利用磁控溅射制作印刷线路板的方法 【技术领域】
本发明涉及用于制造印刷线路板的方法，具体地说，涉及一种利用磁控溅射方法制作印刷线路板的工艺方法。
背景技术
随着电子产品的微型化、高速化与数字化，PCB产品也必须向超薄型、高密度、小型化的方向发展。高密度是指提高印刷线路板单位面积上之元器件装载量和布线密度，采取的措施是线路板细线、小孔和多层。导线宽度和间距趋向小于0.1mm(如3mil的线宽线距)，导通孔孔径小于φ0.2mm，10层以上多层板会大量使用，并出现大量的盲孔和埋孔，孔金属化和蚀刻是印刷线路板制作过程中的两个关键步骤。但传统的工艺方法存在以下三个缺点：1)生产高精度多层板难度高。导线宽度和间距越小，要求铜箔厚度也越薄，铜箔厚度越薄，在蚀刻液中的时间也越短，不易发生侧蚀现象，传统的铜箔厚度多为12μm以上，而现代技术的发展要求铜箔厚度做到9μm以下，传统的压延铜方法由于工艺条件的限制很难做出9μm以下的铜箔，价格也较昂贵。传统的孔金属化主要通过化学镀和直接电镀法来实现的，小孔径的增多导致印刷线路板地化学镀和直接电镀法困难加大，一方面，化学度铜液在孔内交换不好，产生孔粗、孔破的现象；另一方面，电镀铜液分散能力达不到要求而产生孔内镀层不均匀、狗骨现象，金属化孔的可靠性降低。2)高污染。传统生产工艺全部为化学反应方式进行，尤其是化学镀孔需要大量的有机物(甲醛等致癌物质)作为还原剂，此外，还需要无机重金属盐(pb2+等)和氰化物(CN-)、氟化物等。目前这类污染基本上很难由生物降解和恢复，随着人们对环保的重视，迫使每个PCB工厂都要投入不少资金用于污水处理，这给资金的运作带来了一定的影响。3)生产过程复杂，效率低下。必须经过多道化学反应过程或电镀过程，工艺复杂，工序长。为了解决以上问题，已经有人将物理气相沉积技术应用于PCB行业中，使用磁控溅射的方法来制作印刷线路板，如发明专利申请“制作印刷线路板的工艺方法”(申请日：2000.7.26，公开号：CN1335743A)中公开了一种利用磁控溅射制作印刷线路板的方法，在线路负像的基材上能够将板面和通孔内壁都能均匀地镀上一层金属薄膜，较好地解决了以上问题，但该工艺方法同时存在以下缺陷：1)对于二层以上的多层板，层间孔的导通连接不可靠。多层板之间的绝缘材料在进行高温层压时会部分液化，流动后导致孔的作用丧失。孔的作用是通过孔金属化后将两层或多层板连接导通，孔分为通孔、盲孔和埋孔。其工艺所述中间绝缘层的制作方法是：按设计要求，制作多层板层间连接用铜盘位置裸露，其余地方被感光材料附着，去油污清洗之后，在其两个面镀覆设计要求的薄膜，然后清洗去膜，留下已金属化的孔，且周边有一定宽度铜箔的绝缘层，此圆圈作层与层的通孔导电连接之用。其钻孔和层压的方法是：先在基材上按设计钻好孔，经磁控溅射后将两张双面板以及中间绝缘板按照预先设置的位置对齐叠好，最后进行高温层压即得到四层线路板。由于中间绝缘板在高温层压过程中会液化成流体，将两层线路板中间的空隙填满，由于流体会流向任何方向的空隙，故孔的孔隙内也会充满绝缘液体以及孔的表面周围也会被绝缘液体所覆盖，绝缘层也会变薄，导致层间无法通过孔来导通。2)磁控溅射对于制备薄膜的制作效果很显著，比如厚度为1μm以下的导电层，但由于磁控溅射的效率比电镀铜的效率低，对于铜箔厚度为3μm以上的线路板，要达到要求的厚度，需要的溅射时间长，效率低成本上升。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种利用磁控溅射法制作线路板的方法，解决现有磁控溅射法制作线路板工艺中层与层间孔的连接导通问题，使之适用于规模化生产。本发明的次一目的是提高镀铜和孔金属化的效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种利用磁控溅射制作印刷线路板的方法，其特征在于包括以下步骤：1)单层基材钻孔：将单层基材清洁后依据线路板的设计要求制取导通孔；2)将钻孔后的单层基材经过清洁处理，在其一侧表面或两侧表面及孔的内壁磁控溅镀用于改善铜箔与基底亲和力的底层介质金属层；3)在该单层基材一侧表面或两侧表面孔的内壁的介质层金属之上磁控溅镀导电铜层；4)多层板钻孔：将经上述处理的两个或两个以上的单层基材板中间夹以绝缘层，再经高温压合而制成内芯多层板，进行清洁，依据线路板的设计要求在所述多层板上钻取导通孔或盲孔；5)将钻孔后的内芯多层板经过清洁处理，在其一侧表面或两侧表面及孔的内壁磁控溅镀用于改善铜箔与基底亲和力的底层介质金属层；6)在该内芯多层板一侧表面或两侧表面及孔的内壁的介质层金属之上磁控溅镀导电铜层。
根据需要，在步骤6)之后还可以包括以下步骤：7)把经过步骤4)、5)、6)处理后的内芯多层板作为多层基材板，它与经过步骤1)、2)、3)处理后的单层基材统称为基材板；将两个或两个以上的基材板中间夹以绝缘层，再经高温压合而制成内芯多层板，进行清洁，依据线路板的设计要求在所述多层板上钻取导通孔或盲孔；8)将钻孔后的内芯多层板经过清洁处理，在其一侧表面或两侧表面磁控溅镀用于改善铜箔与基底亲和力的底层介质金属层；9)在该内芯多层板一侧表面或两侧表面的介质层金属之上磁控溅镀导电铜层；重复步骤7)-9)，直至达到线路板层数的要求。
本发明为了提高镀铜效率，在步骤3)或步骤6)之后还增加如下步骤：a)在导电铜层之上按照铜箔厚度的设计要求电解镀加厚铜层；b)在加厚铜层之上溅镀或电镀上层介质金属层。
所镀底层介质金属层和上层介质金属层为1至4层不同材料的金属层，例如由铬、钼、银、锌、金、镍、铜或其合金按顺序组合而成1-4层。
其中可以采用浮脱工艺制作线路图形，它包括位于步骤1)、4)之后的如下步骤：A)在已清洁的基材表面涂覆或贴附上一层感光材料再将其置于光刻机上曝光，显影，清洗基材表面得到附有感光材料涂层的电路负像，然后烘干；还包括位于步骤3)、6)之后的步骤B)：将表面溅镀有导电层的基材浸入化学清洗溶剂中加温至60℃-90℃，以超声波清洗，快速将附有感光材料的镀膜层清除。
本发明的有益效果是：
与现有的磁控溅射制作印刷线路板的方法相比，改善了成孔方式。本发明在制作多层板时采用多次钻孔的方式，每次钻孔是在经过层压后的被操作板上进行，孔分为通孔和盲孔(埋孔即为内层的导通孔)。例如被操作板是四层板，则是在已经制作好线路图形及孔的双面板的两侧，叠加绝缘材料并层压后再钻孔，因此经过镀铜后可确保孔对层间的连通性，而无需在中间的绝缘基板上单独钻孔和镀孔，也无需孔的对位。
另外，采用磁控溅射和电镀铜相结合的方法，既能提高镀铜和孔金属化的效率又能够按照设计要求灵活控制镀铜的厚度。传统的压延铜制作覆铜板的方法无法按照新技术的要求将铜层做到9μm以下，而纯粹采用磁控溅射法镀铜又受到溅射速度的限制，用于生产厚度大于2μm以上的铜箔时生产效率会大大降低。本发明在电镀铜的前期采用磁控溅射法镀铜，保证了小孔径孔的良好金属化，避免了采用化学镀和电镀法导致的孔内镀层不均匀和孔狗骨现象，后期采用电镀法镀铜，利于加快镀铜的效率，提高产品的生产效率。由于不再使用化学镀铜，减少了有害物质的污染，降低了成本，有利于环保。
由于导电层可以做得更薄，有效地减少侧蚀现象，从而可以将线路制作得更加精细。更薄的铜层需要更少的蚀刻液，蚀刻量也更少，侧蚀量也更加可控，保证了精细线路的质量。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1表示本发明的单层线路板的结构示意图。
图2表示本发明的磁控溅射镀铜流程图。
图3表示本发明的一种具体实施方式的流程图。
图4表示本发明的又一种具体实施方式的流程图。
【具体实施方式】
如图1所示的本发明单层线路板的结构图，从下至上依次是基材100、介质层101、导电铜层102、加厚铜层103和保护层104。基材100可以采用由环氧树脂玻璃纤维布、聚酰亚胺、聚脂、陶瓷、金属或玻璃制作成的基材，介质层101通过磁控溅射形成1-4层金属，厚度为5-500nm，溅射多层介质层金属的理由是：基材与导电铜层的膨胀系数相差较大，如果直接在基材上镀铜，亲和力不强，抗剥离强度达不到要求，故需要在基材与导电铜层之间进行膨胀系数阶梯过度，选用的介质金属也是先小膨胀系数再大膨胀系数，最后过度到铜减少了涂层与金属基体之间的热膨胀系数之差，降低了镀层在温度变化时的收缩率以及镀层内部的应力。抑制了涂层龟裂、剥落，提高了涂层的粘结力和抗冲击性。导电铜层102的厚度为0.1-5μm，加厚铜层103的厚度为1-18μm。
具体实施例一：制作多层印刷线路板，采用全板电镀技术，其制作流程如图2所示：
1)钻孔：将被操作板清洁后依据线路板的设计要求在被操作板上钻通孔。
2)将钻孔后的被操作板经过清洁处理，在该被操作板的一侧表面或两侧表面及孔的内壁依次溅镀铬，镍及镍铜合金，用于改善铜箔与基底的亲和力，溅镀时间根据镀层的厚度设为0.1-5min，溅镀电流不宜过小，以免效率过低，设为0.1-5A，溅镀气体压力＜1atm，气体为Ar气，靶材与基材的距离不宜太远，以免溅镀的强度不够，设为5-25cm，溅镀气体流量为8×10-3至3×10-3torr；
3)在被操作板的一侧表面或两侧表面及孔内壁的介质层金属之上溅镀导电铜层0.1-5μm，溅镀时间根据镀层的厚度设为0.1-30min，溅镀电流为0.1-5A，溅镀气体压力＜1atm，气体为Ar气，靶材与基材的距离为5-25cm，溅镀气体流量为8×10-3至3×10-3torr；真空系统必须在本底真空2×10-6torr才可以开始工作，良好的本底真空和无虚泄漏的真空系统对保证金属镀层的均匀性和产品的稳定性有关键的作用，而工艺气体的溅射压力与真空系统所决定的分子平均自由程有关系，通常又与靶基距有相当大的关系；
4)全板电镀。在导电铜层之上按照铜箔厚度的设计要求电镀加厚铜层，电镀电流为0.5-1A，电镀时间根据镀层的厚度设为0.5-2hr。
5)线路图形制作。贴感光膜，经曝光显影后形成线路图形。
6)制作保护层：其制作方法是在需要保护的外层电镀加厚铜层之上磁控溅射或电镀铬、镍、金、锌、锡等其中的一种或多种金属；如果是内层则在其表面溅镀增加与绝缘基材亲合力的介质金属，特别地是溅镀0.005-0.5μm的铬，这对于改善导电层与绝缘基材间的亲合力、抗湿性、耐化学性和耐热性方面有很大进步。
7)线路蚀刻：将基材置于化学溶液中腐蚀清洗出线路；
8)层压：将被操作基板对齐叠好，经高压高温后压合在一起；
9)多层板钻孔：将经上述处理的两个或两个以上的单层基材板中间夹以绝缘层，再经高温压合而制成内芯多层板，进行清洁，依据线路板的设计要求在所述多层板上钻取导通孔或盲孔；
10)将钻孔后的内芯多层板经过清洁处理，在其一侧表面或两侧表面及孔的内壁磁控溅镀用于改善铜箔与基底亲和力的底层介质金属层，技术及工艺要求同2)；
11)在该内芯多层板一侧表面或两侧表面及孔的内壁的介质层金属之上磁控溅镀导电铜层，技术及工艺要求同3)；
重复步骤4)、5)、6)、7)、8)工艺流程。
再重复上述步骤9)、10)、11)，直至达到线路板层数的要求。
12)表面线路图形及保护层制作。
本实施例在最外层线路上增加保护层，防止有效铜层被刮花、划伤，更重要的是可以防止铜层被氧化。
值得说明的是，如所需导电铜层的厚度较小，在溅镀铜之后可以不再电镀加厚铜。
本发明所指的“基材板”既可指通常所称的单层基材板，也可指经过上述处理后的内芯多层板，称为多层基材板。
具体实施例二：制作双面印刷线路板，使用图形电镀技术，其制作流程如图2所示：
1)钻孔：将被操作板清洁后依据线路板的设计要求在被操作板上钻通孔。
2)将钻孔后的单层基材经过清洁处理，在其一侧表面或两侧表面及孔的内壁磁控溅镀用于改善铜箔与基底亲和力的底层介质金属层，技术及工艺要求同实施例一；
3)在该单层基材一侧表面或两侧表面及孔内壁的介质层金属之上磁控溅镀导电铜层，技术及工艺要求同实施例一；
4)线路图形制作。贴感光膜，经曝光显影后形成线路图形。其中感光膜的厚度应大于加厚电镀铜层的厚度。本步骤与下述步骤7)属于ITO技术中常用的“浮脱”工艺。
5)图形电镀。在导电铜层之上按照铜箔厚度的设计要求图形电解镀加厚铜层，电镀电流为0.5-1A，电镀时间根据镀层的厚度设为0.5-2hr。
6)制作保护层：其制作方法是在需要保护的外层电镀加厚铜层之上磁控溅镀铬、镍、金、锌、锡等其中的一种或多种金属；如果是内层则在其表面溅镀增加与绝缘基材亲合力的介质金属，特别地是溅镀0.005-0.5μm的铬，这对于改善导电层与绝缘基材间的亲合力、抗湿性、耐化学性和耐热性方面有很大进步。
7)清洗与线路蚀刻：用于将其下附有感光材料的保护层清除并将其上附有感光材料的铜层在化学溶液中腐蚀清洗出线路，该保护层可以作为抗蚀层，使得蚀刻仅对非线路部分的铜层起作用；
8)高温层压：用于将至少两层被操作基板对齐叠好，经高压高温后压合在一起；
再重复步骤1)至8)可制作成多层板。尤其适用于制作有大量埋孔和盲孔的高密度互连多层线路板。
9)最后进行外层线路图形制作。
本实施例可以更好地解决精细线路的蚀刻问题，而且导电层与基材附着性良好，其剥离强度可达1.0kgf/cm。
具体实施例三：制作多层印刷线路板，线路成型使用浮脱技术，其制作流程如图4所示：
1)钻孔：将被操作基材板清洁后依据线路板的设计要求在被操作板上钻孔；
2)清洗基材。
3)制作电路负像：在基材表面涂覆或贴上一层感光材料将基材放在光刻机上暴光、显影，清洗基材表面得到有感光材料涂层的电路负像，然后烘干；
4)溅镀介质层：将钻孔后的被操作板经过清洁处理，在该被操作板的一侧表面或两侧表面及孔的内壁依次溅镀金属铬、镍和镍铜合金三种金属的附着层，技术及工艺要求同实施例一；
5)溅镀铜：在该单层基材或经层压后的多层板一侧表面或两侧表面溅镀导电铜层0.1-5μm，技术及工艺要求同实施例一；
6)溅镀上层介质金属铬层，厚度为5-100nm，工艺条件同上；
7)超声波清洗：将表面溅镀有导电层的基材浸入氢氧化钠清洗溶剂中加温至60℃-90℃，以超声波清洗，快速将附有感光材料的镀膜层清除；
8)高温层压：将至少两层被操作板对齐叠好，中间夹以绝缘板后经高压高温压合在一起；
再重复步骤1)至8)直到达到线路板层数的要求。
9)最后进行外层线路图形制作。
本实施例可以更好地解决精细线路的蚀刻问题，而且导电层与基材附着性良好，其剥离强度也可达1.0kgf/cm。