TWI233770B - Fabrication process of a multi-layered high-density printed circuit module - Google Patents

Description

1233770 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於高密度印刷電路之多層模組之製造方 法的改良。 先前技術 為製造高密度印刷電路之模組（例如"連續併合" (Sequential Built-Up、SBU)式模組、π高密度互相連 接” （High Density Interconnected、HDI )式模組或’’ 多晶片模組疊層’’ （Multi Chips Module Laminated、 MCML )式模組），習知技術將多個附加層（add i t i οna 1 layers )膠合於印刷電路基材之兩個表面上，其中附加 層係由具有一表面金屬化之薄膜（例如聚亞醯胺、 polyimide)構成，而且每一附加層具有多個金屬化孔 (metallized holes)，該些穿過該層並電性連接該層 之印刷導體線路及基材或下面薄膜之印刷導體線路。 上述模組之製造有些困難。 一般而言，習知技術係利用化學方法於聚亞醯胺薄 膜中鑽孔（如E P - A - 0 8 3 2 9 1 8所述）。然而，目前所知 之方法係將聚亞醯胺薄膜等向性蝕刻，其難以控制孔之 形狀及直徑。尤其對於高密度之電路及貫穿式連接而 言，需要具有微小直徑之孑L (或微孑L、m i c r 〇 - h ο 1 e s )， 其難以化學式鑽孔完成。 惟，現今之電子技術需要更微小化，亦即更高密度 之電路。為達此目的，需要形成多個互相更接近之連接 微孔，亦即精緻地控制孔之橫向尺寸。

10557pif. ptd 第6頁 1233770 五、發明說明（2) 目前，化學姓刻之技術無法達到上述之需求，而一 般必須利用物理技術（如電漿、雷射、或光成像）蝕刻 微孔。雖然物理技術提供所要之準確度，但必須具備高 性能並昂貴之設備，因而造成初始設備資金增加。 雷射技術的缺點之一在於微孔係--形成，因而延 長製造時間。 另夕卜，就附加層與基材之組合而言，一般利用多個 硬式黏膠層，其在切成所要之形狀後置放於聚亞醯胺薄 膜之非金屬化表面上，再將此組合放於基材上並在適當 溫度、壓力及處理時間條件下，將黏膠聚合化，藉以將 附加層膠合於基材上。然而，市售黏膠層之厚度相當大 (例如至少0 . 0 5 m m )。 在上述狀況下，雖然可利用適當溶劑蝕刻呈現於微 孔底部（該些微孔穿過聚亞醯胺層）之黏膠薄膜。但對 於所使用之黏膠而言，習知溶劑具有等方向性之效果 (isotropic action)，造成用以#刻黏膠層厚度之溶 劑效應越久，黏膠蝕刻之範圍直徑也越大。因此由上述 製程，無法確保蝕刻於黏膠中之孔與蝕刻於聚亞醯胺層 中之孔具有同形狀及橫向尺寸。 發明内容 為了改善上述各項缺點，本發明主要目的係提供一 種能製造高密度印刷電路之多層模組的改良方法，其中 由本發明製造之高密度印刷電路的多層模組與由一般物 理技術（雷射、電漿、或光成像）製造之模組具有同品

10557pif. ptd 第7頁 1233770 五、發明說明（3) 質及特性，但本發明之製造成本較低並且適用於連續式 生產。 為達到上述目的，根據本發明用於製造高密度印刷 電路之多層模組的製造方法包括下列步驟： -藉由印刷電路之傳統製造技術，製備一具有多個印 刷電路及多個金屬化穿孔之雙面基材； -藉由一可聚合化二狀態之液體環氧黏膠 (polymerizable two-states liquid epoxy glue ) ， 將一附加層緊密膠合於基材之一表面上，其中該附加層 由以一金屬箔覆蓋其一表面之一聚亞胺樹脂層所構 成，該附加層為由其非金屬化表面膠合於基材上； -以選擇性蝕刻該附加層之金屬箔，去除預定對應該 些微孔位置之金屬部份，其中該些微孔位置係正對下方 鄰接基材之金屬化區域； -將聚亞醯胺樹脂層浸在靜態液體浴裡，其中該靜態 液體浴為至少25°C並包括乙二胺（ethylenediamine) 水溶液加上以數量與聚亞醯胺樹脂層之厚度及微孔之橫 向尺寸相稱之鉀，然後利用溶劑清洗，藉以化學非等向 性蝕刻該聚亞醯胺樹脂層，形成多個穿過該聚亞醯胺樹 脂層之微孔； -藉以噴濺溶劑，去除呈現於穿過聚亞醯胺樹脂層之 微孔底部的黏膠層，使得該些微孔之開口對應下方基材 之金屬化區域； -將該些微孔金屬化，藉以電性連接該些金屬化區域

10557pif. ptd 第8頁 1233770 五、發明說明（4) 及位於該附加層之外的金屬箔；以及 -蝕刻該金屬箔，以形成多個與該些金屬化微孔電性 連接之印刷電路。 較佳，利用每公升包括1 / 3份量的水及2 / 3份量的乙 二胺（ethylenediamine)加上氫氧化钟（Κ0Η)之水溶 液，蝕刻該聚亞醯胺樹脂層以形成該些穿過聚亞醯胺樹 脂層之微孔。在這情況下，每一公升水溶液包括6 4克氫 氧化鉀會在厚度約5 0 # m之聚亞醯胺樹脂層中形成具有直 徑約5 0 // m之微孑L。 更有利的是，該附加層之膠合方式更包括下列步 驟·· 將一厚度平均之二狀態液體環氧黏膠（t w 〇 - s t a t e s liquid epoxy glue)膠合於該聚亞酸胺樹脂層之非金屬 化表面上，並將該二狀態液體環氧黏膠聚合化，使得已 聚合化之平均黏膠層的厚度至少等於位於用膠合該聚亞 醯胺樹脂層之接合表面上之印刷電路的厚度；以及 在適當溫度、壓力及時間條件能確保該附加層之平 均膠合之下，將該附加層真空壓密於上述接合表面之 上。 根據本發明之一實施方式，該附加層包括一聚亞酸 胺樹脂層及一覆蓋該聚亞醯胺樹脂層之一表面上並具有 至少5 // m厚度之銅箔，藉以避免該銅箔在聚亞醯胺接觸 蝕刻水溶液時膨脹而脫離微孔之邊緣。 為形成高密度印刷電路之模組，可以將兩具有外表

10557pif.ptd 第9頁 1233770 五、發明說明（5) 面金屬化之附加層分別緊密接合於已製備好之基材的兩 表面上，甚至堆疊並連續處理多層薄膜。 根據本發明之實施方式，利用典型化學蝕刻之技 術，連續處理一或多個薄膜並以適當條件鑽孔，使得所 形成之微孔具有所要之微小尺寸'及形狀。對於一般使用 較先進之技術（電漿、雷射、光成像）而言.，化學技術 所需要之設備成本較低。此外，化學技術容許連續式生 產，替代習知物理式技術所使用之逐步生產。 換言之，本發明之製造方法可以較低製造成本，更 迅速地及順暢製造具有同特性之高密度印刷電路的模 組。 在本發明敘述中，”由非等向性式鑽孔（或微孔）” 係指，沿著其深度完全控制孔之橫向尺寸，其中孔之橫 向尺寸係自薄膜之表面以控制式縮減。換言之，所要形 成之孔係非完全圓筒狀，反而具有圓錐形狀。藉由控制 其圓錐形狀之傾斜度（例如底部直徑為約開口直徑之一 半），可以正確地進行後續之孔金屬化步驟，將平均金 屬層完全膠合於孔之側壁。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉許多較佳實施例，並配合所附圖式， 做詳細說明如下 實施方式 請參照第1 Α至1 Η圖，係繪示本發明製造方法之主要 步驟，用以製造一種簡單（意即具有單一附加層）多層

10557pif.ptd 第10頁 1233770 五、發明說明（6) 模組。 請參照第1 A圖，首先提供一基材1 ，其係由一於雙表 面上具有多個印刷電路3 (例如以銅製成）之硬式（例如 環氧樹脂）或半硬式（例如聚亞醯胺樹脂）基板2所組 成。以鑽頭將該基板鑽孔並將所形成之多孔金屬化後， 得到多個金屬化孔4，用以電性連接基材雙表面上之印刷 導體。孔金屬化及基材雙表面上之印刷電路皆係由一般 屬於此領域之傳統技術成形（包括例如印刷電路之化學 钱刻）。 為增加印刷導體之數量，將一附加層（a d d i t i ο n a 1 layer)緊密接合於基材上，其中該附加層具有一芯層， 其中芯層係由金屬箔（一般為銅）覆蓋聚亞醯胺樹脂層 之一外表面上所組成。 關於更詳細之製程步驟，請參照下述之實施方式。 如第1B圖所示，可使用一軟式附加層5 ，其具有一由 聚亞醯胺樹脂層6組成之芯層，其中聚亞醯胺樹脂層6例 如為以” K a p t ο η ’’及n A p i c a 1 π為商標名稱之產品。在聚亞 醯胺樹脂層6之一表面上覆蓋一金屬箔7 (例如銅），其 具有微小厚度，但非小於5微米（m i c r ο n s )以利機械阻 力及避免後處理發生脫離。目前已有無黏膠、單面及金 屬化層之此類產品（例如SHELLDALL公司所製造之金屬化 聚亞醯胺（metallized polyimide)G2300)。 在聚亞醯胺樹脂層6之非金屬化表面上沈積一層具有 厚度一致之二狀態單組份液體環氧（t w 〇 - s t a t e s

10557pif.ptd 第11頁 1233770 五、發明說明（7) monocomponent liquid epoxy)#占膠，Ϊ列 士口為市面上通稱 之FR4、G10、或G1 1 。 之後，將該黏膠聚合化並讓聚合黏膠層8之厚度略至 少等於基材1上之印刷導體的厚度（例如1 5至3 0微米）， 藉以確保基材1與聚亞醯胺樹脂層6間無間隙。 在真空環境下，將附加層5由其黏膠表面壓於基材1 之一表面上。就此步驟而言，可利用一般用於製造印刷 電路板之標準設備，並根據對使用黏膠的種類（例如F R 4 )適當之溫度、壓力及時間的條件下執行；藉此得到如 第1C圖所示之雙層體。 然後，以化學非等向性鑽孔步驟形成多個穿孔，該 些穿孔具有微小直徑（以下稱微孔）並穿過附加層5對應 其下鄰接之基材表面。為達到此目的，可執行下列步 驟。 如第1D圖所示，利用微影製程（photolithography process )於金屬層7中定義微孔之位置9，並去除對應該 微孔位置9之金屬部份。 然後，在至少2 5 ° C之溫度下利用乙二胺 (ethylenediamine)水溶液加上鉀（potassium)之靜 態液體浴，透過穿孔位置9非等向性蝕刻該聚亞醯胺樹脂 層6。為得到最佳效果，利用含1 / 3份量的水與2 / 3份量的 乙二胺並加上至少每公升溶液6 0克之氫氧化鉀溶液，於 厚度大約5 0微米之聚亞隨胺樹脂層6中形成多個直徑大約 5 0微米之穿孔。應注意，溫度越高（但小於上述組成為

10557pif.ptd 第12頁 1233770 五、發明說明（8) 大約110° C之沸騰溫度）及/或氫氧化鉀含量越高，聚 亞醯胺樹脂層中所形成之微孔側壁就越接近垂直。 如上所言，形成圓筒狀微孔是不理想的狀態。反 而，較佳是微孔具有可控制圓錐角度之傾斜形狀（例如 底部/開口之直徑比例為1至2 )，以利後進行孔側壁金 屬化，使得所形成之金屬層一致並具有良好黏附性。因 此，π非等向性之成形π係指能獲得具有完全可控制之形 狀及橫向尺寸的微孔。 在上述步驟中，?炎亞臨胺樹脂材質在接觸钱刻溶液 時會逐漸填充液體並局部膨脹，因而可能造成表面的金 屬薄膜脫離。因此，需要使用至少厚度為5微米之薄膜， 藉由其才幾械阻力（mechanical resistance) 4氐抗上升之現 象。 然後，利用適當溶液進行清洗步驟，去除蝕刻液之 殘留，藉以停止蝕刻效能。上述適當溶液例如為由 LEA-R0NAL公司製造之NGL 17-40溶液，依10克/公升之比 例以水稀釋。 如第1圖所示，得到多個穿過聚亞醯胺樹脂層6之穿 孔1 0，其下方開口係對應基材1之預定金屬化區域。 然而，由於黏膠可能覆蓋預定金屬化區域，其中黏 膠一般為非導電體，因此必須將其去除掉。為達到此目 的，在微孔中喷濺黏膠之溶劑，其中由於微孔具有微小 寬度，因此進行喷濺可確保該溶劑能夠進入到微孔之底 部°

10557pif.ptd 第13頁 1233770 五、發明說明（9) 就例如為F R 4之環氧樹脂單組成黏膠而言，可喷濺濃 度至少90%，更佳約96%之硫酸（sulfuric acid)，其不傷 害銅及聚亞醯胺材質，而於穿孔1 0之延伸部份處將黏膠 分解。 如第1 F圖所示，藉此定義一具有微小直徑之微孔 1 2 ，其包括連續之凹槽9、穿孔1 0及凹槽1 1 ，其中凹槽9 形成於表面金屬層7，穿孔1 0以化學方式形成於聚亞醯胺 層6，及凹槽11形成於接觸下方基材1之金屬導體的黏膠 〇 然後，藉由一般用於製造印刷電路之典型製程，將 微孔1 2及位於層5外表面上之印刷導體金屬化，以完成該 模組。舉例而言，可在真空下沈積一適當金屬材質（例 如銅）以於微孔12中形成一金屬層13，其中金屬層13與 由下方基材1之印刷導體所占之微孔底部電性連接，並與 表面金屬層7電性連接。實際上，如第1G圖所示，金屬材 質之沈積係形成一覆蓋所有表面之金屬層1 3。 然後，選擇性去除由相接觸之該些層7及1 3所構成之 表面金屬層，於薄膜6外表面上形成印刷線路1 4，其中該 些線路與金屬化微孔1 5電性連接，如第1 Η圖所示。 ，較佳地，將兩附加層5同時膠合分別於基材1之兩表面 上，然後同時處理這兩附加層以得到具有四組印刷電路 之多層模組，如第2圖所示，其中多個金屬化微孔1 5可位 於模組之一表面及/或另一表面。 另外，亦可以考慮在處理完每一層後將另外一層覆

10557pif. ptd 第14頁 1233770 五、發明說明（ίο) 蓋於該層上，藉以將多個附加層5互相堆疊。第3圖係顯 示一由中央基材1加上一下附加層5及兩互相堆疊之上附 加層5所構成之模組。 藉由本發明之方法，以化學非等向性蝕刻聚亞醯胺 形成多個金屬化微孔（其具有例如約5 0 // m之微小直徑 )，可以製造具有高密度印刷電路之多層模組。由於初 始配備成本比起物理技術（雷射、電漿、光成像 (photo-image ))而言，所需要之設備成本相當低，本 發明可以降低模組之製造成本。由於本發明之方法係適 用於印刷電路板之典型製造設備，因此任何製造典型印 刷電路板之廠商可以製造具有高密度印刷電路之模組， 而目前僅能具備雷射、電漿或光成像設備之廠商才能製 造此種模組。 應注意，本發明製造方法係為總體方法，因此製造 時間與模組中之金屬化微孔之數目無關。 最後，藉由本發明之方法，能形成具有任何尺寸 (自微米至公分大小）及任何形狀（圓形、多邊形、星 狀、等等）之金屬化微孔。

10557pif.ptd 第15頁 1233770 圖式簡單說明 第1 A至1 Η圖係繪示根據本發明製造方法之一較佳實 施方式的不意圖；以及 第2圖及第3圖係繪示一些由本發明製造方法完成之 模組的示意圖。 圖式標示說明： 1 :基材 2 :基板 3 :印刷電路

4 :金屬化孑L 5 :附加層 6 :聚亞醯胺樹脂層 7 :表面金屬層 8 :黏膠層 9 :凹槽 10 穿 孔 11 凹 槽 12 微 孔 13 金 屬 層 14 印 刷 電 路 15 金 屬 化 微孔

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Claims (1)

1233770 六、申請專利範圍 1 . 一種高密度印刷電路之多層模組的製造方法，包 括： 藉由印刷電路之傳統製造技術，製備具有多個印刷 電路（3)及多個金屬化之穿孔（4)之雙面的一基材（1 )； 藉由可聚合化之一二狀態之液體環氧黏膠 (polymerisable two-states liquid epoxy glue ) ， 將一附加層（5 )緊密膠合於該基材之一表面上，其中該 附加層（5 )由以一金屬箔覆蓋其一表面之一聚亞醯胺樹 脂層（6 )所構成，該附加層由其非金屬化表面膠合於該 基材上； 以選擇性姓刻該附加層（5 )之該金屬箔，去除預定 對應微孔位置（9 )之金屬部份，其中該些微孔位置（9 0係正對下方鄰接該基材之金屬化區域； 將該聚亞醯胺樹脂層（6 )浸在一靜態液體浴裡，其 中該靜態液體浴為至少2 5 ° C並包括乙二胺 (e thy 1 ened i am i ne )水溶液加上以數量與聚亞酸胺樹脂 層之厚度及微孔之橫向尺寸相稱之鉀，然後利用溶劑清 洗，藉以化學非等向性蝕刻該聚亞醯胺樹脂層（6 )，形 成多個穿過該聚亞醯胺樹脂層（6 )之微孔； 藉以喷濺溶劑，去除呈現於穿過該聚亞醯胺樹脂層 (6 )之該些微孔底部的該黏膠層，使得該些微孔之開口 對應下方該基材之該金屬化區域； 將該些微孔金屬化，藉以電性連接該金屬化區域及

10557pif. ptd 第17頁 1233770 六、申請專利範圍 位於該附加層（5 )之外的該金屬箱；以及 蝕刻該金屬箔，以形成多個與該金屬化微孔電性連 接之印刷電路（1 4 )。 2 .如申請專利範圍第1項所述之高密度印刷電路之多 層模組的製造方法，其特徵在於利用每公升包括1 / 3份量 的水及2 / 3份量的乙二胺加上氫氧化鉀之水溶液，將該聚 亞醯胺樹脂層（6 )蝕刻以形成穿過該聚亞醯胺樹脂層 (6 )之該些微孔。 3. 如申請專利範圍第2項所述之高密度印刷電路之多 層模組的製造方法，其特徵在於每公升水溶液包括6 4克 氫氧化卸，用以於厚度5 0 // m左右之該聚亞驢胺樹脂層 中形成具有直徑5 0 // m左右之該些微孔。 4. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一項所述之 高密度印刷電路之多層模組的製造方法，其特徵在於該 附加層（5 )之膠合方式更包括下列步驟： 將厚度平均之一二狀態之液體環氧黏膠 (two-states liquid epoxy glue)膠合於該聚亞睡胺 樹脂層（6 )之非金屬化表面上，並將該二狀態之液體環 氧黏膠聚合化，使得聚合化之一平均黏膠層（8·)的厚度 至少等於位於用膠合該聚亞醯胺樹脂層（6 )之接合表面 上之該印刷電路（3、1 4 )的厚度；以及 在適當溫度、壓力及時間條件能確保該附加層（5 ) 之平均膠合之下，將該附加層（5 )在真空壓密於上述接 合表面上。

10557pif.ptd 第18頁 1233770 六、申請專利範圍 5 .如申請專利範圍第1項至第3項其中之一項所述之 高密度印刷電路之多層模組的製造方法，其特徵在於利 用喷濺濃度9 0至1 0 0 %之硫酸去除位於該些微孔（9、1 1 ) 底部之黏膠層。 6 .如申請專利範圍第1項至第3項其中之一項所述之 高密度印刷電路之多層模組的製造方法，其特徵在於該 附加層（5 )包括一聚亞醯胺樹脂層（6 )及覆蓋該聚亞 Si胺樹脂層（6)之一表面上並具有至少5 //m厚度之一 銅箱（7 )。 7 ·如申請專利範圍第1項至第3項其中之一項所述之 高密度印刷電路之多層模組的製造方法，其特徵在於將 二具有外表面金屬化之附加層（5 )分別緊密接合於已製 備好之該基材（1 )的兩表面上。 8 .如申請專利範圍第1項至第3項其中之一項所述之 高密度印刷電路之多層模組的製造方法，其特徵在於將 至少另一附加層（5 )接合於一已置放好之該附加層（5 )的外表面上，並將該處理方法重複於該另一附加層（5 )上。

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