高頻高速PCB多模塊子板埋置工藝研究

紀(jì)成光 吳泓宇 肖 璐

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

同一系統(tǒng)中一般存在多種等級的電信號，包含普通信號、高頻信號、高速信號等。局部混壓高頻高速PCB技術(shù)不僅能在滿足高頻高速信號傳輸?shù)蛽p耗的情況下大幅降低材料成本、加工難度，還能在一定程度上提高PCB可靠性，并且組合多變的混壓結(jié)構(gòu)，成為了同系統(tǒng)中不同等級信號分級傳輸?shù)耐昝澜鉀Q方案[1]。但傳統(tǒng)局部混壓工藝由于其制造工藝的限制，暫未實(shí)現(xiàn)內(nèi)層不同等級模塊間的互連，且對線路布局有限制。目前該工藝的實(shí)現(xiàn)可查閱的文獻(xiàn)有交界處壓合導(dǎo)電膠的專利，但該方法實(shí)現(xiàn)難度大，在交界處布置十分密集的線路易產(chǎn)生短路[2]。本文主要研究使用通埋子板的方式實(shí)現(xiàn)局部混壓且模塊間內(nèi)層互連，以及探究雙面對稱嵌子板、內(nèi)埋子板結(jié)構(gòu)的可行性、平整度、可靠性交界處線寬制作能力等。為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的多模塊局部混壓結(jié)構(gòu)以及任意層、任意模塊間互聯(lián)導(dǎo)通結(jié)構(gòu)提供工藝基礎(chǔ)[3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 方案簡述

多模塊混壓內(nèi)層導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)主要流程如圖1所示：（1）兩張以上芯板、一張以上的粘結(jié)片開槽，埋入其他模塊子板；（2）排板壓合后陶瓷磨板磨去交界處溢出的多余樹脂；（3）化學(xué)沉銅后板面電鍍加厚銅；（4）將作為內(nèi)層的一面蝕刻出圖形后壓合至內(nèi)層。

圖1 內(nèi)層模塊間導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)方法

1.2 試板與流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)試板為10層普通FR4材料與高頻高速基材混壓板，F(xiàn)R-4材料選用高Tg普通環(huán)氧樹脂玻璃體系材料，Tg大于280 ℃，簡稱材料A；高頻高速材料選用碳?xì)浠衔?陶瓷體系材料，介電常數(shù)3.66，2.5 GHz損耗因子0.0031，簡稱材料B。疊層設(shè)計(jì)、內(nèi)層導(dǎo)通處如圖2所示。L1-4、L7-10為對稱的嵌入B子板的內(nèi)層導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，L5-6為B子板內(nèi)埋結(jié)構(gòu)（如圖2）。

圖2 10層實(shí)驗(yàn)板疊層結(jié)構(gòu)

制作全流程如下：（1）AB材料所有層芯板流程圖形制作→A芯板銑槽、B芯板銑成小塊子板；（2）L2-3、L8-9 A材料粘結(jié)片銑槽→L1/4、L7/10壓合（埋入B1子板）→磨板→沉銅電鍍→內(nèi)層圖形制作；（3）L1-10壓合（L5-6內(nèi)埋B2子板）→沉銅電鍍→外層圖形制作→成品。關(guān)鍵流程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于（見表1）。

2 分析與討論

2.1 子板層間對準(zhǔn)度

在埋入子板區(qū)域與板邊四角分別設(shè)計(jì)層間對準(zhǔn)度測試附連板，制作至成品后分別測試不同批次下的雙面嵌子板、內(nèi)埋子板、板邊區(qū)域的層偏最大值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如圖3所示。TCFA意為圖形拉伸系數(shù)首板試驗(yàn)，即制作芯板壓合首板收集實(shí)際圖形拉伸系數(shù)最終確定更匹配該P(yáng)CB圖形拉伸系數(shù)（如圖3）。

雙面嵌子板整體對準(zhǔn)度在TCFA前后提升19.05 μm，提升幅度23%。但對內(nèi)埋子板對準(zhǔn)度能力無明顯提升效果。雙面嵌子板0.075 mm、0.10 mm、0.125 mm、0.15 mm開槽單邊補(bǔ)償?shù)淖影逭w對準(zhǔn)度均值分別為0.075 mm、0.158 mm、0.062 mm、0.064 mm，極差0.017 mm，對準(zhǔn)度與補(bǔ)償大小并無明顯線性規(guī)律。而內(nèi)埋子板對準(zhǔn)度與芯板開槽補(bǔ)償有明顯線性規(guī)律，對準(zhǔn)度能力約等于芯板開槽補(bǔ)償大小加銑機(jī)加工公差0.050 mm。相比內(nèi)埋子板，雙面嵌子板的對準(zhǔn)度規(guī)律與板邊對準(zhǔn)度均值對齊性較高。

上述現(xiàn)象的主要因?yàn)殡p面嵌子板在埋入前未制作圖形，壓合與對應(yīng)層次的芯板一同制作圖形，雙面嵌子板的圖形與芯板圖形有較高的一致性，對準(zhǔn)度水平相當(dāng)，且不會(huì)受到開槽補(bǔ)償大小的影響，而是與圖形制作時(shí)的漲縮直接相關(guān)，因此TCFA對其對準(zhǔn)度的提升明顯。而內(nèi)埋子板為先制作子板上的圖形后埋入壓合，對準(zhǔn)度受到芯板開槽大小的影響比較明顯，芯板開槽單邊補(bǔ)償0.075 mm、0.10 mm、0.125 mm，對準(zhǔn)度能力均值分別為0.12 mm、0.14 mm、0.18 mm。但其對準(zhǔn)度與芯板圖形的漲縮是否匹配關(guān)系較小，TCFA對齊對準(zhǔn)度能力幾乎無提升。

表1 關(guān)鍵流程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖3 子板層間對準(zhǔn)度結(jié)果

在內(nèi)埋子板排板與壓合的過程中，容易產(chǎn)生滑板層錯(cuò)的現(xiàn)象，即因子板太薄，外力作用下滑出槽孔，滑入上下層間，在壓后產(chǎn)生明顯的板面鼓起。使用鉚釘鉚合預(yù)排與PIN對位排板的層錯(cuò)出現(xiàn)概率分別為16.7%和0，由此可見PIN對位排板減少了子板埋入后的搬運(yùn)過程以及其他外力的作用，最大程度杜絕了內(nèi)埋子板層錯(cuò)的發(fā)生。

2.2 交界處平整度

通過A粘結(jié)片理論厚度及芯板殘銅率計(jì)算A粘結(jié)片的理論壓合后厚度，通過A材料區(qū)疊層信息計(jì)算A材料區(qū)理論厚度，制作切片觀察測量實(shí)際雙面嵌B子板的A、B材料區(qū)域壓后實(shí)際厚度，平整度分析模型（如圖4、見表2和圖5）。

圖4 平整度分析示意圖

由圖5中的流膠量可知：2116_RC54%×2＞ 3313_RC56%×2＞1080_RC64%×2＞2116_RC54% ×1；相對交界的流膠趨勢：2116（54）×2向子板內(nèi)，3313（56）×2分布均勻，1080（64）×2向子板外，2116（54）×1向子板外。由表中的平整度數(shù)據(jù)可知2116_RC54%×2理論厚度與實(shí)際厚度相當(dāng)，其余三種方案實(shí)際厚度均高于理論厚度，其中1080_RC64%×2與2116_RC54%×1實(shí)際高于理論厚度約50 μm，而3313_RC56%×2僅高于理論厚度25 μm且與B子板厚度相當(dāng)。

表2 平整度分析結(jié)果

圖5 各粘結(jié)片方案流膠情況

由此可推論：（1）當(dāng)A芯板區(qū)理論厚度＞B子板厚度，A芯板區(qū)板材受壓，實(shí)現(xiàn)理論壓后厚度且表面流膠量大，而B子板厚度相對固定，則A芯板區(qū)實(shí)際厚度≈A芯板區(qū)理論厚度＞B子板厚度，A芯板區(qū)界面偏高，如方案1所示；（2）當(dāng)B子板厚度-50 μm≤A芯板區(qū)理論厚度≤B子板厚度，A芯板區(qū)區(qū)域輕微失壓或不失壓，約50 μm以內(nèi)的高度落差在雙粘結(jié)片的調(diào)節(jié)能力之內(nèi)，A芯板區(qū)實(shí)際厚度≈B子板厚度，界面平整度較好，如方案2所示；（3）當(dāng)A芯板區(qū)理論厚度＜B子板厚度-50 μm，B子板受壓，A芯板區(qū)區(qū)失壓，但高度落差超過粘結(jié)片調(diào)節(jié)能力，因此A芯板區(qū)理論厚度＜A芯板區(qū)實(shí)際厚度＜B子板厚度，B界面偏高，如方案3、4所示。因此該通埋子板結(jié)構(gòu)在疊層設(shè)計(jì)時(shí)，混壓區(qū)A芯板區(qū)的理論厚度應(yīng)較通埋子板理論厚度少0～50 μm為宜，給予A芯板區(qū)粘結(jié)片調(diào)整自身板材區(qū)域厚度的空間，且盡量使用多張粘結(jié)片壓合，避免填膠空洞導(dǎo)致子板脫落的情況。

2.3 交界處線路制作

內(nèi)層制作圖形后在末端的Pad處測試線路的通斷情況，每種線寬測試96組，分垂直于傾斜45°跨越交界處，制作良率（如圖6）。

當(dāng)交界處線寬制作由50 μm（2 mil）提升良率也呈正比上升，當(dāng)線寬在125 μm（5 mil）以上時(shí)良率在100%。實(shí)驗(yàn)中線路設(shè)計(jì)垂直跨過交界的內(nèi)層導(dǎo)通線以及傾斜45°跨越交界處兩種。垂直走線與傾斜走線的良率分別為98.2%和92.1%，良率存在差距，垂直走線的良率更高，主要原因?yàn)樵诰€路跨過交界處的過程中，因?yàn)榻唤缣巸H有沉銅電鍍的銅厚，線寬會(huì)變細(xì)，原料芯板底銅18 μm（0.5 oz）時(shí)，線寬變細(xì)約18 μm～25 μm，垂直走線可盡可能縮減線路變細(xì)的距離。交界導(dǎo)通線制作良率除了受線路設(shè)計(jì)，干膜、曝光、蝕刻等圖形制作流程影響外，也受平整度影響，平整度較差時(shí)導(dǎo)致交界兩邊基材平面錯(cuò)位，交界周圍殘膠難除，影響線路制作。

2.4 剝離強(qiáng)度

制作寬度為2.54 mm的銅條橫跨交界線，用于測試導(dǎo)體剝離強(qiáng)度，如圖7所示。測試設(shè)備使用剝離強(qiáng)度測試儀，由B向A材料剝離，剝離速度調(diào)整至盡可能低，在B與A材料區(qū)取數(shù)值穩(wěn)定后的均值，在交界區(qū)剝離強(qiáng)度取經(jīng)過交界過程的數(shù)據(jù)的最小值。

圖6 跨交界處線路制作良率與表觀圖匯總

圖7 剝離強(qiáng)度測試方法

實(shí)驗(yàn)除正常制作與測試組外，2組對照組分別為化學(xué)銅（離子鈀體系）前進(jìn)行等離子體粗化處理，以及正常制作樣品的260 ℃峰溫回流3次后的測試結(jié)果，數(shù)據(jù)（如表3）。

實(shí)驗(yàn)中常規(guī)流程制作的B與A材料上的導(dǎo)體剝離強(qiáng)度屬于該板材正常水平。在化學(xué)銅之前的進(jìn)行等離子處理，結(jié)果中A材料與B表面剝離強(qiáng)度變化較小，交界處的剝離強(qiáng)度提升24%,證明增加交界處化學(xué)銅與樹脂接觸的表面積?；亓骱负蟾鲄^(qū)域剝離強(qiáng)度均有下降，B子板下降幅度大。

2.5 耐熱可靠性

測試條件：（1）熱應(yīng)力測試無鉛漂錫：（288±5）℃，10～1s，3次；（2）無鉛回流焊測試：217 ℃以上120～150s，峰溫（260±5） ℃，255 ℃以上20～30s，5次。測試對象：雙面嵌子板與內(nèi)埋子板的混壓交界處以及多種規(guī)格的BGA密集孔區(qū)域，耐熱可靠性測試結(jié)果（如圖8～圖9）。

由圖8可知雙面嵌子板結(jié)構(gòu)的混壓交界處僅0.25 mm孔徑、0.55 mm Pitch 密集孔陣在A材料的7038的粘結(jié)片層在回流漂錫后均出現(xiàn)了玻纖分層開裂的情況，主要原因?yàn)?038粘結(jié)片樹脂含量較小，玻纖層較厚，樹脂浸潤性較差，該規(guī)格耐可靠性能力普遍相對較低，BGA制作能力在0.65 mm以上Pitch的密集孔陣。由于該分層現(xiàn)象與雙面埋子板的可靠性關(guān)聯(lián)較小，在BGA的混壓交界面均無分層，可認(rèn)為雙面嵌埋子板的耐熱可靠性符合要求。

表3 剝離強(qiáng)度測試結(jié)果（單位：lb/in）

圖8 雙面嵌B1子板可靠性測試結(jié)果

圖9 內(nèi)埋B2子板可靠性測試結(jié)果

由圖9測試結(jié)果可知無分層起泡的現(xiàn)象，說明內(nèi)埋混壓結(jié)構(gòu)以及板材耐熱可靠性符合要求。

3 結(jié)論

雙面嵌子板結(jié)構(gòu)下的模塊間內(nèi)層導(dǎo)通工藝以及內(nèi)埋子板工藝設(shè)計(jì)具備實(shí)際產(chǎn)品可行性。滿足高頻高速PCB的導(dǎo)體剝離強(qiáng)度要求，交界處導(dǎo)體剝離強(qiáng)度為0.31 N/mm，化學(xué)銅前等離子體清洗可一定程度提升交界導(dǎo)體結(jié)合力；跨交界處線路制作良率50 μm線寬在90.2%以上，線寬增加良率也提高，能力滿足要求；雙面嵌與內(nèi)埋子板的混壓結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力測試與回流測試均符合要求。

雙面嵌子板結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)度能力提升的主要途徑為漲縮系數(shù)匹配試驗(yàn)，對準(zhǔn)度能力與整板水平相當(dāng)，與開槽尺寸設(shè)計(jì)無關(guān)。內(nèi)埋子板對準(zhǔn)度提升主要途徑為減小開槽大小，與整板對準(zhǔn)度能力無關(guān)，使用PIN對位排板壓合以及子板厚度≥0.5 mm可降低層錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)；為保證雙面嵌子板的壓合平整度與填膠量，局部混壓嵌子板的芯板區(qū)理論厚度設(shè)計(jì)應(yīng)較埋子板理論厚度少0～50 μm為宜，這樣可獲得較好的埋入界面平整度，并保證模塊間連通線路具有較高的制作能力。