在PCB制造质量控制过程的讨论中，很大程度上忽视了铜固有的结构。从表面上看，自从线路板和载板首次被发明出以来，铜一直被用作主要导体，那么对铜固有结构的忽视就显得特别奇怪。IPC及其他标准都几乎完全针对铜厚度，对能够减少信号损耗、改善表面粗糙度的铜表面结构只给予了略微的关注。
且行业还缺乏为了优化微导通孔可靠性对实际铜晶粒结构要求的标准，也没有针对激光钻孔和镀后处理之后目标焊盘和捕获环的要求，以及为了优化载板的差分蚀刻和分辨率极限，铜晶粒结构对蚀刻速率的要求。这些话题通常属于个别工厂专有技术的范畴。
本文将介绍一些应用案例，显示优化测量和控制铜晶粒结构和形貌后，可为PCB制造过程带来显著的增值。
对于微导通孔，除了传统的化学分析、白光显微镜检测、增重、减重以及与激光钻孔和微导通孔金属化相关的SIR读数外，人们最近通过最佳实践，发现了为确保产品高可靠性而评估铜结构的3个不同检查步骤，对于降低工艺风险也很有价值：
由表1可知，这些质量控制步骤可以优化加工工艺配比。现场经验表明，这些步骤通常可以大幅提高微导通孔的可靠性。增加工艺流程控制方案后，客户就愿意支付更高的价格来购买服务，同时厂商也更有能力生产利润更高的产品。我们合作的多家新建制造厂已经落实了这些控制方案，并通过提高良率和降低流程的整体风险，快速实现了投资回报。
.jpg)
表1：微导通孔工艺，对铜结构质控步骤
铜箔和晶种层
在加工铜箔和表面铜层时，总体目标是能够尽可能快地完成蚀刻，使添加了掩膜的特征尽可能少地出现侧蚀、横向蚀刻，从而得到更高的分辨率。若想在这方面提高性能，可以使用低Rz、薄金属箔，将晶粒结构改为柱状以便快速蚀刻，或者在为了设定材料配比进行蚀刻或下层电镀操作之前，使用3D测量铜层平均高度。在电镀后，用可控的烘烤工艺对铜进行退火也会改变晶体结构，如果电镀操作得当，退火也会使让铜结构更加可靠。所有这些变量都需要测量和控制，从而最大程度地减少生产高阶产品时的工艺偏差。
测量工具
用于完成本文中所有检查项目的基础测量设备是带有激光轮廓测定功能的3D显微镜（大多数人在检查时使用的是共焦显微镜加激光进行轮廓测定）。市场上很多供应商都提供这类装置，价格从12万美元（简单的独立系统）到22.5万~27.5万美元（安装在自动化全拼板尺寸起重机架上的装置）不等。
最近，美国多家工厂已经安装了这些工具，现在也有许多新建的PCB工厂正逐步将这些工具作为高度自动化工作单元安装在工厂里。其他技术也适用于许多这样的应用；但我们发现，在给NPI制造领域评估过的所有工具中，这些带有激光器的3D显微镜带来的资本投资效率最高，因为这些显微镜应用范围广泛且易于使用，能够很好地控制和改善产品质量。
3D工具背后的逻辑是，不再需要对产品进行破坏性分析就能够得出完全自然色彩的图片，并且操作员只需要接受数小时的培训就可以操作设备。无需对实际产品进行任何准备即可完成制程中检查，同时还可以为铜晶粒结构鉴定进行样品取样，对检查结果起到补充作用。所以你只需要花小于等于AOI设备的价格，就能买到带有3D示波器、3D激光器的精密工程设计工具，从而在完成各种检查时得出非常精确的测量结果。用3D测量蚀刻后的铜传输线形状 ，并且使用共焦显微镜将信息反馈到信号完整性模型，也是使用这些工具的新方案。
.jpg)
图1：展示晶粒结构示例的SEM图像，专为高可靠性设计的晶粒结构（左），以及为牺牲蚀刻而设计的晶粒结构（右）
如果贵公司并未计划投资带有激光轮廓测定功能的3D显微镜，但公司业务属于HDI、高速、载板市场领域，那么应该考虑购买这类工具。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年11月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
