在使用无粘结聚酰亚胺覆铜箔基材,通常使用在制造精细导线和高密度电气互连的应用上.如医疗器械电气系统,硬磁盘系统和COF等.对印制电路板的电路图形要求很高,主要特征就是导线和间距都需要在2密耳(mil)和精细导线制作.无粘结剂材料便于精细导线的制作,它所形成的覆铜箔材料,因为铜层薄很适合,并且介于铜和介质材料的界面很平滑.这两种特征的结果,实际上无粘结剂材料的制造是通过直接在完全固化的聚酰亚胺薄膜进行金属化.
粘结剂介于铜箔和聚酰亚胺之间,最重要的考虑是因为所使用的铜箔不是低或超粗化度材料,它与介质材料的处理促使机械锁结.要达到良好的粘合,需将聚酰亚胺材料表面经过等离子体处理和应用薄的金属连接层介于铜箔与聚酰亚胺之间.通常所采用的连接层包括铬和镍合金.
印制电路板制造过程中,会降低铜箔与聚酰亚胺之间的结合强度.该工艺过程包括该材料会暴露在苛刻的化学品的氛围内,制服造成过程中所使用权用的化工材料包括有机溶剂,高酸或高碱性的水溶液液,高的浸蚀性中性溶液以及在许多情况下,所有的类型不同的工序都会构成对材料起到化学作用.如镀金电解溶液,特别是对材料的结合力会产生急剧的减小.如经常会有影响包含有较高的pH值,特殊的氰化物溶液的浸蚀,或两方面都具有的性质,都会构成对材料之间的结合强度的直接影响.因此,通过使用中性的金氰化钾电镀金镀液,为提供研究材料之间结合强度使剥离强度特性减少原因分析,减低粘结力减少的趋势,值得注意的是在铜箔与聚酰亚胺之间的应用薄铬作连接层,或采用镍合金作连接层也能使减低粘合力减小的趋势,但它比采用铬层作连接层达到更少程度.
提高温度和湿度也能够使铜箔与聚酰亚胺材料之间,再没有采用连接层的状态下会降低其之间的结合力,导致制造性和可靠性会降低.研究提供将其暴露在提高温度和通常所谓的压力锅测试后.铜箔在聚酰亚胺薄膜之间剥离强度减小.该压力锅测试包括将材料暴露在温度121℃,2个大气压力和100%RH (相对湿度),处理时间在168小时以上.材料使用铬和镍合金连接层,暴露在提高温度后,达到和获得减低粘合力减少的趋势.铬金属再次达到较大有效性.在使用不同的聚酰亚胺薄膜,经过压力锅暴露,铬连接层也能获得保持增加两种材料之间的粘结性能.在这种调查研究工作中,根据铜箔与聚酰亚胺材料的工艺特性,通过使用镍-铬(NiCr)连接层进行研究.还以尝试设计,补充提供的研究工作条件,就是在材料上使用镍合金而不含有铬来完成测试其剥离强度的大小.使用后的材料在提高温度,压力锅条件和电镀金等暴露前后,同时确定连接层厚度特性情况下的剥离强度.添加镍-铬连接层的工艺特性,包括蚀刻和电路制造实例进行讨论.
实验:
使用单面的覆铜箔聚酰亚胺层压板制造,采用标准的工艺实验方法.使用基础材料-聚酰亚胺厚度为1mil(0.005英寸)Kapton-E(Ref.5).聚酰亚胺金属化前,在含有氧的介质环境内进行等离子体处理.连接层和铜的晶粒为200Α.用阴极溅镀技术沉积而成.连接层的厚度有不同,它介于0A-200A之间.连接层主要与铜(99.99＋%Cu)和镍-铬 (79.9＋%Ni,20.0＋%Cr).有的样品采用蒙乃尔400 (镍铜合金即64.8%Ni,32.5%Cu)和铬(99.9%Cr)连接层并准备进行比较.最后通过电镀工艺方法使铜层厚度达到0.7mil.
样品准备完成,进行加热和高压力锅试验曝露后,再进行剥离强度测试,较详细的试验方法上述已谈及过(Ref.3-4).样品板的导线经过蚀刻后其宽度为1/8英寸以及所曝露的环境条件,使用的是无铜箔层压板或背面涂有敷涂层的层压板.
样品板使用标准材料生产的电镀金后,准备备对其进行粘结强度的测试.样品板进行印制和在酸性氯化铜蚀刻溶液蚀刻形成10个互连结构,导线和间距为8mil电路测试图形.并在中性的金氰化钾镀液内进行电镀软金,金的纯度为99.
总的工艺过程包括浸酸,电镀镍和电镀金前进行闪镀金,然后电镀金.通常电镀镍的厚度和电镀金的厚度都是30μ英寸.
实际粘合力的确定是按照工业标准90°剥离强度测试而定.测试设备采用1130 Instron系列的Sintech进行测试,以提高运行试开V3.09软件使用效果.并使用10磅负载电池和2英寸/分钟,十字头联轴节运行速度.除非另有它意,通常样品采用铜层厚度为0.7mil,而没有进行任何镀层加厚处理.剥离强度的测量在任何给定的样品板重复测定,测试次数最少三次.在大多数的情况下,剥离强度测试的结果所提供的报告,其数据是多个样品板和重复/或同样的进行检查后的平均值.背面剥离的故障分析是通过使用电子扫描显微镜(SEM)和X-射线光电扫描仪.SEM是Leo(李氏)型号1450VP电子扫描显微镜,其压力可调.XPS是使用的物理电子PHI560ESCA/SAM系统装置,采用预应力通过CMA.而XPS的工作是通过使用MgX-射线源,在15KV和300瓦功率的条件下,运行实现外传输数据.
初始粘结力:
最初材料的剥离强度使用的连接层是NiCr(镍铬)见表1.其表中还包括有的没的连接层,有的使用镍铜合金和铬连接层进行比较.
初始所采用的所有的样品板,铜层厚度为0.7mil,所采用的下拉力为每英寸4-4.8磅,进行粘结强度测试.大约在1-2磅/英寸大的下拉力值,用于镀层厚度为1.4mil铜的粘结强度测试.所有样品板进行测试时给定的值都高,而在IPC规范6内,对于薄材料规定为2.0磅/英寸,而对厚材料为4.0磅/英寸.所以,良好的粘结强度的产生,主要的是材料进行等离子体处理过.因为在含有氧氛围条件下进行处理,使材料的表面氧的浓度增加(Rfe.7),表面呈现粗糙(Rfe.8)和减少任何低分子重量的成分和表面的挥发(Rfe.9).
剥离强度的可再现性,大约在± 0.5磅/英寸.使用镍铬(NiCr)和铬(Cr)连接层,两者的铜层厚度相同,进行比较的结果相类似.镍铬加接层的厚度不会影响初始粘结力的变化.所有的的连接层的应用,在剥离强度和无连接层的样品相比较,有了轻微的改善.但还不清楚的是无镍铬连接层和采用蒙乃尔(镍铜合金)的其初始剥离强度相比较更好.
加热老化后的粘结力:
采用不同的连接层结构的样品板,在空气温度为150℃进行加热老化,见图1.而无采用连接层的样品板其剥离强度随着时间快速降低.大约曝露24小时后,仅仅保持0.6磅/英寸.也就说样品板的剥离强度减小速率,是随着温度的而增加.类似的样品板无连接层的状态下,所有样品板的粘结强度在大约4小时,225℃条件下而减小(Ref.3).
但是,当所有的样品板采有连接层后,其粘结力都有改善.如采用两种厚度的镍铬连搪层,曝露168小时后,其剥离强度大约2.5磅/英寸.而采用薄的镍铬连接层时,曝露的时间与上述相同的条件下,其剥离强度低显示出大约1磅/英寸.一般的情况,所采用的镍铬连接层不完全相同,而使用铬连接层,但其性能要比采用蒙乃尔(镍铜合金)要好.除曝露很长时以外,经过观察的介于样品板采用不同镍铬连接层的厚度其差异很小.低的剥离强度的样品板连接层厚度为50A,在曝露168小时其显示的数据可以说明之.
金属面和层压板面的镍铬连接层的厚度为50A和200A的样品板,其背面剥离的原因通过XPS进行分析.该种类型的样品板包括曝露在150℃,时间为168小时和这种类型的样品板在任何条件下不曝露.在这种情况下,自然有助于分析和确定剥离的部位置和剥离强度减小.
两种非曝露的样品板故障发生在聚酰亚胺表面,主要呈现在信号导线表面存在含有碳,氮和氧而使背面剥离所存在的条件分析.发现该表面没有金属连接层.这种类型构成是早期研究使用其它连接层(Ref.3).
两种关键性的特征,就是在分析经过加热老化样品板出现背面剥离的情况.两种金属面背面剥离显示,较低的镍和铬在添加有碳,氧和氮百分率(＜3.3%).而且故障的出现往往主要的发生在聚酰亚胺材料上,并且还发觉和提出是发生在镍和铬的金属界面(拔拉力)或薄的聚酰亚胺粘结剂PI.
，铜箔与聚酰亚胺材料“粘结”用镍铬连接镀层