用于下一代电子电路互联的玻璃基板沉铜工艺研究

1 引言

随着人工智能、自动驾驶与高性能计算（HPC）等新兴技术的迅猛发展，芯片算力需求呈指数级增长，开发具备超高布线密度、优异电气性能与尺寸稳定性的先进封装基板，已成为实现下一代算力系统的技术核心，同时也推动基板由传统 FR-4 向高频高速以及玻璃基板转化。玻璃基板的 Dk 值和 Df 值均低于高频高速基板，因此在相同频率下，信号在玻璃基板上传输速度更快，延迟更低，同时，信号传输过程中的能量损耗更小，从而提高信号完整性，降低功耗，并减少信号失真。玻璃基板可以承受更高的工作温度，使其适用于高温环境或高功率应用。玻璃基板不易弯曲或变形，这对于需要高可靠性的应用非常重要，但玻璃表面本身具有化学惰性和光滑的表面特性不利于铜层附着。因此，本文实验研究了在玻璃表面覆盖一层 ABF 和 NBF 材料，作为贴合层，提高玻璃与铜层之间的附着力，并且与现有的真空溅射方案（PVD）进行对比，为后续研究做参考。

2 实验部分

玻璃基板试样尺寸为 30 mm×30 mm。首先使用粘结剂在洁净的玻璃表面覆盖一层 ABF材料，并进行烘干；随后进行化学镀铜形成种子层，其中膨松和除胶过程较为关键，直接影响后续效果；再进行电镀铜，镀铜厚约 20 μm，镀铜后进行退火，对 NBF 材料进行同等操作。

首先对玻璃基板进行前处理，使得玻璃表面和铜层附着力更佳，在经过前处理的玻璃基板表面溅射一层 0.6 μm 的底铜，再进行电镀，镀铜厚度约 20 μm，镀铜后进行退火。

使用剥离强度测试仪进行附着力测试，将约 20 μm 的铜层与玻璃基板进行剥离试验，观测铜层与玻璃基板之间附着力变化。

3 结果与讨论

3.1 ABF 材料表面形貌

ABF 材料由日本味之素精细技术公司开发和生产的一种高性能介电绝缘薄膜材料，如图 1A 和图 1B 所示。

ABF 材料经过膨松、除胶后，其材料表面出现较多凹坑如图 1C 所示，此凹坑数量和膨松时间以及膨松剂种类有关，其表面形成的凹坑越密集，粗糙度随之增大如图 1D 所示，ABF 材料与铜之间的附着力越强，但粗糙度过大，ABF 材料与铜之间的附着力会减弱。

图1 ABF 材料形貌（A）膨松、除胶前（B）膨松除胶前（C）膨松、除胶后（D）膨松、除胶后

3.2 NBF 材料表面形貌

NBF 材料由国内合作公司开发和生产的类似于 ABF 材料的一种高性能材料如图 2A 和图 2B 所示。

经过膨松、除胶后，形成大量的蜂窝状结构如图 2C 所示，蜂窝状随着膨松时间的增加而增加，膨松时间越长，其表面形成的凹坑越密集如图 2D，粗糙度随之增大，ABF 材料与铜之间的附着力越强，但膨松时间过长，ABF 材料与铜之间的附着力会减弱。将基板进行化学镀铜后，化学镀铜覆盖完全且均匀，为后续电镀提供一层良好的种子层。

图2 NBF 材料形貌（A）膨松、除胶前（B）膨松除胶前（C）膨松、除胶后（D）膨松、除胶后

3.3 玻璃基板表面形貌

玻璃基板在经过前处理后，表面出现较多圆形坑洞如图 3A 所示，随后进行真空溅射镀铜处理，铜厚为 600 μm 如图 3B 所示，铜层覆盖均匀且附着力较强。

图3 玻璃基板表面（A）前处理后（B）真空溅射镀铜后

3.4 不同基材对附着力的影响

玻璃基板表面光滑如图 A 所示，化学铜无法附着在基材表面，经过化学处理后的玻璃基板如图 B 所示，表面出现大量不规则沟壑结构，进行化学沉铜后如图 C 所示，化学铜覆盖不完全，同时存在脱落现象，无法进入后续流程。

图4 玻璃表面（A）化学处理前（B）化学处理后（C）玻璃沉铜后

将三种基材均电镀 20 μm，其 5A 为 ABF 基材，5B 为 NBF 基材，5C 为玻璃基板，当基材为 ABF 时，其初始粗糙度 Ra 为 0.020 μm，经过膨松、除胶后其粗糙度 Ra 为 0.103μm，平均附着力为 3.68 N/cm。当基材为 NBF 时，其初始粗糙度 Ra 为 0.086 μm，经过膨松、除胶后其粗糙度 Ra 为 0.385 μm，平均附着力为 5.68 N/cm，当基材为玻璃基材时，平均附着力为 7.68 N/cm。

由此结果表明同等条件下，NBF 材料对比 ABF 作为基材更有利于提高铜层附着力，但均弱于玻璃基板溅射铜方案。

图5 电镀后基板表面（A）ABF 基材（B）NBF 基材（C）玻璃基材

4 结论

玻璃基板表面贴合 ABF 和 NBF 材料可有效提高其与铜层之间附着力，其稳定性和附着力均低于溅射铜方案，而且 ABF 和 NBF 材料的使用成本较低，可作为下一代高性能产品对玻璃基封装基板技术的应用方案，同时开发新型的配套药水，提高其稳定性和附着力，为后续玻璃电镀批量应用打下了良好基础。

来源：第十八届中国高端 SMT 学术会议论文集

用于下一代电子电路互联的玻璃基板沉铜工艺研究，刘钢等

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