JP5078142B2 - スルーホールに金属を充填するための電気処理、とりわけプリント基板のスルーホールに銅を充填するための電気処理 - Google Patents
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Description
これらの性質を有するプリント基板は、一般に、集積密度の高いプリント基板(いわゆるビルドアップ基板またはHDI)と呼ばれる。
プリント基板製造におけるそのようなHDI回路についての重要な側面は、スルーホール(いわゆるビアホール)の充填である。スルーホールの充填は、プロセス制御に非常に高い要求を課す。非常に異なる種類のドリルホールを考慮に入れなければならず、充填材についての様々な要件が満たされなければならず、続くプリント基板の作業工程を考慮に入れなければならない。
本発明の主な焦点は、プリント基板全体にわたるスルーホールの充填(めっきスルーホール、PTH)および内部ビアホール(埋設ビアホール)の充填である。
原則として、前記処理は、最も困難なワークピース、とりわけスルーホールを備えた板状ワークピースおよび板状電気回路基体のスルーホールに充填を施すのに好適である。
従って、スルーホールのための充填材は以下の要求を充たす必要がある。
− 溶媒を含有しないこと
− スリーブおよびソルダレジストに対して良好な接着性を示すこと
− 後の工程(例えば、ニッケル、金またはスズによる電気メタライゼーション)におけるプロセス薬品に対する耐性があること
− 熱レベリング工程に対する耐性があること
最も単純なケースでは、ホールに専用のソルダレジストを充填する。それらには、高集積密度の場合、必然的にリベットヘッドのように突き出るビア充填材によって分解能が損なわれることは全く無いという利点がある。しかしながら、問題なのは、混入した溶媒が、スズめっきのごときその後の処理工程において突然気化してカバーを破ってしまう可能性があるということである。
しかしながら、この処理は、内層のスルーホールを封止するのには向いていない。この場合、前記内層は、不純物の混入を避けるために、完全に封止されていなければならない。
この処理には、プラギングが広く用いられている。なぜならば、この処理を用いて、充填されたスルーホールを銅めっきすることによって、全く制限無く構築することができる内層を作ることができるからである。
充填材としては、樹脂でコーティングされた銅箔(RCC)または光誘電性液体またはドライフィルムのごとき各種誘電体が用いられる。
− ドリル穿孔
− スリーブのメタライゼーション
− プラギング
− ブラシ掛け、研削
− プラギングペーストのメタライゼーション
− 次層のビルドアップ層の積層
しかしながら、前記方法は、多大な費用を必要とし、HDIプリント基板の製造における加工費を大きく増加させる原因となる。さらに、プリント基板上のレイアウト毎に、異なるプリントマスクを使用しなければならない。従って、前記方法は汎用されていない。
(i)スルーホールを有するワークピースを金属沈着電解質に接触させ、前記ワークピースと少なくとも1つのアノードとの間に電圧を印加することによって前記ワークピースに電流を供給する工程であって、前記電流を図1に示されるように好ましい沈着が前記スルーホールの中央部に生じるように選択することによって前記スルーホールの中央部を完全にまたはほぼ完全に埋める工程と、
(ii)前記ワークピースを金属沈着電解質に接触させ、前記ワークピースと少なくとも1つのアノードとの間に電圧を印加することによって前記ワークピースに電流を供給する工程であって、工程(i)で得られた完全にまたはほぼ完全に二つに分けられたスルーホールに図2のように所望の量まで金属を充填する工程と、
を含んでなる。
例えばプリント基板のホールのメタライゼーションの場合、従来法によると、初期段階ではホールの両端部と中央部に、ほぼ同一の分配状態が見られる。金属沈着が進むと、アスペクト比が変化し、ドリルホール内への分配が減少する。これにより、ドリルホールの両端部での金属沈着が増加し、ドリルホールの内部が金属で充填される前に両端部が塞がれてしまう。その結果、好ましからざる混入物、とりわけメタライゼーション浴の残留物がホール内に残ることになる。
EP 1 264 918 A1には、マイクロブラインドビアホールに充填を施すのに特に好適である電気銅沈着処理が記載されている。この処理では、空電解相における不活性アノードの使用が、電解質の充填性を維持および改善するのに役立つ。
EP 1 219 729 A1によれば、ホルムアルデヒドのごとき化学物質や、酸化剤を用いることによって、メタライゼーション浴が安定している期間を伸ばす。これは、マイクロブラインドビアホールに充填を施すのに特に好適である。添加剤として、スルホン酸基を有する硫黄含有物質およびチオール反応性化合物が用いられる。
(i)金属塩、酸および有機添加剤を含んでなる金属被膜で電気めっきするための電解質浴であって、前記浴は、15〜60g/Lの銅と、40〜300g/Lの硫酸と、20〜150mg/Lの塩化物とを含んでなる無機基質を含有し、そして前記有機添加剤は、増白剤、湿潤剤ならびにポリアミド、ポリアミン、ラクタムアルコキシレート、チオウレア、オリゴマーおよびポリマーフェナンゾニウム誘導体ならびにアミノ−トリフェニルメタン染料から選択されるさらなる添加剤を含んでなる、ことを特徴とする浴を用いて、
(ii)前記浴を、電流密度0.5〜2.5A/dm2の直流または実効電流密度0.5〜10A/dm2の電流パルスで運転し、
(iii)前記電解質の一部を前記電気浴から回収し、
(iv)前記回収された部分に酸化剤を添加し、
(v)任意に、前記回収された電解質に紫外線を照射し、そして
(vi)前記回収された部分を前記電気浴に戻し、酸化処理によって破壊された有機添加剤を補完する、
マイクロブラインドビアホールに充填を施すための処理が記載されている。
銅沈着については、下記組成を有する電解質が最良の結果を与えた。
銅は、硫酸銅五水和物(CuSO4×5H2O)または硫酸銅溶液として電解質に添加することができる。その稼動範囲は、15〜75g/Lである。
硫酸(H2SO4)は、50〜96%溶液として添加される。その稼動範囲は、20〜400g/L、好ましくは50〜300g/Lである。
塩化物は、塩化ナトリウム(NaCl)または塩酸溶液(HCl)として添加される。ここでは、塩化物の稼動範囲は、20〜200mg/L、好ましくは30〜60mg/Lである。
さらに、電解質は、有機添加物として、増白剤、レベリング剤および湿潤剤を含んでなることが好ましい。
上記工程(i)および(ii)は、同じ電解質中で行われてもよく、異なる電解質中で行われてもよい。
酸性の銅のDCおよびAC電解質には、可溶性アノードを用いることができる。
銅によるメタライゼーションを行っている間、銅は、スルーホールの内部だけでなく、基板の表面にも沈着する。必要に応じて、前記表面に沈着した銅の層を、プリント基板の製造において知られているエッチング処理を用いて再度取り除くことができる。
さらに、金属による充填は、パルス逆電流を用いた特殊なメタライゼーションを用いた水平処理においてとりわけ良好な結果が得られた。この特殊な技術は、2つの独立したパルス整流器によって生じる2つのパルス形状が180°シフトした位相であることを特徴とする。2つの整流器を用いることによって、プリント基板の両面を個別にメタライゼーションすることができる。さらなる特徴は、双方の整流器について反対側の面に同時に逆の電流パルスが作用するように選択される周期的なパルス−休止の繰り返しを選択することである(図3参照)。
本発明の処理において、パラメーターは下記のように設定されることが好ましい。
少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間に対する少なくとも1つの順方向電流パルスの継続時間の比は、少なくとも5、好ましくは少なくとも15、さらに好ましくは少なくとも18に設定される。この比は、75以下、好ましくは50以下に設定することができる。この比を約20に設定することが特に好ましい。
少なくとも1つの順方向電流パルスの継続時間は、好ましくは少なくとも5〜250msに設定することができる。
少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間は、好ましくは20ms以下、最も好ましくは1〜10msに設定される。
ワークピースにおける少なくとも1つの逆方向電流パルスのピーク電流密度は、好ましくは60A/dm2以下に調整される。ワークピースにおける少なくとも1つの逆方向電流パルスの特に好ましいピーク電流密度は、水平処理において、約30〜50A/dm2である。垂直処理において、ワークピースにおける少なくとも1つの逆方向電流パルスの最も好ましいピーク電流密度は、3〜10A/dm2以下である。
(a)第1電圧をワークピースの第1面と少なくとも第1アノードとの間に印加することによって第1パルス逆電流を前記ワークピースの第1面に供給する、この第1パルス逆電流の各サイクルにおいて、少なくとも第1順方向電流パルスと少なくとも第1逆方向電流パルスとが流れる工程と、
(b)第2電圧を前記ワークピースの第2面と少なくとも第2アノードとの間に印加することによって第2パルス逆電流を前記ワークピースの第2面に供給する、この第2パルス逆電流の各サイクルにおいて、少なくとも第2順方向電流パルスと少なくとも第2逆方向電流パルスとが流れる工程と、
を含んでなる。
後者の実施態様について、少なくとも1つの第1順方向電流パルスおよび少なくとも1つの第1逆方向電流パルスは、それぞれ、少なくとも1つの第2順方向電流パルスおよび少なくとも1つの第2逆方向電流パルスのそれぞれに対してオフセットの関係であってもよい。本発明のさらに好ましい実施態様では、第1電流パルスと第2電流パルスの間のオフセットは約180°である。
メタライゼーション処理の進行中に、パルス逆電流の少なくとも1つのパラメーターを変量することができる。このパラメーターは、逆方向電流パルスの継続時間に対する順方向電流パルスの継続時間の比および逆方向電流パルスのピーク電流密度に対する順方向電流パルスのピーク電流密度の比からなる群から選択される。ワークピースをメタライゼーションするときに逆方向電流パルスのピーク電流密度に対する順方向電流パルスのピーク電流密度の比を高めることおよび/または逆方向電流パルスの継続時間に対する順方向電流パルスの継続時間の比を減らすことが特に有利であることが明らかになった。
水平メタライゼーション処理
Atotech Deutschland GmbH製のInpulse2モジュールを使用したプリント基板の水平処理を行った(処理する基板は、移送面を水平にして水平方向に移動した)。ノズルホルダーとカソード(ワークピース)の間隙が15mmであり、アノードとカソードの間隙が8mmであった。
メタライゼーションするに当たり、特に断りのない限りは、寸法が18’×24”=457mm×610mmであり、直径150μm、深さ200μmのスルーホールを有するFR4素材のプリント基板を用いた。
メタライゼーションに先立ち、前記プリント基板の表面を、まずAtotech Deutschland GmbH社の洗浄剤Cuprapro CFで45秒間洗浄し、その後、5%硫酸で45秒間処理した。
硫酸銅
硫酸
塩化物イオン: 50mg/L
鉄(II): 10g/L
鉄(III): 2g/L
レベリング剤InpulseH6: 4ml/L; 増白剤InpulseH6: 7mL/L
レベリング剤InpulseHF: 4ml/L; 増白剤InpulseHF: 7mL/L
Inpulseレベリング剤および増白剤は、Atotech Deutschland GmbHの製品である。
前述の一般的な水平処理の実施条件に従い、プリント基板を、まずInpulse H6を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第1表1aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を30分間行った。図1aに示されるようなスルーホール内の銅沈着が見られた。
次に、前記プリント基板を、Inpulse HFを含有する銅による電解メタライゼーションのためのもう1つの浴中第1表1bに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理をさらに30分間行った。図2に示されるようなスルーホール内の銅沈着が見られた。
そして、スルーホールを完全に充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
前述の一般的な水平処理の実施条件に従い、プリント基板を、まずInpulse H6を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第2表2aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を30分間行った。
前述の一般的な水平処理の実施条件に従い、プリント基板を、Inpulse HFを含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第3表に記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を60分間行った。
そして、スルーホールを完全に充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
前述の一般的な水平処理の実施条件に従い、直径200μm、深さ300μmのスルーホールを有するプリント基板を、まずInpulse H6を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第4表4aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を30分間行った。
次に、前記プリント基板を、Inpulse HFを含有する銅による電解メタライゼーションのためのもう1つの浴中、第4表4bに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理をさらに30分間行った。
そして、スルーホールを完全に充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
垂直メタライゼーションを行うに当たり、寸法が18”×24”=457mm×610mmであり、直径150μm、深さ200μmのスルーホールを有するFR4素材でできたプリント基板を用いた。
メタライゼーションに先立ち、前記プリント基板の表面を、まずAtotech Deutschland GmbH製の酸性洗浄剤Sで3分間洗浄し、その後、5%硫酸で60秒間処理した。
使用した電解質は下記組成を有する。銅イオンおよび硫酸の濃度は、別々の試験で調べた。いずれの場合も、メタライゼーションは23℃の温度で行った。
硫酸銅
硫酸
塩化物イオン: 第1工程では60mg/L、第2工程では35mg/L
レベリング剤Cuprapulse XP7: 20ml/L; 増白剤Cuprapulse S3: 1mL/L
レベリング剤Inplate DI: 15mL/L; 増白剤Inplate DI: 0.5mL/L
CuprapulseおよびInplateレベリング剤および増白剤は、Atotech Deutschland GmbHの製品である。
レドックス系は、下記組成を用いて、第2工程でのみ用いた。
鉄(II): 5g/L
鉄(III): 1g/L
上述の一般的な垂直処理の実施条件に従い、プリント基板を、まずCuprapulse XP7を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第5表5aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を90分間行った。次に、第2工程において、前記プリント基板を、Inplate DIを含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第5表5bに記載のパラメーターを用いた直流処理をさらに85分間行った。そして、スルーホールを完全に充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
前述の一般的な垂直処理の実施条件に従い、プリント基板を、まずCuprapulse XP7を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第6表6aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を90分間行った。次に、第2工程において、前記プリント基板を、Inplate DIを含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第6表6bに記載のパラメーターを用いた直流処理をさらに85分間行った。そして、スルーホールを完全に充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
前述の一般的な垂直処理の実施条件に従い、プリント基板を、まずCuprapulse XP7を含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第7表7aに記載のパラメーターを用いたパルス逆電流処理を90分間行った。次に、第2工程において、前記プリント基板を、Inplate DIを含有する銅による電解メタライゼーションのための浴中、第7表7bに記載のパラメーターを用いた直流処理をさらに85分間行った。そして、スルーホールを充填した。スルーホール内に異物混入は見られなかった。
Claims (18)
- ワークピースのスルーホールに金属を充填するための電気処理であって、下記工程、すなわち、
(i)スルーホールを有するワークピースを有機添加剤を含有する金属沈着電解質に接触させ、前記ワークピースと少なくとも1つのアノードとの間に電圧を印加することによって前記ワークピースに電流を印加する工程であって、前記電流を好ましい沈着が前記スルーホールの中央部に生じるように選択することによって前記スルーホールの中央部を完全にまたはほぼ完全に埋める工程と、
(ii)前記ワークピースを金属沈着電解質に接触させ、前記ワークピースと少なくとも1つのアノードとの間に電圧を印加することによって前記ワークピースに電流を供給する工程であって、工程(i)で得られた完全にまたはほぼ完全に二つに分けられたスルーホールに金属を充填する工程と、
を含んでなり、
前記工程(i)における電流はパルス逆電流であり、前記電流の各サイクルにおいて、少なくとも1つの順方向電流パルスと少なくとも1つの逆方向電流パルスとが生じ、そして前記工程(ii)における電流はパルス逆電流、直流または交流であり、
前記工程(i)における前記少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間に対する前記少なくとも1つの順方向電流パルスの継続時間の比を5〜75に設定し、前記少なくとも1つの順方向電流パルスの継続時間を5〜250msに設定し、そして前記少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間を20ms以下に設定する、
前記電気処理。 - 前記メタライゼーション工程(i)および(ii)は異なる電解質中で行われる、請求項1に記載の処理。
- 前記メタライゼーション工程(i)および(ii)は同じ電解質中で行われる、請求項1に記載の処理。
- 前記少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間に対する前記少なくとも1つの順方向電流パルスの継続時間の比を約20に設定する、請求項1ないし3のいずれかに記載の処理。
- 前記少なくとも1つの逆方向電流パルスの継続時間を1〜10msに設定する、請求項1ないし4のいずれかに記載の処理。
- 前記ワークピースにおける前記少なくとも1つの順方向電流パルスのピーク電流密度を、好ましくは15A/dm2以下、水平処理の場合最も好ましくは1.5〜8A/dm2、垂直処理の場合最も好ましくは2A/dm2に設定する、請求項1ないし5のいずれかに記載の処理。
- 前記ワークピースにおける前記少なくとも1つの逆方向電流パルスのピーク電流密度を、好ましくは60A/dm2以下、水平処理の場合最も好ましくは30〜50A/dm2、垂直処理の場合最も好ましくは3〜10A/dm2に設定する、請求項1ないし6のいずれかに記載の処理。
- 前記ワークピースの第1面と少なくとも第1アノードとの間に第1電圧を印加することによって第1パルス逆電流が前記ワークピースの第1面に供給され、この第1パルス逆電流の各サイクルにおいて、少なくとも第1順方向電流パルスと少なくとも第1逆方向電流パルスとが流れ、
前記ワークピースの第2面と少なくとも第2アノードとの間に第2電圧を印加することによって第2パルス逆電流が前記ワークピースの第2側面に供給され、この第2パルス逆電流の各サイクルにおいて、少なくとも第2順方向電流パルスと少なくとも第2逆方向電流パルスとが流れる、請求項1ないし7のいずれかに記載の処理。 - 前記第1電流パルスは、前記第2電流パルスに対して約180°のオフセットである、請求項8に記載の処理。
- 電解質として硫酸銅電解質が用いられる、請求項1ないし9のいずれかに記載の処理。
- 前記電解質は、15〜75g/Lの銅と、20〜400g/Lの硫酸と、20〜200mg/Lの塩化物とを含有する無機基質を含んでなる、請求項1に記載の処理。
- 前記有機添加剤が、増白剤、レべリング剤および湿潤剤である、請求項11に記載の処理。
- 前記電解質は、レドックス系を用いた不活性アノードを用いて運転される、請求項1ないし12のいずれかに記載の処理。
- 電解質として硫酸銅電解質が用いられ、アノードとして可溶性アノードが用いられる、請求項1ないし13のいずれかに記載の処理。
- 前記スルーホールの最大深さは3.5mmであり、好ましい深さは0.025〜1mm、特に好ましい深さは0.05〜0.5mmである、請求項1ないし14のいずれかに記載の処理。
- 前記スルーホールの直径は1,000μm以下、好ましくは30〜300μm、最も好ましくは60〜150μmである、請求項1ないし15のいずれかに記載の処理。
- 前記ワークピースは板状であり、かつ、スルーホールを有する、請求項1ないし16のいずれかに記載の処理。
- 前記ワークピースはプリント基板または任意の他の板状電気回路基体である、請求項1ないし17のいずれかに記載の処理。
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