高頻階梯槽的制作研究

吳 輝 董浩彬 劉 攀

（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

1 前言

隨著電子產品技術的發(fā)展和多功能化需求，為提高產品性能、產品組裝密度、減少產品體積和重量，PCB的設計也日新月異。同時為了加大散熱面積和加強表面元件器的安全性，滿足通訊產品高速、高信息量的需求，需設計凹陷階梯區(qū)固定元器件，階梯槽設計應運而生。

同時隨著電子、通訊產業(yè)的飛速發(fā)展，高頻、RF設計越來越廣泛，PCB上越來越多的運用到高頻材料來滿足信號傳輸的要求。為了滿足客戶對信號完整性以及信號接收與屏蔽匹配性等要求，在PCB設計上經常涉及高頻盲槽，來滿足信號傳輸速度和靈敏度。目前業(yè)界對于階梯槽的制作，通常采用Low-flow半固化片壓合+控深銑開蓋工藝或內層開槽填充硅膠等緩沖材料工藝生產。然而采用常規(guī)工藝制作高頻盲槽卻存在許多問題，如偏位、流膠、板損等。本文就采用常規(guī)工藝制作高頻階梯槽過程中出現的問題為切入點，主要介紹激光工藝制作階梯槽，對高頻階梯槽的設計可實現性進行研究。

2 常規(guī)制作階梯槽工藝

目前階梯槽制作工藝，常規(guī)采用Low-flow PP低流動半固化片壓合+控深銑開蓋工藝或內層填充硅膠等緩沖材料的工藝生產。以下僅列出階梯槽工藝相關流程：

圖1 階梯槽制作常規(guī)流程

根據以上工藝流程特點，可以看出，此種階梯板制作工藝重點管控制成較多，操作流程復雜。采用上述工藝制作高頻階梯槽，存在以下問題點。

2.1 偏位

階梯槽制作，芯板先開槽后壓合，制作過程中存在偏位風險。對其影響流程有內層芯板預防，芯板開槽、半固化片開槽、層壓壓合等。如圖2所示，當層壓后，階梯槽出現偏位，階梯槽大小變形，客戶無法固定元器件，影響裝載性能。

圖2 階梯槽偏位示意圖

2.2 流膠

常規(guī)制作，半固化片開窗比槽大0.5 mm。高頻階梯槽制作中半固化片開窗大0.5 mm，流膠嚴重，如圖3所示，槽底溢滿流膠。高頻階梯槽半固化片開窗比槽大1.0 mm，如圖4所示，流膠量減少，但可以看出，開窗區(qū)域明顯發(fā)生凹陷，槽邊的芯板與芯板間已無介質層，相互接觸導通，影響品質。由此，可知，相應繼續(xù)開大窗，膠也會被擠出流入槽內，

圖3 階梯槽半固化片開大0.5mm層壓切片圖

圖4 階梯槽半固化片開大1.0mm層壓切片圖

并且可能出現缺膠、變形等品質缺陷。

2.3 板材破損

隨著PCB板小型化發(fā)展，板材厚度、階梯槽深度也趨向小型化，板材也越變越薄，槽也越變越淺。采用常規(guī)工藝制作階梯槽，層壓后開窗區(qū)板面易產生凹陷（圖5、圖6），影響后續(xù)流程控制，甚至開窗區(qū)破裂。常規(guī)采用PE+離型膜方式復型，但效果不明顯。

圖5 階梯槽層壓示意圖

圖6 階梯槽凹陷示意圖

本文針對常規(guī)制作工藝問題點，對高頻階梯槽的設計進行優(yōu)化，采用激光工藝制作階梯槽，實現對高頻階梯槽的設計。

3 激光制作高頻階梯槽工藝

3.1 難點分析

常規(guī)工藝制作高頻階梯槽主要出現偏位、流膠、板損問題。

3.1.1 板損

主要由于層壓開窗，存在高度差，導致板材受損，常規(guī)使用復型材料復型，但開窗面積大，加上芯板越來越來薄，效果不是很明顯。所以針對板損問題是否可以不開窗制作高頻階梯槽。通過調研，目前采用CO2激光制作HDI盲孔，對此可以采用CO2激光鉆孔方式制作盲槽。但采用HDI參數制作盲孔很容易傷害槽底銅。對此，設計槽位置蝕刻成光板（如圖7），采用除膠低能量鉆槽，保證不傷害槽底銅面。

圖7 芯板槽區(qū)域蝕刻圖形

3.1.2 流膠

常規(guī)使用半固化片都是Low-flow，且開窗比槽大0.5 mm，致使流膠問題得意解決。但使用高頻材料制作階梯槽時，半固化片含有一定膠，通過開窗無法解決流膠問題。對此只能后續(xù)采用激光除膠解決流膠問題。

3.1.3 偏位

由于經過前工序流程，常規(guī)制作工藝很容易層壓后偏位，造成元器件固定不良。而采用激光制作，可以解決槽壁由于偏位造成的凹凸不平。

綜上，高頻階梯槽制作，芯板不開窗直接壓合，槽位置銅蝕刻成光板，采用激光鉆孔制作。然而采用鉆孔方式制作槽，對于槽內孔的排列方式、激光能量設定尤為重要。排列方式關系到孔的密集程度，孔越密，對應的位置能量越大，當能量超過半固化片承受能力時，很容易燒焦槽壁，致使后續(xù)品質問題。而激光能量直接影響到槽的深度，同時當激光能量過大，很可能擊穿槽底銅面。所以槽內激光孔排列方式、激光能量是激光制作的兩個難點，以下對兩種因素進行探討。

3.1.4 槽內激光孔排列方式驗證

采用高頻材料Ro4350B驗證槽內排孔情況，制作4 mm×2 mm盲槽，常規(guī)激光孔0.1 mm，槽設置0.1 mm激光孔排列鋪滿（圖8），兩孔孔心最大0.0675 mm鋪滿無縫隙。在鋪滿情況下，設計不同孔密集度。

圖8 槽內激光孔排布

激光鉆孔結果：通過上述驗證，在相同條件下，孔數多到一定程度，燒蝕槽壁，如表1圖中3所示。所以激光孔密集度影響高頻階梯槽質量。建議后續(xù)孔密集度不能超過1040個/mm2。

表1 孔密集度設計

3.1.5 激光能量驗證

采用常規(guī)能量制作盲槽，當槽越來越深，激光能量越來越大。當激光能量大到一定程度時，很容易燒蝕槽壁（如圖9），影響后續(xù)制作品質，所以對激光能量最大值進行驗證。

圖9 燒蝕圖片

設計槽深1.5 mm的高頻階梯槽，加大激光能量制作，設計如表2。

表2 激光參數設定

當能量為18 mJ時，槽壁很容易被燒蝕，如上圖9所示。當槽壁被燒蝕，嚴重影響品質，后續(xù)難以化學沉銅，同時也不美觀。綜上，對于能量超過18 mJ制作的槽時，改用小能量多次激光鉆孔。

綜上，對于槽內激光孔，采用0.1 mm孔徑，兩孔孔心間距不能超過0.0675 mm，密集度不能超過1040個/mm2。當激光能量超過18 mJ時，改用多次激光鉆孔制作。

3.2 方案設計

3.2.1 流程設計

圖10 流程設計

（1）芯板制作：對于盲槽區(qū)域，蝕刻掉銅，對后續(xù)激光鉆孔可以采用除膠能量制作，減少傷害槽底銅面影響。

（2）壓合：正常參數壓合，不能復型材料，減小必要麻煩及成本

（3）外層線路：主要蝕刻外層槽區(qū)域銅皮，對后續(xù)激光鉆孔可以采用除膠能量制作。對于金屬化及非金屬化槽，此流程需特別注意。金屬化槽，則沉銅前需激光鉆出盲槽，則此流程安排在沉銅前。對于非金屬化槽，則沉銅后激光鉆出盲槽，則此流程安排在沉銅后，也就是板鍍后制作。

（4）激光鉆槽：首板制作，確定激光能量。

3.2.2 文件設計

文件設計主要為盲槽區(qū)域線路設計及盲槽激光孔排布。

（1）盲槽區(qū)域線路設計

考慮采用HDI盲孔激光鉆孔容易傷害底銅。所以建議采用小能量制作，剛好除去樹脂及玻纖，而不損害銅面。所以對于槽區(qū)域銅皮蝕刻，漏出基材。內層盲槽區(qū)直接干膜蝕刻掉銅皮，外層盲槽區(qū)層壓以后根據客戶設計槽內金屬化要求安排干膜蝕刻外層銅皮，如圖11、圖12。

圖11 內層盲槽區(qū)線路設計

圖12 外層層盲槽區(qū)線路設計

（2）槽內激光孔排布設計

采用0.1 mm孔，緊密排布，兩孔孔心間距最大0.0675 mm，不能超過此間距，否則出現空隙。同時孔密集度不能超過1040個/mm2，如圖13。

圖13 槽內激光孔排布

3.3 成品清洗

經過上述設計、優(yōu)化采生產高頻階梯槽，可以避免偏位、流膠、板損帶來的干擾。激光鉆孔后，過等離子除膠+酸洗+噴砂，階梯區(qū)銅面潔凈有光澤，槽壁無燒蝕情況，整個階梯槽平整，如圖14。

圖14 成品圖片

3.4 可靠性測試

激光鉆槽后，對成品進行可靠性測試，如表3。

表3 可靠性測試結果

4 總結

本文通過常規(guī)盲槽板制作工藝分析，對常規(guī)工藝制作高頻盲槽板出現的偏位、流膠、板損問題為切入點。通過設計、流程優(yōu)化，得到高頻階梯槽，實現了高頻階梯槽的加工的可實現性。通過上述制作，得到以下結論：

（1）采用上述激光工藝制作高頻階梯槽，可以解決常規(guī)工藝帶來的流膠、板損等缺陷。

（2）層壓前芯板不開窗，對于層壓可以采用常規(guī)參數制作，無需復型材料，減少成本制作。

（3）使用激光鉆孔制作，階梯槽區(qū)域蝕刻掉銅皮，采用低能量參數制作，減小激光對槽底銅皮影響，能量不能超過18 mJ，對于超過此能量高頻階梯槽，采用低能量多次激光鉆孔制作。

（4）槽內激光孔排布，采用0.1 mm激光孔，孔心間距不能超過0.0675 mm，孔密集程度不能超過1040個/mm2。

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