CN107105577B - 一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双面和多层印制电路的加成制备工艺。具体流程可简单归纳为电镀模板的制备，单面电路板的制备，单面电路板的钻孔，粘附另一面电镀模板，化学镀铜使孔金属化，电镀铜使孔增厚，剥离另一面电镀模板得到所需双面印制电路板，重复这一过程得到多层印制电路。制备导电线路用的电镀模板通过后处理可以重复使用，这就避免了传统电路板制备当中掩膜的多次制备，降低了掩膜显影，去除当中的废液污染和成本。此外，本工艺为一种加成制备方法，不需要金属箔的蚀刻，没有金属的浪费，减少了金属刻蚀造成废液污染和废水处理的费用。综上所述，本工艺相较于传统减成腐蚀法制备双面和多层印制电路具有无浪费，低污染，成本降低等优点，极具应用价值。
Description
技术领域
本发明属于印制电路制造领域，具体为一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺。
背景技术
印制电路作为芯片二级封装的载板，是电子工业中最重要的部件之一。传统上印制电路的制备工艺是基于光刻和金属腐蚀的减成工艺，其具体步骤包括：在覆铜板表面涂覆或贴附感光胶或感光膜，并进行选择性曝光，显影，暴露出非线路图形部位，再进行非线路部位的蚀刻，除去非线路部位的金属，最后将线路部位上的感光掩膜除去，得到所需的印制电路。由于光刻掩膜和金属腐蚀过程中会产生大量废液和浪费，造成环境污染，所以使用减成工艺需要投入大量成本用于废水的处理。随着环保要求的提升，用于处理废水的成本将越来越高。而且，由于金属蚀刻过程中的侧蚀问题，印制电路的线宽受到限制，50微米以下线路的制备良率很低。所以，亟需一种新的工艺，以减少材料浪费，废液污染，线宽限制和制备成本。
印制电路的加成工艺作为减成工艺的一种补充，已经得到了多年的发展。常用的几种加成工艺，包括印刷导电浆料、印刷导电油墨、选择性化学镀等方法已经得到应用。导电浆料主要成分为提供导电性的导电填料和提供粘结作用的聚合物，使用丝网印刷的方式将导电浆料直接印制在电路基板表面，通过后处理，可以直接得到所需导电线路图形。印刷导电浆料工艺简单，无污染浪费，但是导电浆料也有很多无法克服的问题。由于氧化问题，导电性填料一般为银，这极大的提高了使用导电浆料制备印制电路的成本；即使使用银作为导电性填料，导电浆料的电导率仍只有纯铜的1/10-1/1000左右，无法满足导电需求；丝网印刷的精度较低，难以满足高精度的线路的制备。导电油墨是近年来广泛研究的一种低粘度导电性材料。导电油墨主要成分为提供导电性的纳米金属颗粒或者金属有机化合物，将导电性介质分散在溶剂当中，得到导电油墨。将导电油墨通过喷墨、凹版、平板等方法印刷在基材上形成线路图形，再通过烧结等后处理使线路纳米金属颗粒融化成膜或者金属有机化合物分解成金属单质，形成导电线路。印刷导电油墨同样具有工艺简单、低污染低浪费的优点，而且导电油墨的电导率比导电浆料要优异许多。但是由于氧化问题，导电油墨多使用银纳米颗粒和银有机化合物，同样使成本极大增加，导电油墨电导率虽然相比于导电浆料有提升，但仍然只有纯铜的1/10-1/3左右。选择性化学镀是在基材上印制含有催化剂的油墨形成线路图形，然后使用化学镀的技术，在催化剂的催化下，引发金属沉积在线路图形上，形成导线。由于不存在氧化问题，使得选择性化学镀可以施镀多种金属，电导率与纯铜相差不大，成本上也极大降低。但是选择性化学镀所需面临的问题是镀层的粘附力较低，无法满足印制电路的要求，此外化学镀产生的废液处理较困难，增加废液处理的成本。
双面印制电路板在电路基板双面均有导电图形，并通过金属化的通孔使两面线路导通。双面印制电路板由于图形分布在基板两面，其线路密度相较于单面印制电路板提高很多，并且方便了复杂电路图案的设计，此外，双面印制电路板还是多层印制电路的基础，拓展了印制电路的功能，应用范围远超过单面印制电路。双面印制电路的传统减成制备工艺与单面印制电路有较大不同：在双面覆铜基板上所需部位进行钻孔；通过化学镀的方式，使孔壁表面形成一层薄金属层，使上下两层铜箔导通；使用电镀的方式使孔壁金属层增厚至所需厚度；在双面铜箔上制备掩膜，并在掩膜的覆盖下进行铜层蚀刻，除去掩膜，得到双面印制电路。双面印制电路的核心是通孔的金属化，几种加成工艺，包括印刷导电浆料。印刷导电油墨和印刷催化油墨均无法达到通孔内的金属沉积，无法用来制备双面印制电路。
在本专利申请中，我们提出了一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺。使用可重复使用的电镀模板制备印制电路表面电路，结合传统的化学镀和电镀通孔的技术，可以用来制备双面和多层印制电路。本工艺无材料浪费，污染小，线宽不受限制，成本较低，适合于多种双面和多层印制电路的规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备双面和多层印制电路的加成工艺，称为模板转移工艺。本工艺不需要金属层的刻蚀，不需要多次制备掩膜，没有线路侧蚀的问题，具有无浪费，污染小，线宽小，成本低，线路电性能和粘附力优良的优点。
本发明提出的一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，整个工艺分为模板制备和导电线路制备两个部分，具体步骤为：
(1)模板制备
（1.1）在导电性载体金属箔一面粘附上绝缘基材，使载体金属箔另一面暴露在外，对载体金属箔进行除油和除氧化层预处理；
（1.2）使用光刻或印刷的方式在未粘附绝缘基材的载体金属箔表面制备掩膜，暴露出线路图形位置；
（1.3）使用电镀的方式，在载体金属箔上沉积上导电线路，使导电线路厚度略高于掩膜厚度；
（1.4）将电镀导电线路后的载体金属箔浸入防粘涂层溶液中，或者将防粘涂层溶液直接喷涂在载体金属箔表面，通过加热或光固后处理使载体金属箔掩膜表面和导电线路表面形成一层防粘涂层；
（1.5）将表面涂有防粘涂层的载体金属箔浸入到刻蚀液中，将导电线路表面防粘涂层除去，同时蚀刻掉导电线路表面若干厚度金属层；
（1.6）将微量刻蚀后的载体金属箔与绝缘基材粘结在一起，加热加压使界面紧密粘合；
（1.7）将绝缘基材从载体金属箔上剥离，使导电线路转移到绝缘基材上，形成了载体金属箔表面具有掩膜，并且在掩膜表面具有防粘涂层，得到模板；
（２）导电线路制备
（2.1）在模板表面通过电镀的方式施镀上所需种类和厚度的金属，形成导电线路；
（2.2）将模板与电路基材进行粘合，加热加压使界面紧密粘合；
（2.3）将电路基材从模板上剥离，导电线路会转移到电路基材上，在电路基材单面形成线路图形；
（2.4）在电路基材有线路的一面粘合上低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜；
（2.5）将电路基材使用机械或者激光的方式进行打孔，然后与另一面的按照步骤（１）制备的模板进行粘合，加热加压使之紧密粘合；或者先将基板与另一面的按照步骤（１）制备的模板进行粘合，加热加压使之紧密粘合，然后使用机械或者激光的方式进行打孔，打孔至另一面模板的导电线路表面；
（2.6）使用常规的粗化、敏化和活化的化学镀工艺使孔壁金属化，使两层线路导通；
（2.7）使用电镀的方式，在另一面模板的载体金属箔上施加电流，使孔壁化学镀层增厚至所需厚度；
（2.8）剥离掉之前粘合的低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜，并且将电路基材从模板上剥离，模板上的导电线路会转移到电路基材的另一面，即得到双面印制电路；
（2.9）若需要制备多层印制电路，则是在双面印制电路的基础上，重复（2.1）-（2.8）的步骤，将更多层电路一层一层地叠加至表面，即得到所需多层印制电路。
本发明中，步骤（1.1）中所述载体金属箔为镍、钛、铜、黄铜、铬或不锈钢箔中任一种，当使用铜或黄铜箔时，则在步骤（1.2）之后需要将其浸入到有机剥离化合物溶液中，有机剥离化合物溶液为含氮杂环化合物。
本发明中，含氮杂环化合物包括噻吩、咪唑、吡啶、吡咯、吡嗪、哒嗪、噻唑、三氮唑及其衍生物的水或有机溶液中任一种。
本发明中，步骤（1.4）中防粘涂层溶液为一种功能成分为端（侧）羟基（乙烯基、环氧基、胺基、甲基丙烯酸酯基、丙烯酸酯基、氯基）聚二甲基（甲基苯基、二乙基）硅氧烷中的一种或几种的混合，以固化剂、消泡剂、流平剂、引发剂或触干剂为添加剂，溶剂为水、有机溶剂的一种溶液或分散液。
本发明中，步骤（2.4）中所述低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯中一种。
本发明的有益效果在于：
1.本工艺相较于导电线路的传统“减成法”工艺不需要金属的蚀刻，具有步骤简单、浪费少、污染低、成本少等优点。
2.本工艺使用特殊模板转移的方法，制备的模板可以反复使用，免去了多次制备掩膜的步骤，降低了污染和成本。
3.本工艺可以通过传统的化学镀电镀方式制备金属化的通孔，相较于其他加成工艺可用于制备双面印制电路，增加了应用范围。
附图说明
图1描述了模板转移制备双面和多层印制电路中模板的制备流程。在绝缘基材1的一面粘合上载体金属箔2(这里以铜箔为例)。绝缘基材可以是柔性也可以是刚性的，以聚合物膜为主。优选聚酯类、聚酰亚胺类、聚氯乙烯类的高绝缘性薄膜。铜箔以延展性更好，表面更加光滑的压延铜箔更优。在铜箔表面制备掩膜3，掩膜可以通过印刷的方式印制抗电镀油墨，也可以通过光刻的方式制备感光掩膜。在掩膜的覆盖下，将铜箔浸入特殊有机剥离化合物的溶液当中，根据不同种类的有机剥离化合物，溶液浓度从0.1%到5%不等，处理温度从常温到80度，处理时间从5秒到10分钟不等，有机剥离化合物会吸附至铜箔表面。取出后，使用纯水进行冲洗，并烘干，在铜箔掩膜未覆盖处形成一层有机剥离层。使用电镀铜的方式，在铜箔表面生长出一层铜导电线路5，导电线路与铜箔之间通过有机剥离层进行隔离。再将电镀后的铜箔浸入特殊防粘涂层溶液当中，常温浸涂5-60s，取出后置于60-120度烘箱中10min-3h进行烘干固化，在掩膜表面和铜导电线路表面形成一层防粘涂层6。防粘涂层的主要作用是防止后续粘合剂与载体粘合的过程中与掩膜粘附力过大，无法剥离，或者剥离后损伤掩膜。将表面有防粘涂层的铜箔浸入常规铜箔刻蚀液，常温至80度刻蚀5s至2min，将导电线路表面刻蚀除去，同时也除去了导电线路表面的防粘涂层。将铜箔与柔性基材7通过粘合剂8紧密粘合在一起，并使用真空热压的方式使界面之间粘结紧密没有气泡。热压的温度与压力依照使用的粘合剂种类而改变，原则上处理温度是高于粘合剂玻璃化温度，低于熔点，压力以不导致粘合剂大量挤出变形为准。最后从一端将柔性基材从铜箔上以90度剥离下来，由于在铜导电线路和铜箔之间存在有机剥离层，铜导电线路会被粘合剂紧密粘合并转移到柔性基材上。剩下的绝缘基材，铜箔，掩膜，有机剥离层和防粘涂层就组成得到了所需的模板1`。
图2描述了模板转移工艺制备双面和多层印制电路中导电线路的制备，包括双面导电图形和通孔的制备。将制备好的模板1`上进行电镀，电镀上所需种类和厚度的镀层，形成导电线路。镀层中类包括铜、镍、铬、锌等金属，也可以是多种金属的复合镀层，比如先镀镍，再镀铜，这样在铜的表面上有一层镍，可以防止铜的氧化。电镀后，将印制电路基板与模板通过粘合剂进行粘合，并通过真空热压使界面处粘合紧密。将印制电路基板从模板一端以90度剥离，模板上导电线路会转移至印制电路基板上，得到所需双面印制电路板的单面导电图形2`。剥离后的模板经过后处理，可以再次进行电镀使用，后处理包括表面除氧化层，浸特殊有机剥离化合物溶液。将单面具有导电图形的印制电路基板另一面涂覆或粘附上粘合剂，在电路图形面表面贴附特殊低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜9，包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯薄膜等。将贴附薄膜后的基板表面所需钻孔处使用机械钻通孔，并与另一面电镀后的模板粘合，热压使之紧密粘结；或者是先将基板与另一面电镀后的模板粘合，再通过激光钻孔，钻至另一面导电线路表面处。钻孔后的基板使用传统的粗化、敏化、活化的化学镀流程，在孔内壁上施镀上所需种类的镀层，主要是铜或镍。而电路表面由于有聚合物薄膜的保护，不会发生化学镀反应。孔化学镀后，在另一面模板上施加电压，对孔壁上的金属进行电镀增厚至所需厚度。最后将基板从另一面模板上剥离，就得到所需双面印制电路板3`。
具体实施方式
下面实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1：
模板制备：
（１）市购50微米压延铜箔作为载体箔，在铜箔一面粘合50微米厚PET薄膜，粘合剂是热塑性EVA膜；
（２）除油。制备2g/L的十二烷基磺酸钠溶液，用氢氧化钠调节pH至9-10，得到除油液。将载体铜箔浸入除油液中50度除油5min，取出后用清水清洗；
（３）除氧化层。除油后的载体铜箔浸入50g/L的硫酸溶液中，50度除表面氧化层5min，取出后用去离子水清洗，并烘干；
（４）制备掩膜。使用市购35微米厚感光干膜作为掩膜，将感光干膜紧密贴附在铜箔表面，在光掩板的覆盖下进行选择性曝光，显影，清洗，烘干，在铜箔表面制备出掩膜；
（５）吸附有机剥离层。将铜箔置于5g/L苯并三氮唑水溶液中，50度浸5分钟，在铜箔表面形成一层有机剥离层；
（６）导电线路电镀。将铜箔置于CuSO4·5H2O 250g/L，H2SO4 150g/L的电镀铜液中在50度以15A/dm2电流密度进行电镀5分钟，在掩膜未覆盖处电镀上40微米左右的铜层；
（７）防粘处理。将电镀后的铜箔浸入特殊防粘涂层溶液，防粘涂层使用市购防粘涂层，主要成分为端羟基聚二甲基硅氧烷和四乙氧基硅烷，其中端羟基聚二甲基硅氧烷提供防粘功效，四乙氧基硅烷作为固化剂。浸涂后取出在80度下烘干固化1小时；
（８）微刻蚀。将防粘处理后的铜箔浸入微刻蚀液中进行铜线路的微量蚀刻，使用H2O2 50 g/L，HCl 80g/L的微刻蚀也在50度下刻蚀5分钟，以除去铜导电线路表面防粘涂层，取出后清洗干燥；
（９）粘合。将微刻蚀后的铜箔与50微米厚的PET基板通过EVA胶膜粘合在一起，在60度热压5min，再在90度热压10s，使得界面处紧密粘合；
（１０）剥离。将PET基板从一端以90度进行剥离，铜导电线路会转移至基板上，保留下的部分即为模板。
导电线路制备
（１）导电线路电镀。将模板置于CuSO4·5H2O 250g/L，H2SO4 150g/L，PEG-1500 5g/L的电镀铜浴中在45度，10A/dm2进行电镀7分钟，在模板表面沉积上40微米左右的铜导电线路；
（２）粘合。将电镀后的模板与50微米厚的PET柔性印制电路基板通过EVA胶膜粘合在一起，在60度热压5min，再在90度热压10s，使得界面处紧密粘合；
（３）剥离。将电路基板从模板一端以90度进行剥离，铜导电线路会转移至电路基板上，得到双面印制电路的单面导电图形；
（４）模板后处理。剥离后的模板浸入50g/L的硫酸溶液中，50度除表面氧化层5min，取出后用去离子水清洗，并烘干，再浸入5g/L苯并三氮唑水溶液中，50度浸5分钟，经过后处理的模板可以重复使用；
（５）导电线路保护。在单面具有导电图形的电路基板另一面粘合上EVA胶膜，并在导电图形一面粘合上聚乙烯薄膜，薄膜表面具有一层极薄的聚乙烯醇粘合剂，聚乙烯薄膜贴附在电路基板上，并在60度下热压5min；
（６）钻孔。使用机械钻孔的方式，在通孔部位进行钻孔，贯穿聚乙烯薄膜，铜导电线路，EVA胶膜和PET电路基板；
（７）粘合。将钻孔后的电路基板与另一面电路图形的模板进行粘合，在60度热压5min，再在90度热压10s，使得界面处紧密粘合；
（８）化学镀铜。使用通用的粗化、敏化、活化的化学镀铜工艺对通孔进行化学镀铜。镀铜液为15 g/L CuSO4·5H2O，20 g/L EDTA二钠，14 g/L 酒石酸钾钠，17 g/L 氢氧化钠和15 ml/L 37%甲醛，40度下化镀15分钟；
（９）电镀增厚。化学镀铜后的通孔需要电镀使孔壁金属增厚。将电压施加在另一面模板的铜箔上，在CuSO4·5H2O 250g/L，H2SO4 150g/L，PEG-1500 5g/L的电镀铜浴中在45度，10A/dm2进行电镀3分钟，使通孔铜层增厚至约20微米；
（１０）剥离。将通孔电镀增厚的电路基板从另一面模板上剥离，就得到所需的以PET为基板，双面具有导电线路，以金属化的通孔相连的双面印制电路板。
Claims (5)
1.一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，其特征在于整个工艺分为模板制备和导电线路制备两个部分，具体步骤为：
(1)模板制备
（1.1）在导电性载体金属箔一面粘附上绝缘基材，使载体金属箔另一面暴露在外，对载体金属箔进行除油和除氧化层预处理；
（1.2）使用光刻或印刷的方式在未粘附绝缘基材的载体金属箔表面制备掩膜，暴露出线路图形位置；
（1.3）使用电镀的方式，在载体金属箔上沉积上导电线路，使导电线路厚度高于掩膜厚度；
（1.4）将电镀导电线路后的载体金属箔浸入防粘涂层溶液中，或者将防粘涂层溶液直接喷涂在载体金属箔表面，通过加热或光固后处理使载体金属箔掩膜表面和导电线路表面形成一层防粘涂层；
（1.5）将表面涂有防粘涂层的载体金属箔浸入到刻蚀液中，将导电线路表面防粘涂层除去，同时蚀刻掉导电线路表面金属层；
（1.6）将微量刻蚀后的载体金属箔与绝缘基材粘结在一起，加热加压使界面紧密粘合；
（1.7）将绝缘基材从载体金属箔上剥离，使导电线路转移到绝缘基材上，形成了载体金属箔表面具有掩膜，并且在掩膜表面具有防粘涂层，得到模板；
（２）导电线路制备
（2.1）在模板表面通过电镀的方式施镀上所需种类和厚度的金属，形成导电线路；
（2.2）将模板与电路基材进行粘合，加热加压使界面紧密粘合；
（2.3）将电路基材从模板上剥离，导电线路会转移到电路基材上，在电路基材单面形成线路图形；
（2.4）在电路基材有线路的一面粘合上低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜；
（2.5）将电路基材使用机械或者激光的方式进行打孔，然后与另一面的按照步骤（1）制备的模板进行粘合，加热加压使之紧密粘合；或者先将基板与另一面的按照步骤（1）制备的模板进行粘合，加热加压使之紧密粘合，然后使用机械或者激光的方式进行打孔，打孔至另一面模板的导电线路表面；
（2.6）使用常规的粗化、敏化和活化的化学镀工艺使孔壁金属化，使两层线路导通；
（2.7）使用电镀的方式，在另一面模板的载体金属箔上施加电流，使孔壁化学镀层增厚至所需厚度；
（2.8）剥离掉之前粘合的低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜，并且将电路基材从模板上剥离，模板上的导电线路会转移到电路基材的另一面，即得到双面印制电路；
（2.9）若需要制备多层印制电路，则是在双面印制电路的基础上，重复（2.1）-（2.8）的步骤，将更多层电路一层一层地叠加至表面，即得到所需多层印制电路。
2.根据权利要求1所述的一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，其特征在于步骤（1.1）中所述载体金属箔为镍、钛、铜、黄铜、铬或不锈钢箔中任一种，当使用铜或黄铜箔时，则在步骤（1.2）之后需要将其浸入到有机剥离化合物溶液中，有机剥离化合物溶液为含氮杂环化合物。
3.根据权利要求1所述的一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，其特征在于含氮杂环化合物包括噻吩、咪唑、吡啶、吡咯、吡嗪、哒嗪、噻唑、三氮唑及其衍生物的水或有机溶液中任一种。
4.根据权利要求1所述的一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，其特征在于步骤（1.4）中防粘涂层溶液为一种功能成分为羟基聚二甲基硅氧烷或羟基甲基苯基硅氧烷中的一种或几种的混合，其中：羟基为乙烯基、环氧基、胺基、甲基丙烯酸酯基、丙烯酸酯基或氯基中任一种，以固化剂、消泡剂、流平剂、引发剂或触干剂为添加剂，溶剂为水、有机溶剂中 的一种溶液。
5.根据权利要求1所述的一种制备双面和多层印制电路的模板转移工艺，其特征在于步骤（2.4）中所述低表面张力化学性质稳定的聚合物薄膜为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯中一种。
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