高多層厚銅大尺寸背板的制作

張長明 唐成華 黃克強 周大偉

（深圳市博敏電子有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

地鐵、動車所使用的大功率電路板，集成了控制線路及大電流的需求，要求在不同惡劣天氣環(huán)境下測試電氣性能不失效，可靠性要求高，這類高多層厚銅背板具有較高的技術要求。其主要用于多功能性PCB，滿足大電流、大功率及控制線路高度集成的需求，要求耐高壓、耐老化、耐熱性能好，惡劣天氣條件下不會導致電氣性能失效。高多層厚銅板達到30層的比較少，30層背板涉及到層間對位精度、壓合填膠困難、板面平整度差、鉆孔披鋒及孔粗等問題，加工難度大。本文介紹的30層厚銅板，內外層銅厚均為70 μm（2 oz），且有大面積無銅區(qū)集中疊加。生產過程中易發(fā)生層間對準度差、缺膠分層[1]、層壓后表面平整度差、鉆孔拉扯內層銅等制程異常，本文就易發(fā)生的異常做分析及改善，為類似產品后續(xù)生產提供技術支持。

1 產品解析

高多層背板層數(shù)30層，用于地鐵控制器的項目，產品特性見表1，層壓疊構圖見圖1。

制作難點匯總：（1）各層間圖形對準精度，30層板的各層間對準度是制作難點之一；（2）疊層較高：總計30層；各層銅箔厚度均為70 μm（2 oz），各內層空曠區(qū)相對應，增加填膠難度，1.96 μm的填膠效果及板厚R值的控制；（3）鉆孔品質：累加鉆孔銅厚達到1.8 mm，鉆孔的扯銅皮、孔壁粗糙度、釘頭管控；（4）板厚總厚度5.64 mm～6.5 mm的外層流程設計。

表1 產品特性

圖1 高多層背板的層壓疊構圖

2 過程難點解決方案

2.1 內層圖形精度

從高多層背板的層壓疊構圖觀察，該產品最外面芯板0.1 mm，薄于內層各芯板。圖形轉移采用LDI（激光直接成像）生產，可以排除菲林底片的尺寸穩(wěn)定性影響，采用常規(guī)內層芯板放大系數(shù)X+5/萬，Y+3/萬，層壓后照X-RAY查看4個角的偏位情況，壓合后偏位情況最外層整體內縮嚴重，約收縮0.2 mm（見圖2）。原因分析為最外層芯板較薄且受熱程度高，導致最外面層整體內縮，只鉚合未熔合導致偏位明顯。改善措施通過測量調整放大系數(shù)靠近最外層薄芯板比其它芯板加大X+2/萬，Y+1/萬，以先熔合再鉚合的方式，達到重合度要求≤0.075 mm，調整最外層系數(shù)后層壓切片圖片（見圖3）。

圖2 調整漲縮前后層壓切片

2.2 壓合可靠性

該板內層銅厚70 μm（2 oz），且有大面積無銅區(qū)域疊加，壓合結構設計、半固化片材料選擇、排版的緩沖材料等需特別考量。易導致填膠不飽滿，失壓分層問題。

3.2.1 壓合結構設計

從層壓疊構該板內外層均為70 μm（2 oz），Gerber文件顯示各層間無銅區(qū)域較集中疊加。該類型的壓合結構需充分考慮無銅區(qū)填膠、壓力的均勻性?？偘搴褚?.17 mm，絕緣層厚度無要求,經腳本計算需設計絕緣層厚度≥0.17 mm，設計3張106（RC74%）高膠半固化片來滿足填膠，實驗結果有大面積基材區(qū)塌陷現(xiàn)象，改用中間一張1080PP（RC65%）+兩張106PP（RC74%）的搭配改善基材區(qū)凹陷。

設計一次壓合流程雖然可以提高層間對準度，但壓力的傳導不均易導致失壓缺膠及發(fā)生無銅區(qū)域疊加后表面平整度差的問題。改善措施為分次壓合，第一次壓合拆解為3個10層板的子板壓合，保證壓合填膠沒有難度，第二次壓合再把3個10層板壓合成一起，適當加厚中間半固化片層，改變壓合排板的緩沖材料，優(yōu)化壓合參數(shù)，保證填膠飽滿且板厚均勻性較高。

2.2.2 壓合實驗設計

對于高多層背板在層壓過程中易發(fā)生缺膠、分層問題，采用多種層壓實驗方案和多種壓合程式做正交實驗全因子實驗設計，以找到最佳的壓合方法。

（1）實驗方案配置見表2所示。

（2）壓合程式見圖3所示。

（3）實驗方案與程式的因子與水平見表3所示。

（4）做正交實驗全因子實驗設計并各壓3PNL確認是否有缺膠問題，見圖4所示。

表2 4種實驗方案配置

圖3 3種壓合程式

表4 實驗因子及水平

（5）各方案與程式測試結果的主效應及交互作用，見圖5所示。

圖4 全因子設計及實驗結果

圖5 層壓缺膠效應

實驗結果：在試壓方案中以加硅膠和加硅膠+鋁片效果較佳與不同程式的程式3搭配后未現(xiàn)缺膠不良，水平因子較少無交互作用。進一步分析加硅膠搭配程式3、加硅膠+鋁片搭配程式3的板面R值發(fā)現(xiàn)，只加硅膠板面R值較大，不符合品質要求，而加硅膠+鋁片搭配程式3的板面R值雖符合品質要求，但還是較大，觀察板面平整度可見不平整現(xiàn)象。對比三種程試的升溫速率分別為1.578℃/min、2.307℃/min、3.272℃/min，如圖6不同程式的料溫曲線，較高的升溫速率對壓合缸膠的改善比較明顯。

2.3 鉆孔的孔壁質量

30層銅厚疊加，銅厚約1.8 mm，在使用正常厚銅板鉆孔參數(shù)有扯內層銅皮問題，厚銅板鉆孔參數(shù)表（見表4），扯銅皮不良圖片（見圖7）。

進刀速（F）：每分鐘鉆頭鉆進材料的深度。鉆頭之所以能刺進材料中心須要退出相同體積的鉆屑。其表示的方法是以鉆頭每旋轉一周后所能進的數(shù)值（mm/R）。旋轉速（S）：每分鐘鉆頭所旋轉圈數(shù)。

當進刀速度恒定，旋轉速度越大，則排屑量會變小。排屑量越小，表示鉆頭與孔壁摩擦時間越長，鉆頭摩擦越大，孔壁溫度越高，不利于鉆孔品質。當旋轉速度恒定，進刀速度越大，則排屑量越大，表示鉆頭與孔壁摩擦時間越短，鉆頭摩擦越小，孔壁溫度越低，有利于鉆孔品質[2]。但F過大，易發(fā)生斷刀。針對扯銅皮問題，做四個方面改善：

（1）增加預鉆孔，預鉆孔比正常下鉆孔徑≤0.7 mm，預鉆孔與第二次鉆孔參數(shù)（見表7）；

（2）常規(guī)設計內層為實心銅Pad，為減小排屑量，改為空心銅Pad，以減小鉆銅量與排銅量；

圖6 不同程式的料溫曲線

表4 厚銅板鉆孔參數(shù)

圖7 扯銅皮

表5 預鉆孔與第二次鉆孔參數(shù)

（3）分步鉆；分一至四步鉆孔，每次排少量的鉆屑，減少扯銅皮發(fā)生的可能性；

（4）鉆孔時銅厚太厚，排屑量小于切削量產生扯銅皮問題，調整后兩次鉆孔的相應參數(shù)設計。

以調整的鉆孔參數(shù)對應各設定因子內層銅實心Pad/空心Pad、預鉆/不加預鉆、分一至四步鉆孔，三種因子做不同水平配置（表8）。

做正交實驗全因子實驗設計并切片20孔確認扯銅皮數(shù)量（見表9）。

實驗結果：各項水平因子皆有影響，以內層實心銅Pad與空心銅Pad影響較大，其次為分步鉆，是否加預鉆與分步鉆有輕微的交互作用，其它無交互作用，選擇最合理的參數(shù)為加預鉆+空心銅Pad +分2步預鉆，分步更多只是一種成本浪費，未再起到改善的作用，各項實驗的孔壁粗糙度和釘頭皆符合品質要求。

表6 實驗因子及水平

圖8 全因子設計及實驗結果

圖9 扯銅皮效應

2.4 PTH可靠性及外層流程

30層厚銅板中的流程策劃，關鍵是外層流程的策劃，外層流程通常分為正片流程和負片流程。正片流程即板電鍍薄銅5～10 μm，用來加厚化銅層不被咬蝕，以干膜或濕膜形成電鍍阻劑，圖形鍍銅完成成品銅厚要求，以錫層做為抗蝕層，用堿性蝕刻的方式進行腐蝕。負片流程也稱為遮孔（Tenting）流程，即在整板電鍍時完成成品需也是不錯的選擇。外層壓膜輪的常規(guī)貼膜板厚≤2.5 mm，如果貼膜板過厚，會對壓膜輪造成損傷，再生產薄板時易出現(xiàn)滲鍍、甩膜問題。故超過2.5 mm板厚的板，外層多用濕膜生產。濕膜涂布較薄，厚度不超過15 μm，而圖形電鍍銅錫的厚度之和常規(guī)在25 μm左右，圖形鍍銅厚度+圖形鍍銅厚度如超過濕膜厚度，沒有濕膜做為屏障，鍍層向外延伸，形成蘑菇狀對細密線路會形成夾膜。故濕膜板應該在板電做加厚，完成銅厚要求的70%左右，留一點做圖形電鍍銅7～12 μm，做到防止甩銅。

2.5 可靠性試驗

可靠性試驗結果見表7所示。要的銅厚，以干膜光阻保護銅面直接蝕刻，用酸性蝕刻的方式進行蝕刻?？谆暗某z，需要注意，過一次除膠，除膠速率又未得到更好的管控，易出現(xiàn)熱應力后孔壁分離，特別是厚板大孔徑尤為突出。化學除膠之前做20～30 min的等離子除膠（CF4+O2）再做化學除膠、沉銅、沉銅后烤板120℃、60 min，最后再整板電鍍，可改善熱應力后孔壁分離問題。單從板厚而論，隨著背板的增多，很多水平線設備設計齒輪間距、刷磨輪間隙可滿足板厚9.0 mm正常傳送，過板厚6.0 mm的板皆符合設備能力，但此背板由于疊加銅厚太厚導致整板極差較大，已不適合陶瓷、不織布甚至尼龍等機械磨刷。除了鋼層切削能力不一樣，高多層背板表面平整度差，凹陷位置磨刷效果差，對正片而言產生滲鍍、甩膜，負片則為開路、缺口，水平線選擇物理方法以火山灰、金剛砂為前處理較為適當，當然鍍層無粗糙、顆粒，用化學的方法以中粗化、超粗化等微蝕藥水做前處理，

表7 可靠性試驗結果

3 總結

以上重點闡述了高多層厚銅大尺寸背板的難點工序，通過對內層系數(shù)放大系數(shù)調整，熔合加鉚合方式改善層間對準度；試驗不同緩沖材料的壓合方案得出最佳的壓合參數(shù)；內層掏銅成空心，鉆孔分步鉆，加預鉆孔，改善鉆孔孔粗及拉扯銅皮；PTH除膠使用等離子+化學除膠方式，沉銅烤板再電鍍，改善大孔熱沖擊分離的現(xiàn)象。各項可靠性均滿足產品要求，為類似產品生產提供技術支持。