Выпуск #2/2006
Дж. Сан, Х. МакКрабб, И. Дженнингс Тейлор, М. Инман.
Электрохимическое микротравление
Электрохимическое микротравление
Просмотры: 1528
Потребность в уменьшении размеров печатных плат привела к увеличению плотности монтажа, к утончению линий, снижению расстояния между проводниками и уменьшению площади контактных площадок. В настоящее время промышленным стандартом формирования схем на печатных платах является струйное травление. При ширине печатного проводника около 75 мкм струйное травление, из-за ограничений массопередачи, работает не лучшим образом. Другие способы травления, такие как травление выпрямленным током (Direct Current) или механическое травление, находятся еще в стадии разработки. На сегодняшний день эти методы характеризуются низкой скоростью травления и возможностью повреждения печатных плат из-за контактов со щетками.
Недавно появился новый метод, использующий электрохимические процессы для обработки печатных плат и полупроводниковых пластин и позволяющий проводить процесс травления для тонких проводников печатных плат. Процессы травления с помощью электрического тока отличаются от электрохимических способов травления выпрямленным током тем, что они используют нестационарные электрические поля для контроля травления или покрытия материалов. Возможность изменения плотности тока и времени воздействия прямого и/или обратного тока и переключения прямого тока на обратный в некотором диапазоне частот позволяет управлять электрохимическим процессом, что невозможно в методах травления выпрямленным током (DC). Предлагается метод электрического микротравления, получивший название Faradayictm-микротравление, который может быть успешно использован для производства печатных плат с тонкими линиями при минимальном подтравливании проводников.
Методология
Используемая в методе Faradayictm-микротравление форма волны является прерывистой ассиметричной волной с периодом прямого тока (или напряжения), который перемежается с периодом обратного тока (или напряжения) и периодом времени простоя (рис.1). Параметрами волны являются: плотность прямого и обратного тока (ia, ic), время воздействия прямого и обратного тока (ta и tc) и время простоя (t0). Поскольку существует неограниченное количество комбинаций максимальной плотности тока, рабочих циклов и частот, необходимых для получения средней плотности тока, то такой метод имеет гораздо больший потенциал управления процессами травления или покрытия, чем методы прямого тока (DC). Детальное описание эффектов, которые волновые параметры оказывают на химический состав электролита и пограничные слои у электродов, дано в публикациях компании Faraday. Faradayictm-микротравление было испытано на опытных образцах, предоставленных компанией Flextronics/Multek. Каждый образец содержал 17 тестовых матриц с 8 проводниками различной ширины (L) и с разными расстояниями между проводниками (S). Значения L/S составляли 140/89 мкм, 114/63 мкм, 89/38 мкм, 63/63 мкм, 63/38 мкм, 89/63 мкм и 114/89 мкм. На рис.2 показана схема каждого модуля и поперечный разрез проводников. Сухой пленочный резист и толщина меди составляли 35 мкм и 25 мкм соответственно.
Контрольные структуры были подвержены трем различным способам травления:
а) Faradayictm-травление, использующее в качестве электролита NaNO3/NaCl;
б) DC-травление при напряжении 5 В, использующее тот же электролит NaNO3/NaCl;
в) Faradayic-травление, использующее только NaNO3.
Контрольные структуры образовали анод в электрохимическом объеме с титановым слоем того же размера, что и опытный образец, который использовался как катод. Расстояние между катодом и анодом составляло около 10 мм, а каждый тест проводился в течение 50 секунд, что примерно равно времени, затрачиваемому при производственном процессе.
Поскольку размер проводника оказывает влияние на его электрические характеристики, процесс травления должен быть разработан с минимальным подтравливанием, обеспечивающим формирование прямых и гладких стенок. Процесс травления должен идти с постоянной скоростью бокового травления, независимо от расстояния между проводниками. Пять из 17 матриц были проверены на каждом образце после каждой операции травления. При помощи микроскопа с оптикой фирмы Zeiss были проверены поперечные сечения проводников. Были замерены вертикальное и горизонтальное расстояния травления, ширина верхней, средней и нижней частей проводника. Подсчитан коэффициент бокового подтравливания (отношение глубины травления к боковому подтравливанию) и угол, который боковая стенка образует с основой проводника (Tan). Частота волны составляла 100–1000 Гц с анодным рабочим циклом 20–80% и средней разностью потенциалов 5–25 В.
Результаты
На рис. 3 показаны типичные поперечные сечения двух опытных образцов с восемью проводниками на каждом образце после каждого из трех способов травления. В лучшем случае значение подтравливания должно составлять менее 6,5 мкм, коэффициент бокового подтравливания более 4 и Tan более 4; данные значения могут быть получены при хорошо управляемом процессе струйного травления. Наилучшие результаты были получены при использовании электрического травления с электролитом NaCl/NaNO3. Эти результаты показаны на рис. 4, где требуемые значения подтравливания, коэффициент бокового подтравливания и Tan сравниваются со значениями, вычисленными для каждого проводника при каждом способе травления.
На рис. 4a видно, что Faradayictm-травление с использованием электролита NaNO3/NaCl показало наименьшее и наиболее равномерное подтравливание. Этот способ был единственным способом, показавшим значение подтравливания меньше заданного значения максимального подтравливания. Среднее значение подтравливания по всем размерам проводников и расстояний между ними составило 3,08 мкм со среднеквадратическим отклонением 0,35 мкм. Faradayictm-травление с использованием NaNO3 и DC-травление с NaNO3/NaCl не удовлетворило определенным заданным средним значениям подтравливания, показав 11,9 мкм и 8,1 мкм, вместо заданных 2,45 мкм и 1,05 мкм соответственно.
Коэффициент бокового подтравливания для Faradayictm-травления с использованием электролита NaNO3/NaCl (рис.4b) был выше требуемого минимума, равного 4 для всех размеров проводников и расстояний между ними. Это показывает, что травление этим способом прошло с минимальным боковым подтравливанием. Средний коэффициент бокового подтравливания составил 8,17. Коэффициент бокового подтравливания при DC-травлении и Faradayictm-травлении с использованием NaNO3 оказался ниже требуемых значений и составил 3,18 и 2,46 соответственно.
Faradayictm-травление с использованием электролита NaNO3/NaCl производит ровные стенки, обеспечивая высокие значения Tan (выше 10 для семи из восьми проводников и выше 20 для двух проводников) (см. рис. 4c). Значения Tan, производимые Faradayictm-травлением с NaNO3 , ниже значений, производимых Faradayictm-травлением с NaNO3/NaCl, в шести из восьми проводниках, но равны или превышают минимальные значения во всех случаях. В четырех случаях DC-травление превосходит Faradayictm-травление, но для проводника 114/89 мкм DC травление не отвечает требуемому значению коэффициента бокового подтравливания, равному 4.
Заключение
Использование микротравления с помощью электричества доказало свою эффективность при испытаниях опытных образцов с проводниками различной ширины и различными расстояниями между проводниками. Результаты показывают, что Faradayictm-микротравление, использующее в качестве электролита NaNO3/NaCl, способно обеспечивать процесс травления для тонкостенной медной фольги. Значения подтравливания, коэффициента бокового подтравливания и угла, который боковая стенка образует с основой проводника (Tan), обычно превышают показатели, требуемые для процесса струйного травления. Такие результаты позволяют предположить, что процесс микротравления может быть использован для производства печатных плат с тонкими проводниками и с различным шагом.
Хизер А. МакКрабб – проектировщик компании Faraday. Занимает ведущее положение в осуществляемых Faraday исследованиях процессов электроосаждения.
Доктор Мария Инман – директор по научным исследованиям Faraday.
Доктор И. Дж. Тейлор – главный исполнительный директор Faraday.
Методология
Используемая в методе Faradayictm-микротравление форма волны является прерывистой ассиметричной волной с периодом прямого тока (или напряжения), который перемежается с периодом обратного тока (или напряжения) и периодом времени простоя (рис.1). Параметрами волны являются: плотность прямого и обратного тока (ia, ic), время воздействия прямого и обратного тока (ta и tc) и время простоя (t0). Поскольку существует неограниченное количество комбинаций максимальной плотности тока, рабочих циклов и частот, необходимых для получения средней плотности тока, то такой метод имеет гораздо больший потенциал управления процессами травления или покрытия, чем методы прямого тока (DC). Детальное описание эффектов, которые волновые параметры оказывают на химический состав электролита и пограничные слои у электродов, дано в публикациях компании Faraday. Faradayictm-микротравление было испытано на опытных образцах, предоставленных компанией Flextronics/Multek. Каждый образец содержал 17 тестовых матриц с 8 проводниками различной ширины (L) и с разными расстояниями между проводниками (S). Значения L/S составляли 140/89 мкм, 114/63 мкм, 89/38 мкм, 63/63 мкм, 63/38 мкм, 89/63 мкм и 114/89 мкм. На рис.2 показана схема каждого модуля и поперечный разрез проводников. Сухой пленочный резист и толщина меди составляли 35 мкм и 25 мкм соответственно.
Контрольные структуры были подвержены трем различным способам травления:
а) Faradayictm-травление, использующее в качестве электролита NaNO3/NaCl;
б) DC-травление при напряжении 5 В, использующее тот же электролит NaNO3/NaCl;
в) Faradayic-травление, использующее только NaNO3.
Контрольные структуры образовали анод в электрохимическом объеме с титановым слоем того же размера, что и опытный образец, который использовался как катод. Расстояние между катодом и анодом составляло около 10 мм, а каждый тест проводился в течение 50 секунд, что примерно равно времени, затрачиваемому при производственном процессе.
Поскольку размер проводника оказывает влияние на его электрические характеристики, процесс травления должен быть разработан с минимальным подтравливанием, обеспечивающим формирование прямых и гладких стенок. Процесс травления должен идти с постоянной скоростью бокового травления, независимо от расстояния между проводниками. Пять из 17 матриц были проверены на каждом образце после каждой операции травления. При помощи микроскопа с оптикой фирмы Zeiss были проверены поперечные сечения проводников. Были замерены вертикальное и горизонтальное расстояния травления, ширина верхней, средней и нижней частей проводника. Подсчитан коэффициент бокового подтравливания (отношение глубины травления к боковому подтравливанию) и угол, который боковая стенка образует с основой проводника (Tan). Частота волны составляла 100–1000 Гц с анодным рабочим циклом 20–80% и средней разностью потенциалов 5–25 В.
Результаты
На рис. 3 показаны типичные поперечные сечения двух опытных образцов с восемью проводниками на каждом образце после каждого из трех способов травления. В лучшем случае значение подтравливания должно составлять менее 6,5 мкм, коэффициент бокового подтравливания более 4 и Tan более 4; данные значения могут быть получены при хорошо управляемом процессе струйного травления. Наилучшие результаты были получены при использовании электрического травления с электролитом NaCl/NaNO3. Эти результаты показаны на рис. 4, где требуемые значения подтравливания, коэффициент бокового подтравливания и Tan сравниваются со значениями, вычисленными для каждого проводника при каждом способе травления.
На рис. 4a видно, что Faradayictm-травление с использованием электролита NaNO3/NaCl показало наименьшее и наиболее равномерное подтравливание. Этот способ был единственным способом, показавшим значение подтравливания меньше заданного значения максимального подтравливания. Среднее значение подтравливания по всем размерам проводников и расстояний между ними составило 3,08 мкм со среднеквадратическим отклонением 0,35 мкм. Faradayictm-травление с использованием NaNO3 и DC-травление с NaNO3/NaCl не удовлетворило определенным заданным средним значениям подтравливания, показав 11,9 мкм и 8,1 мкм, вместо заданных 2,45 мкм и 1,05 мкм соответственно.
Коэффициент бокового подтравливания для Faradayictm-травления с использованием электролита NaNO3/NaCl (рис.4b) был выше требуемого минимума, равного 4 для всех размеров проводников и расстояний между ними. Это показывает, что травление этим способом прошло с минимальным боковым подтравливанием. Средний коэффициент бокового подтравливания составил 8,17. Коэффициент бокового подтравливания при DC-травлении и Faradayictm-травлении с использованием NaNO3 оказался ниже требуемых значений и составил 3,18 и 2,46 соответственно.
Faradayictm-травление с использованием электролита NaNO3/NaCl производит ровные стенки, обеспечивая высокие значения Tan (выше 10 для семи из восьми проводников и выше 20 для двух проводников) (см. рис. 4c). Значения Tan, производимые Faradayictm-травлением с NaNO3 , ниже значений, производимых Faradayictm-травлением с NaNO3/NaCl, в шести из восьми проводниках, но равны или превышают минимальные значения во всех случаях. В четырех случаях DC-травление превосходит Faradayictm-травление, но для проводника 114/89 мкм DC травление не отвечает требуемому значению коэффициента бокового подтравливания, равному 4.
Заключение
Использование микротравления с помощью электричества доказало свою эффективность при испытаниях опытных образцов с проводниками различной ширины и различными расстояниями между проводниками. Результаты показывают, что Faradayictm-микротравление, использующее в качестве электролита NaNO3/NaCl, способно обеспечивать процесс травления для тонкостенной медной фольги. Значения подтравливания, коэффициента бокового подтравливания и угла, который боковая стенка образует с основой проводника (Tan), обычно превышают показатели, требуемые для процесса струйного травления. Такие результаты позволяют предположить, что процесс микротравления может быть использован для производства печатных плат с тонкими проводниками и с различным шагом.
Хизер А. МакКрабб – проектировщик компании Faraday. Занимает ведущее положение в осуществляемых Faraday исследованиях процессов электроосаждения.
Доктор Мария Инман – директор по научным исследованиям Faraday.
Доктор И. Дж. Тейлор – главный исполнительный директор Faraday.
Отзывы читателей
