Фей Пенг1, Наоми Андо2, Роджер Бернардс1, Билл Дессар 1
1 MacDermid Enthone Electronics Solutions, Уотербери, Коннектикут, США
2 MacDermid Enthone Electronics Solutions, Город Хирацука, Канагава, Япония
Краткий обзор
Высокая функциональность, производительность и надежность при меньшем объеме оборудования-это условия любого электронного устройства, и будущее гарантирует то же самое. Для выполнения требований, предъявляемых к устройствам, конструкции должны включать тонкие проводники и микроотверстия, сохраняя при этом хорошую адгезию на покрытие. Полуаддитивный процесс (SAP)-это проверенный в производстве метод, используемый для создания материалов с низкими тангенсами диэлектрических потерь (Df), который позволяет изготавливать сверхтонкие схемы.
В стандартном процессе SAP используется некоторая шероховатость или текстурирование диэлектрической поверхности для достижения достаточной адгезии; однако шероховатая поверхность на границе покрытия и диэлектрика потенциально увеличивает потери при передаче на высоких скоростях сигнала. Для обеспечения целостности сигнала при передаче высокочастотного сигнала следующий процесс SAP должен обеспечивать высокую адгезию покрытия к диэлектрику, а также очень гладкую поверхность между ними.
Материал должен обладать высокой термостойкостью и стабильностью размеров, химической стойкостью, чтобы выдерживать многие процессы отверждения и оплавления в производстве электронных схем. Он также должен обеспечивать отличные электрические свойства, включая высокую надежность изоляции, низкую Df и низкую диэлектрическую проницаемость (Dk), чтобы гарантировать хорошую целостность сигнала при передаче высокочастотных сигналов. Описанные выше свойства создают проблемы для процесса SAP.
В этой статье будет обсуждаться новый процесс SAP для материалов с низкими потерями с низкой шероховатостью (Ra= 40-100 нм) и отличной адгезией (610-680 гф/см) при различных условиях обработки. Наряду с технологическим процессом, в текущей работе также будут представлены результаты и обсуждение характеристик морфологии и состава поверхностей покрытия смолой и/или металлом с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), анализа шероховатости поверхности, оценки адгезии покрытия к смоле по результатам испытаний на отслаивание под углом 90o.
1.Введение
Электронные устройства становятся более функциональными, но меньшими по размеру, что постоянно выводит технологии на новый уровень. Тенденция к миниатюризации требует сверхтонкой схемы, которая включает в себя просверленные лазером микроотверстия, более плотный рисунок, тонкие проводники и расстояния между ними. Для этого требуется высокоскоростная передача сигнала с высокой целостностью сигнала. Полуаддитивная обработка (SAP) широко используется при изготовлении сверхтонких схем на различных диэлектрических материалах.
Материалы должны обеспечивать низкую постоянную теплового расширения и достаточную механическую прочность. Данные свойства делают возможным изготовление микросхем за счет устранения пятен и деформации с помощью различных процессов химической обработки, отверждения и оплавления. Кроме того, они обеспечивают хорошую целостность схемы и гарантируют долгосрочную надежность электронных устройств, используемых в широком диапазоне температур. Материалы должны обладать отличными электрическими свойствами, включая низкий тангенс диэлектрических потерь (Df) и низкую диэлектрическую постоянную (Dk), которые необходимы для высокоскоростной передачи сигнала.
Для уменьшения потерь сигнала и повышения целостности сигнала при высокой скорости передачи поверхность диэлектрических материалов должна быть очень гладкой, в то время как адгезия между поверхностью и схемой должна быть превосходной; однако процесс SAP значительно увеличивает шероховатость поверхности диэлектрика для достижения адгезии за счет якорного эффекта.
В процесс SAP должно использоваться мягкое текстурирование поверхности, но добавить значительное химическое действие, чтобы обеспечить высокую адгезию покрытия к диэлектрику на гладкой границе раздела.
Наша компания разработала новый процесс SAP-RIGID для обработки материалов с низкими потерями и низкой шероховатостью (Ra= 80±18 нм) и отличной адгезией (658±18 гф/см) при различных условиях обработки. Наряду с технологическим процессом, в текущей работе также будут представлены результаты и обсуждение, касающиеся характеристики морфологии и состава поверхностей покрытия с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), анализа шероховатости поверхности, оценки адгезии покрытия к смоле по результатам испытаний на отслаивание под углом 90o.
2. Новы процесс SAP-RIGID
Технологический процесс для SAP-RIGID показан на рисунке 1. Как правило, он включает в себя те же этапы, что и в традиционном SAP, что делает его адаптируемым к существующим наборам оборудования. В деталях процесс SAP-RIGID сочетает в себе методы металлизации, адаптированные для жестких диэлектрических материалов нашей компании, включая предварительную обработку поверхности перед нанесением покрытия (включая перманганат и нейтрализацию, травление и кондиционирование, активацию и восстановление), методы химического и электролитического покрытия меди. На этапах предварительной обработки материалу придается очень гладкая, но высоко функционализированная поверхность. После активации и восстановления на поверхность диэлектрика был нанесен тонкий слой Cu толщиной, регулируемой от 0,25 до 1,00 мкм (т. е. 10-40 мкм), с использованием процесса химического покрытия Cu. Слой Cu обеспечивает поверхность хорошей электропроводностью, что приводит к равномерной толщине гальванической меди по всей ширине заготовки платы. На последнем этапе для увеличения толщины Cu до необходимого значения использовалось электролитическое покрытие Cu. Влияние каждого этапа обработки было продемонстрировано и обсуждено следующим образом.
3. Результаты и обсуждения
3.1 Предварительная обработка поверхности
В SAP-RIGID предварительная обработка поверхности начинается с 12-25-минутного перманганатного процесса при 80 ° C, в результате чего на диэлектрической поверхности образуется большое количество карбоксилатных функциональных групп, хотя процесс лишь слегка придает шероховатость. После этого следует стадия нейтрализации, за которой следует стадия кондиционирования в щелочном растворе. Короткая (5-10 мин) стадия травления и кондиционирования может выполняться в широком диапазоне температур от 50 до 70 oC. Предварительная обработка поверхности намного мягче по сравнению с традиционным SAP для жестких диэлектрических материалов, который обычно начинается с сильного разбухания. Стадия набухания обычно работает при высоком содержании щелочи, высокой температуре в течение 20-30 минут, что исключается в процессе SAP-RIGID.
В результате после предварительной обработки поверхности в SAP-RIGID шероховатость диэлектрической поверхности эпоксидного и / или цианатного эфира все еще остается на уровне Ra = 80 ± 18 нм по сравнению с шероховатостью исходного диэлектрического материала при Ra = 50 ±. 5 нм при получении. Диэлектрическая поверхность до и после предварительной обработки также сравнивается SEM, изображения которого представлены на рис. 2.
По сравнению с необработанной диэлектрической поверхностью, на обработанном диэлектрике, очевидно, больше вмятин, чем сферических выступов на поверхности. Вмятины распределены равномерно и образовались из-за травления стеклянных наполнителей с поверхности после обработки.
Изменения топографии предварительно обработанного диэлектрика сопровождаются модификацией химического состава его поверхности, что может отражаться на атомном соотношении на поверхности диэлектрика. Как показано в таблице 1, результаты EDX демонстрируют, что атомное отношение C / Si на предварительно обработанной диэлектрической поверхности увеличилось до 3,3 ± 0,0 по сравнению с 2,7 ± 0,1 на необработанной поверхности (p <0,001). Кроме того, атомное отношение O / (C + Si) на предварительно обработанной поверхности диэлектрика увеличилось до 0,66 ± 0,01 с 0,56 ± 0,02 (p <0,001). Рассматривая два сравнения, можно сделать вывод, что предварительная обработка поверхности в SAP-RIGID значительно привела к введению функциональных групп с углеродом на более высокой стадии окисления. Кроме того, химические группы на предварительно обработанных и необработанных диэлектрических поверхностях были также исследованы с помощью спектроскопии ATR-FTIR (спектры здесь не показаны). На предварительно обработанной поверхности диэлектрика было обнаружено новое большое выпуклое поглощение от 3100 — 3600 см-1, которое хорошо известно как область валентной полосы –OH, включающая водородную связь. Это также доказывает, что большое количество карбоксильных функциональных групп было успешно введено на поверхность диэлектрика после предварительной обработки.
3.2 Химическое покрытие Cu
После предварительной обработки поверхности ионный активатор и восстановитель используются для заполнения диэлектрической поверхности палладием. Для получения тонкого слоя меди наносится медное покрытие, нанесенное химическим способом. Ванна с медью химического восстановления работает при температуре около 27–35 ° C, и скорость нанесения покрытия в ней можно регулировать от 0,01 до 0,025 мкм / мин, регулируя температуру нанесения покрытия и содержание добавок. На рис. 3 показаны SEM-изображения морфологии слоев меди, полученных методом химического восстановления, созданных при скорости 0,019 мкм / мин при толщине около 0,5 мкм.
3.3 Электролитическое (гальваническое) медное покрытие
С помощью новой технологии SAP-RIGID для увеличения толщины Cu был использован процесс электролитического покрытия Cu. На рисунке 4-(а) показана топография электролитического покрытия Cu на диэлектрическом материале. Регулируя плотность тока и время нанесения покрытия, толщину Cu можно было бы адаптировать к идеальному значению с предпочтительной скоростью нанесения покрытия, что, как оказалось, мало влияет на адгезию диэлектрического покрытия с использованием SAP-RIGID.
На рис. 4- (b-c) показаны изображения поперечного сечения диэлектрического ламината с покрытием. По-видимому, электролитическое покрытие привело к образованию однородных слоев медного покрытия на обеих сторонах диэлектрической заготовки, обработанной SAP-RIGID. На рис. 4- (c, d) особое внимание следует уделить границе раздела смола-медь. На границе раздела между внутренним слоем медного ламината и слоем смолы имеется множество медных рельефов, обеспечивающих связь между ламинатом меди и внутренним слоем смолы за счет якорного эффекта, который аналогичен традиционным методам металлизации. Поверхность между диэлектрической поверхностью и медным покрытием, созданный с помощью процесса SAP-RIGID, более гладкое, без медного рельефа.
3.4 Адгезия диэлектрического покрытия
Адгезию между обработанной диэлектрической поверхностью и металлическим покрытием оценивали по прочности связи на границе раздела диэлектрик-покрытие при испытании на отслаивание под углом 90 °. Свежеобработанные с SAP-RIGID образцы диэлектрика разрезали на 1 образец размером 2,54 см × 5,72 см L и испытывали. На рис. 5 показан типичный профиль нагрузки в зависимости от дислокации при испытании на отслаивание под углом 90 ° МАТЕРИАЛА А, обработанного с помощью SAP-RIGID. Очевидно, что адгезия диэлектрического покрытия однородна и составляет в среднем 670 гс / см по всей длине испытания, независимо от краевого эффекта на конце образца.
Чтобы оценить повторяемость и стабильность адгезии, было проведено больше экспериментов с обработкой МАТЕРИАЛА А с использованием процесса SAP-RIGID. В то же время производительность процесса SAP-RIGID была оценена на основе результатов адгезии. Как показано на рисунке 6, при использовании процесса SAP-RIGID средняя адгезия диэлектрического покрытия составляет 658 ± 18 гс / см. По сравнению с общим нижним пределом адгезии для МАТЕРИАЛА A, который составляет 550 гс / см, процесс SAP-RIGID имеет кратковременную способность при 2,51 и долговременную способность 2,06. Другими словами, наш процесс SAP-RIGID — это типичный процесс с поддержкой 6 сигм, который может стабильно и постоянно обеспечивать адгезию.
3.5 Предварительное нанесение на другие диэлектрические материалы
Помимо исследования МАТЕРИАЛА A, некоторые предварительные исследования были также выполнены с применением новой технологии SAP-RIGID на других жестких диэлектрических материалах (МАТЕРИАЛ B, МАТЕРИАЛ C, МАТЕРИАЛ D и МАТЕРИАЛ E). Морфология поверхности этих диэлектрических топография после предварительной обработки SAP-RIGID показана на Рисунке 7 соответственно.
Из-за различных химических и физических свойств МАТЕРИАЛ B, МАТЕРИАЛ C, МАТЕРИАЛ D и МАТЕРИАЛ E по-разному реагировали на текущую предварительную обработку SAP-RIGID. Некоторые получили более шероховатую поверхность, например МАТЕРИАЛ B и МАТЕРИАЛ C, в то время как некоторые сохранили очень гладкую поверхность, например МАТЕРИАЛ D и МАТЕРИАЛ E. И их данные по адгезии сведены в Таблицу 2. По-видимому, обработанные с использованием SAP-RIGID, четыре диэлектрических материала получили различное связывание с медным покрытием, которое нельзя просто объяснить шероховатостью поверхности. Например, МАТЕРИАЛ Е показал очень низкую шероховатость поверхности до 19 нм, но достаточную адгезию. Эти результаты хорошо подтверждают, что хорошая адгезия к диэлектрическому покрытию из SAP-RIGID основана на химическом связывании, а не на якорном эффекте.
Как известно, процесс SAP на основе химического связывания должен разрабатываться с химической и термической обработкой, адаптированной с учетом состава поверхности, химического состава поверхности и Tg полимерной фазы на верхнем слое каждого диэлектрического материала. Как показано в таблице 2, новый процесс SAP-RIGID имеет хороший потенциал для применения к большему количеству диэлектрических материалов с незначительной корректировкой химического состава и точной настройкой параметров обработки.
4. Выводы
Новый процесс SAP-RIGID сочетает в себе инновационные технологии травления, кондиционирования и прямой металлизации, разработанные нашей компанией. Содержит процессы, аналогичные традиционным SAP, что позволяет адаптировать его к существующим комплектам оборудования. Более того, обработанная диэлектрическая поверхность может сохранять низкую шероховатость поверхности, а также поддерживать превосходную адгезию диэлектрического покрытия за счет химического связывания. Процесс SAP-RIGID был успешно применен к диэлектрическим материалам типа эпоксидных смол и / или цианатных эфиров МАТЕРИАЛ А и позволил достичь очень низкой шероховатости удаления зазоров (Ra = 80 ± 18 нм) и отличной адгезии (658 ± 18 гс / см) к ним. Принимая во внимание общий нижний предел адгезии диэлектрического покрытия МАТЕРИАЛА A (550 гс / см), применение текущего SAP-RIGID является типичным процессом, способным выдерживать 6 сигм, как в краткосрочной (Cpk = 2,51), так и в долгосрочной перспективе. член (Ppk = 2,06). Кроме того, SAP-RIGID также открывает хороший потенциал для других диэлектрических материалов, широко используемых на текущем рынке SAP.