的热油脂来帮助测量，但对于填充通孔壁面来说，这不是一个可行的方法。

材料供应商利用隔离式结构来测试这些特性的固化值再将其公布，或许这对制造商会有所帮助。

当把通孔填充与其它变量共同考虑时，又出现了很多新问题。在对高密度线路和SBU设计以及印刷线路板制造的复杂性进行研究之后，我们把最能满足通孔填充材料可靠性要求的固化后特性详列如下：

功能性

1．材料必须要有流动性，可以很好地流入各种孔径的通孔，而且在使壁面润湿的同时，决不能在靠近表面位置出现严重树脂外渗。此外，它还应具有优良的平整特性，作“点形”或“面形”填充时尤其应该如此。

2．填充材料必须形成一个内部没有孔洞的“塞子”，以便为镀孔壁面提供支撑和良好的热和电导。因为空气或其他气体引起的孔洞会在填充的通孔中形成各种不同的隔离区，贴近表面的孔洞则会引起后续工艺的问题，这一点对绝缘通孔也是一样的。

3．作为孔壁传导的辅助替代物，填充材料应具有较低的热／电接触阻抗，在填充之前进行铜处理可以提高整体传导性。

4．填充材料颗粒尺寸的分布及最大值必须保证能够对最小直径为0.003英寸（甚至还有0.002英寸）的通孔进行填充，它应能克服一轻微的孔壁镀层缺陷，如突起或因通孔电镀产生的弯曲限制等。

5．材料的固化温度必须与封装或印刷线路板材料特性以及设计限制条件相符合，并能够控制湿度的下降速度，以尽量减少形状的改变和对后工序的影响。

可靠性

1．固化后的填充物应该能承受后续各种工艺，包括水洗和化学清洗、铜蚀刻、抛光、电镀特别是化学镀铜等等，因此应该对所用的化学混合物严格执行JEDEC1级防潮和处理溶液浸入测试。

2．填充材料必须能承受填充后的机械处理，比如经各种平面化处理后不应破坏通孔的表面特性，或造成后工艺材料残留到印刷和蚀刻工序中。

3．填充材料不管是在预清洗阶段或在铜蚀刻的的表面上都必须要有良好的孔壁粘着力，而且还能承受后面的热循环过程（如在液体恒温槽间转换的B类热循环）中孔壁保持连续而不发生破裂。

封装和线路板结构因素

我们现在来看一下“内置”和“真空层压”多层构造中通孔填充材料的基本应用。通孔填充可以在层压制造的初始工序中进行，其应用对象包括有内部微过孔、埋孔、盲孔以及靠近封装／线路板边缘的预镀金孔等等。

SBU从“核心材料”结构开始，它是指一种单层或多层的铜／树脂结构，其上下表面均覆有铜箔。铜箔厚度一般用盎司重量表示，有1／2盎司、3／8盎司等规格。这种核心材料通常先按照设计要求进行机械钻孔，然后去毛刺、进行清洗最后再镀铜。

核心板料涂镀有四种基本方法：平板涂镀（普通表面）、点镀，模形涂镀和完全涂镀。前三种通常采用电镀工艺，最后一个则用化学方法。为解释涂镀特性与通孔填充的关系，我们对前三种方法作一个简要讲述。

平板电镀是最容易的通孔填充方法，通孔填充材料通过橡胶滚轴接触或其他方法直接涂敷到板面而不用模版或丝网，这就省掉了模版与通孔精确对位的过程。

在点镀和模形镀中则要先用掩膜图，然后是电镀、去除掩膜，再通过模板对位进行通孔填充（有时还要一个掩膜来帮助填充）。

使用掩膜版的原因是通孔有一个环形的凸面，其宽度通常在52um以上，厚度为16-52um，这对模版来说会产生一种类似垫片的效果，特别是在一个45.7*61cm的平板上进行X、Y和θ对位时它的影响会很大。

上面这些方法各有优缺点，我们看一下其中两个最基本的方法。平板电镀依靠平面化可以很容易进行通孔填充和整平，但却无法作得很精细以应用于更高的电路密度上；模形电镀具有很好的线条分辨率，但在作模版通孔填充时又有很大的对位问题，使得过填充加剧或者造成树脂渗透到必须保持清洁的表面上。日本趋向于使用平板电镀，并通过缩小平板尺寸减小对位的难度，但这同时也降低了单板元件数量和利润。

在美国，大多数厂商都尝试所有三种电镀工艺，在扩大平板尺寸的同时缩小特征尺寸并且增板上的元件数以增加盈利。

我们的目的是均匀地对钻出的通孔壁面进行电镀，一直到核心层表面。通常厚度一致性会难以保证，造成镀层厚度出现差异，称为“膝形镀层”（在上下开口处的孔壁电镀量过厚）。

另外，通孔内还会出现由电镀溶剂引起的结点，这些问题将会进一步影响通孔填充的一致性以及导线蚀刻过量或者不足。

“高密度线路板及序列内置封装（SBU）设计人员正利用各种通孔填充材料来提高设计的可靠性和性能。”电镀通孔的尺寸和深度取决于核心层的层数，显然，核心层越厚或通孔直径越小，后面的电镀和通孔填充操作就越困难。平面化可以帮助改善表面的一致性，但通常最好是对电镀槽加强控制，这样就可以免掉这个工序。

处理通孔填充目前已有了一些方法，不过材料准备或方法本身也可能引起一些潜在的缺陷。在我们已研究过的通孔填充材料和特定应用变量关系上，有一些应用限制条件。例如要想在某个平板或基板内不出现过度填充或不合适的平整特性其通孔尺寸就应有一定范围，另外流变特性及填充剂密度也有一个范围，它受到通孔直径和长宽孔的影响。

可以看到在所有这些考虑因素中，通孔填充物性能必须要能够与各种工序或者后工序工艺相适应，并适应这些工艺中可能出现的异常情况。对于高性通材料来说，这些特性的考虑是很重要的，有必要加以强调以便开发出性能和成分的最佳组合以满足最终用户的要求。

先进的材料开发方法

根据前面讨论的制造考虑因素，我们开发了既可以解决工艺又可解决最终性能问题的通孔填充材料。
为达到所要求的性通目标，我们利用内部仿真设备研究特殊的界面效果。这些研究可提供关于配方性能一些高水平化学和理化知识，因此，在这里与其它参考资料一并提及，供有兴趣了解这些的技术人员作参考。

就通孔填充系统而言，对树脂（一种改进过的环氧／氰酸盐酯）以及填充物的动力学建模帮助解决了许多实际的小问题，正是这些问题使原来的配方常常失败而使相关的学科得不到重视。

虽然对填充剂（包括目前改进的环氧／氰酸盐酯化学成分）仿真会带来的影响已经在一些文章中的有所论述，但通孔填充表明利用仿真是加快配方开发的有效途径。例如，利用分离的元件模型我们可以通过确定颗粒分布的一般趋势，帮助调整目前（专用）填料颗粒分布，大而获得更高更密的传导性。

进一步还可对分子建模，以确定表面活性剂以及导电聚合物的效果，它将同时影响通孔填充剂的印刷特性和界面及体积传导性，而且还可控制一些次要的方面，如渗出和相分离等。

不过，目前分子建模最重要的是要与化学试剂选择共同使用，并且考虑对粘着特性的影响。由于环氧／氰酸盐系统具有很复杂的化学反应过程，因此确 ..

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