1 導(dǎo)電銅漿及其應(yīng)用原理

1.1 導(dǎo)電銅漿簡(jiǎn)介

導(dǎo)電銅漿是一種固化或干燥后具有一定導(dǎo)電性的膠粘劑。它可以將多種導(dǎo)電材料連接在一起，使被連接材料間形成電的通路。

在電子工業(yè)中、導(dǎo)電銅漿技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。

1.2 導(dǎo)電原理

1.2.1 導(dǎo)電粒子間的相互接觸

要使導(dǎo)電銅漿成為具有導(dǎo)電性的電路，必須將導(dǎo)電銅漿固化或干燥使銅導(dǎo)電塞孔膠層中的銅粒子相互穩(wěn)定接觸才能達(dá)到導(dǎo)電貫通。導(dǎo)電銅漿在固化或干燥前，導(dǎo)電粒子在膠粘劑中是分離存在的，相互間沒(méi)有連續(xù)接觸，因而處于絕緣狀態(tài)。導(dǎo)電銅漿固化或干燥后，由于溶劑的揮發(fā)和膠粘劑的固化而引起膠粘劑體積的收縮，使導(dǎo)電粒子相互間呈穩(wěn)定的連續(xù)狀態(tài)，因而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。

1.2.2 隧道效應(yīng)使粒子間形成一定的電流通路

當(dāng)導(dǎo)電粒子中的自由電子的定向運(yùn)動(dòng)受到阻礙，這種阻礙可視為一種具有一定勢(shì)能的勢(shì)壘。根據(jù)量子力學(xué)的概念可知，對(duì)于一個(gè)微觀粒子來(lái)說(shuō)，即使其能量小于勢(shì)壘的能量，它除了有被反射的可能性之外，也有穿過(guò)勢(shì)壘的可能性，微觀粒子穿過(guò)勢(shì)壘的現(xiàn)象稱(chēng)為貫穿效應(yīng)，也可叫作隧道效應(yīng)。電子是一種微觀粒子，因而它具有穿過(guò)導(dǎo)電粒子間隔離層阻礙的可能性。電子穿過(guò)隔離層概率的大小與隔離層的厚度及隔離層勢(shì)壘的能量與電子能量的差值有關(guān)，厚度和差值越小，電子穿過(guò)隔離層概率就越大。當(dāng)隔離層的厚度小到一定值時(shí)，電子就很容易穿過(guò)這個(gè)薄的隔離層，使導(dǎo)電粒子間的隔離層變?yōu)閷?dǎo)電層。由隧道效應(yīng)而產(chǎn)生的導(dǎo)電層可用一個(gè)電阻和一個(gè)電容來(lái)等效。

1.3 導(dǎo)電銅漿組成

導(dǎo)電銅漿主要由樹(shù)脂基體、銅導(dǎo)電粒子及其他類(lèi)導(dǎo)電化合物和分散添加劑、助劑等組成。樹(shù)脂有環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯樹(shù)脂、聚氯酯等。雖然高度共軛類(lèi)型的高分子本身結(jié)構(gòu)也具有導(dǎo)電性，如大分子吡啶類(lèi)結(jié)構(gòu)等，可以通過(guò)電子或離子導(dǎo)電，但這類(lèi)導(dǎo)電銅漿的導(dǎo)電性最多只能達(dá)到半導(dǎo)體的程度，不能具有像金屬一樣低的電阻，難以起到導(dǎo)電連接的作用。市場(chǎng)上使用的導(dǎo)電銅漿大都是填料型。

填料型導(dǎo)電銅漿的樹(shù)脂基體，可以采用各種膠黏劑類(lèi)型的樹(shù)脂基體，常用的一般有熱固性膠黏劑如環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯、丙烯酸樹(shù)脂等膠黏劑體系。這些膠黏劑在固化后形成了導(dǎo)電銅漿的分子骨架結(jié)構(gòu)，提供了力學(xué)性能和粘接性能保障，并使導(dǎo)電填料粒子形成通道。由于環(huán)氧樹(shù)脂可以在室溫或低于150 ℃固化，并且具有豐富的配方可設(shè)計(jì)性能，環(huán)氧樹(shù)脂基導(dǎo)電銅漿占主導(dǎo)地位。

導(dǎo)電銅漿要求導(dǎo)電粒子本身要有良好的導(dǎo)電性能，其粒徑要在合適的范圍內(nèi)，能夠添加到導(dǎo)電銅漿基體中形成導(dǎo)電通路。導(dǎo)電填料可以是金屬粉末和石墨及一些導(dǎo)電化合物。

導(dǎo)電銅漿中另一個(gè)重要成分是溶劑。由于導(dǎo)電填料的加入量至少都在50%以上，所以使得導(dǎo)電銅漿的樹(shù)脂基體的黏度大幅度增加，常常影響了膠黏劑的工藝性能。為了降低黏度，實(shí)現(xiàn)良好的工藝性和流變性，除了選用低黏度的樹(shù)脂外，一般需要加入溶劑或者活性稀釋劑，其中活性稀釋劑可以直接作為樹(shù)脂基體，反應(yīng)固化。溶劑或者活性稀釋劑的量雖然不大，但在導(dǎo)電銅漿中起到重要作用，不但影響導(dǎo)電性，而且還影響固化物的力學(xué)性能。常用的溶劑（或稀釋劑）一般應(yīng)具有較大的分子量，揮發(fā)較慢，并且分子結(jié)構(gòu)中應(yīng)含有極性結(jié)構(gòu)如碳氧極性鏈段等。溶劑的加入量要控制在一定范圍內(nèi)，以免影響導(dǎo)電銅漿膠體的膠接整體性能。

除樹(shù)脂基體、導(dǎo)電填料和稀釋劑外，導(dǎo)電銅漿其他成分和膠黏劑一樣，還包括交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、防腐劑、增韌劑和觸變劑等。

2 導(dǎo)電銅漿工藝的設(shè)計(jì)

基于導(dǎo)電銅漿可以應(yīng)用在PCB產(chǎn)品中起到的導(dǎo)通作用，隨著市場(chǎng)的需求的發(fā)展，PCB的設(shè)計(jì)種類(lèi)也越來(lái)越多，會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)產(chǎn)品在正反面出現(xiàn)不同疊構(gòu)的設(shè)計(jì)，整個(gè)產(chǎn)品呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)疊構(gòu)，使用傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)疊構(gòu)、對(duì)稱(chēng)壓合方式無(wú)法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)。此時(shí)上下不同疊構(gòu)的兩部分分別按照各自的疊構(gòu)生產(chǎn)，兩個(gè)子板完成后結(jié)合層使用導(dǎo)電銅漿填充激光孔的方式將兩個(gè)子板網(wǎng)絡(luò)連接，形成完成的PCB產(chǎn)品。

根據(jù)以上的思路設(shè)計(jì)流程介紹如下。

（1）兩個(gè)子板的內(nèi)層先完成單面圖形制作，如圖1（A）所示。

（2）選擇其中的下半部分的子板在圖形面完成單張半固化片加單張銅箔方式的壓合制作，再于后續(xù)第二張半固化片的貼合，如圖1（B）所示。

（3）將以上壓合后的子板，內(nèi)層面圖形區(qū)域銅箔完全蝕刻，不會(huì)更改客戶產(chǎn)品的疊構(gòu)設(shè)計(jì)和介質(zhì)層厚度，同時(shí)利于兩張半固化片更加緊密結(jié)合。

（4）第二張半固化片預(yù)親貼合在前面完成單面蝕刻的子板內(nèi)層面，此處一方面要求半固化片間貼合完全，另一方面半固化片在貼合過(guò)程中有不能過(guò)度固化，因?yàn)橥鈱觾蓧K子板的黏結(jié)主要依靠該張半固化片粘連，具體的參數(shù)選擇在后續(xù)內(nèi)容做詳細(xì)表述。

（5）半固化片表面貼合保護(hù)膜，后續(xù)完成激光鉆孔、導(dǎo)電銅漿印刷后需要撕除。該步序的設(shè)計(jì)有以下幾方面的考慮，首先，可以防止導(dǎo)電銅漿印刷后污染半固化片，出現(xiàn)層壓時(shí)板件異物，影響結(jié)合力；其次，導(dǎo)電銅漿本身具有導(dǎo)電作用，板面殘留導(dǎo)電銅漿后容易造成孔與孔之間短路，影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，出現(xiàn)電性能問(wèn)題，再者，保護(hù)膜本身具有一定的厚度，在印刷完成后將其撕除，會(huì)在激光孔上部導(dǎo)電銅漿呈現(xiàn)一定的高度，導(dǎo)電銅漿在烘烤和層壓過(guò)程中由于溶劑蒸發(fā)，導(dǎo)電材質(zhì)會(huì)下沉，突出的部分可以保證孔內(nèi)導(dǎo)電銅漿填充飽滿，

（6）子板單面激光鉆孔，完成兩塊子板層間的激光孔制作，直接在完成貼膜和貼半固化片的子板上制作兩張子板間的激光孔，完成子板間的相互導(dǎo)通，如圖1（C）。

（7）激光孔除膠制作，完成激光孔制作后按照正常的HDI流程需要清潔激光孔，清潔方式有等離子除膠和化學(xué)除膠。在此處選擇等離子體（plasma）除膠。

（8）微蝕處理，子板除膠后板面粉塵和孔底除膠后殘留清洗，微蝕量控制在1 μm左右。

（9）導(dǎo)電銅漿印刷制作，參考樹(shù)脂塞盲孔方式將導(dǎo)電銅漿填入激光孔中，樹(shù)脂塞盲孔需要鋁片等工具的輔助，而塞導(dǎo)電銅漿由于板面上有保護(hù)膜覆蓋，采用直接在板面印刷的方式制作，無(wú)須使用鋁片類(lèi)工具。塞孔完成后需要經(jīng)過(guò)烘烤導(dǎo)電銅漿完成初步固化，烘烤前需將保護(hù)膜撕除。如圖1（D）。

（10）母板層壓，將以上完成后的子板通過(guò)接合對(duì)位方式壓合制作，形成最終的外層成品板，如圖1（E）。

圖1 上下方子板層壓示意圖

（11）層壓后的依照產(chǎn)品特性完成外層圖形、油墨、表面處理等制作。

3 工藝關(guān)鍵點(diǎn)控制

以上流程介紹中有些特殊流程有異于傳統(tǒng)的HDI產(chǎn)品流程，需要對(duì)不同的工序做特別的控制和特殊操作，例如，貼保護(hù)膜和半固化片，等離子體處理，導(dǎo)電銅漿印刷這些特別的流程制作方法和制作參數(shù)需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定得出。以下就幾個(gè)特殊別的流程操作通過(guò)試驗(yàn)確定。

3.1 貼保護(hù)膜、貼半固化片工藝參數(shù)

3.1.1 貼半固化片參數(shù)確定

制作設(shè)備：真空貼膜機(jī)。

制作方法：按照工藝需求半固化片需放在保護(hù)膜下，保護(hù)膜貼附面有一定的黏性和明顯的延展性，貼膜時(shí)需要手動(dòng)將保護(hù)膜拉伸平鋪，貼合過(guò)程中不可以將保護(hù)膜預(yù)貼合在半固化片上，在將二者一并貼合在子板上，因?yàn)楸Ｗo(hù)拉伸平鋪釋放力量后會(huì)將半固化片拉伸收縮起皺，在貼附在板面真空貼膜后也無(wú)法整平，以上經(jīng)驗(yàn)在試驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證，屬于經(jīng)驗(yàn)之談，道理上也講的通，筆者就沒(méi)過(guò)多的試驗(yàn)對(duì)比，如想要一次性完成保護(hù)膜和半固化片的貼合，建議選擇沒(méi)有黏性的保護(hù)膜，

加工參數(shù)確定：該步序的目的將半固化片完成貼合，不起皺不剝離；從另一個(gè)極端講，半固化片不可以完成固化都則在后續(xù)外層層壓不能起到粘連兩張子板的作用，需要貼膜和貼保護(hù)膜的參數(shù)做進(jìn)一步研究。受制于半固化本身耐熱性能的限制，使用半固化片Tg點(diǎn)在175 ℃以上，貼合參數(shù)做如表1設(shè)計(jì)。

表1 半固化片貼合試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

先試驗(yàn)一和試驗(yàn)二，設(shè)定兩種溫度對(duì)比結(jié)果看，試驗(yàn)一后的測(cè)試板完成后半固化會(huì)在板邊微蝕會(huì)有輕微的剝離，未能與子板很好的貼合，確定溫度設(shè)定為130 ℃；其次對(duì)于壓力的設(shè)定真空貼膜機(jī)設(shè)定最大壓力為0.49 Mpa，改壓力大小相對(duì)于后續(xù)的層壓壓力2.74 Mpa會(huì)小很多，無(wú)須再減小至更小壓力；對(duì)比試驗(yàn)2、3、4結(jié)果，加壓時(shí)間更改不會(huì)影響半固化的結(jié)合，因此確定時(shí)間為60s,同時(shí)在后續(xù)保護(hù)膜的貼合中會(huì)增加半固化片的結(jié)合能力。

3.1.2 貼保護(hù)膜參數(shù)確定

保護(hù)膜貼合，按照保護(hù)膜加工指導(dǎo)建議，貼合溫度控制在100 ℃～130 ℃之間，貼合時(shí)間建議60 s以上。因?yàn)楸Ｗo(hù)膜根深具有較大的黏性，預(yù)先放置在半固化片上后有一部分區(qū)域已經(jīng)貼合在板面，個(gè)別地方形成氣泡。固設(shè)定較長(zhǎng)的抽真空時(shí)間更有利于板面平整，設(shè)計(jì)試驗(yàn)表2所示。

表2 保護(hù)膜貼合試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

比較試驗(yàn)1、2，試驗(yàn)2完成后保護(hù)膜顏色明顯較試驗(yàn)1呈現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，可以確定保護(hù)膜較高溫度下易變性、脆化，溫度不宜過(guò)高。而且試驗(yàn)2板面存在個(gè)別的點(diǎn)由于抽真空時(shí)間較短仍存在氣泡。再通過(guò)與試驗(yàn)3、4結(jié)果對(duì)比，60 s加壓時(shí)間也可以滿足保護(hù)膜與半固化片很好的貼合，以上確定適應(yīng)試驗(yàn)三參數(shù)可以滿足保護(hù)膜的貼合。

3.2 激光制作

兩張半固化片壓合厚度為130 μm上下，對(duì)應(yīng)激光孔制作孔徑設(shè)定200 μm，由于激光孔直接在保護(hù)膜加兩張半固化片上完成（如圖2所示），相對(duì)于激光直接鉆（LDD）銅箔參數(shù)會(huì)有差異，需要在LDD參數(shù)基礎(chǔ)調(diào)整能量，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出激光參數(shù)相對(duì)于常規(guī)LDD 參所需能力會(huì)增加，因此激光增加至1.3倍左右。

圖2 激光鉆孔前后疊層

3.3 等離子體除膠的參數(shù)確定

3.3.1 參數(shù)初步確定

等離子體除膠目前常用于高頻高速材料激光鉆孔和機(jī)械鉆孔后的殘留樹(shù)脂除膠，目前使用導(dǎo)電銅漿制作的產(chǎn)品也均使用了高頻高速的材料，更主要的原因是化學(xué)除膠會(huì)導(dǎo)致保護(hù)膜剝離、藥水滲入保護(hù)膜與半固化片之間，后道工序無(wú)法生產(chǎn)制作。

但是在使用高頻高速材料參數(shù)除膠時(shí)，會(huì)出現(xiàn)板面半固化片和保護(hù)膜起皺起翹，與子板剝離，對(duì)此需要優(yōu)化等離子體參數(shù)。

高頻高速材料等離子體除膠參數(shù)（見(jiàn)表3所示），溫度為70 ℃以上，功率7000 W以上，使用O2（氧氣）、CF4（四幅甲烷）、N2（氮?dú)猓┤N氣體。

表3 初始等離子體參數(shù)設(shè)定

通過(guò)以上參數(shù)制作，板面起皺是不能接受的，對(duì)此參數(shù)要進(jìn)行修改再進(jìn)行試驗(yàn)，分別從縮短制作時(shí)間和降低溫度兩方面更改，實(shí)際經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后時(shí)間縮短至一半以下或者功率減半仍未能解決板面起皺的問(wèn)題；確定影響板面起皺的主要原因是溫度較高，同時(shí)配合除膠后的孔底效果確定最終的除膠參數(shù)，如表4所示。

表4 優(yōu)化后等離子體除膠參數(shù)設(shè)定

運(yùn)用以上確定的參數(shù)進(jìn)行樣品制作，確認(rèn)板面保護(hù)膜狀況和孔底除膠效果，結(jié)果均滿足要求。

3.4 導(dǎo)電銅漿印刷工藝制作

印刷的方法試用了普通絲印機(jī)和真空塞孔機(jī)。本文重點(diǎn)對(duì)真空絲印方式做描述。真空絲印機(jī)在工作時(shí)會(huì)將機(jī)器腔體內(nèi)部線進(jìn)行抽真空操作，使腔體內(nèi)部接近真空狀態(tài)，控制腔體內(nèi)的氣壓大小小于150 Pa（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.01×105 Pa），在接近真空狀態(tài)下使用刮刀將導(dǎo)電銅漿壓入盲孔中，此處與真空油墨塞盲孔參數(shù)一致，無(wú)須特別控制。完成真空印刷待子板排出后，使用鋼刀在板面上完成一次板面整平，將孔口多余膠量去除，再將保護(hù)膜輕輕撕除，撕保護(hù)膜過(guò)程中防止孔口導(dǎo)電銅漿被帶離。

完成保護(hù)膜撕除后將子板的導(dǎo)電銅漿面向上，水平放置，靜置10 min，靜置完成后使用105 ℃，15 min烘烤參數(shù)水平烘烤，讓導(dǎo)電銅漿達(dá)到固化的效果即可。

以上關(guān)鍵工序的加工參數(shù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)相對(duì)合理，針對(duì)以上試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，鞏固工藝穩(wěn)定性，同時(shí)評(píng)估成品產(chǎn)品的可靠性。

4 工藝的應(yīng)用和可靠性測(cè)試

4.1 測(cè)試板工藝設(shè)計(jì)

應(yīng)用上下兩層通孔+中間導(dǎo)電銅漿盲孔的疊合方式形成導(dǎo)通測(cè)試鏈，其中通孔使用樹(shù)脂塞孔+電鍍銅填平，測(cè)試鏈分別按照不同的孔數(shù)設(shè)計(jì)，成品分別對(duì)不同孔數(shù)測(cè)試鏈測(cè)試可靠性，確定該工藝的孔數(shù)能力。

4.2 產(chǎn)品疊構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品疊構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3所示。

圖3 測(cè)試板疊構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3 產(chǎn)品孔數(shù)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品孔數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5所示。

表5 測(cè)試鏈孔數(shù)設(shè)計(jì)

4.4 測(cè)試目的

（1）使用較短流程試驗(yàn)導(dǎo)電銅漿流程，考驗(yàn)流程穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)流程中是否有需要優(yōu)化更新的板塊；（2）電測(cè)試方式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的通過(guò)率；（3）測(cè)試導(dǎo)電銅漿盲孔的通過(guò)率，從電性能方面檢驗(yàn)盲孔的導(dǎo)通性；（4）導(dǎo)電銅漿網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過(guò)IR（紅外線）再流焊前后電阻值變化范圍。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

（1）四層測(cè)試板全程使用上述導(dǎo)電銅漿流程，對(duì)于貼膜參數(shù)、激光鉆孔參數(shù)、印膠方式制作均滿足工藝要求；（2）電測(cè)試后排除異常因素，其余網(wǎng)絡(luò)通過(guò)率100%，滿足工藝要求；（3）電阻變化測(cè)試見(jiàn)圖4所示。

圖4 測(cè)試板經(jīng)IR再流焊后電阻變化率

分別經(jīng)過(guò)5次和10次IR制作后隨著孔數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)電阻值變化比例也相應(yīng)增加，10次后的電阻值變化基本為5次后的兩倍，以設(shè)計(jì)的最多孔數(shù)100孔為例，10次后阻值變化維持在6%以內(nèi)，但經(jīng)過(guò)15次IR后電阻值會(huì)超過(guò)10%，可以確定該工藝可允許經(jīng)過(guò)10次IR測(cè)試后滿足阻值變化要求。

5 總結(jié)

本文從導(dǎo)電銅漿工藝雛形開(kāi)始探究，完成了工藝的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)流暢的工藝設(shè)計(jì)；具體到各個(gè)小工序的加工參數(shù)，為我公司新工藝、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)儲(chǔ)備，為客戶提供了更多的產(chǎn)品、更多流程的選擇空間。使用導(dǎo)電銅漿工藝，將上下不對(duì)稱(chēng)疊構(gòu)二個(gè)子板實(shí)現(xiàn)互連，可以改善不對(duì)稱(chēng)疊構(gòu)產(chǎn)品的翹曲，也可實(shí)現(xiàn)超厚印制板的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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