剛撓結(jié)合板純膠層過(guò)孔制作凹蝕的改善

孫志鵬 楊先衛(wèi) 黃金枝

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 516008）

1 背景說(shuō)明

隨著電子技術(shù)向多功能化、小型化、輕量化的發(fā)展，剛撓結(jié)合印制電路板（R-FPCB，俗稱軟硬結(jié)合板）的產(chǎn)品應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著產(chǎn)品功能的日趨完善，R-FPCB設(shè)計(jì)層數(shù)越來(lái)越多，多層軟板設(shè)計(jì)應(yīng)用已經(jīng)在越來(lái)越多的軟硬結(jié)合產(chǎn)品上體現(xiàn)，由于軟板材料在制作過(guò)程的不耐堿性攻擊的特殊屬性，多層壓合的軟板在過(guò)孔制作時(shí)純膠層咬蝕不良一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

目前所生產(chǎn)的多款R-FPCB產(chǎn)品，由于設(shè)計(jì)為多層撓性板，在電鍍制作過(guò)程中由于除膠咬蝕過(guò)大，導(dǎo)致上銅出現(xiàn)斷裂，使制作風(fēng)險(xiǎn)加大，給產(chǎn)品帶來(lái)可靠性制作隱患。本文主要從廠內(nèi)制作流程上出發(fā)，特針對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行改善研究。

2 原因分析

2.1 制作產(chǎn)品報(bào)廢分析

近期制作中純膠咬蝕過(guò)度導(dǎo)致報(bào)廢產(chǎn)品見(jiàn)圖1。制作時(shí)使用的純膠為三合一結(jié)構(gòu)分別為上下使用25 μm厚度純膠，中間為25 μm厚度的PI（聚酰亞胺）加強(qiáng)層，共三層組合結(jié)構(gòu)。

圖1 純膠層過(guò)孔凹蝕

目前在線有純膠層過(guò)孔制作的產(chǎn)品，由于孔內(nèi)純膠層制作時(shí)凹蝕過(guò)度導(dǎo)致報(bào)廢的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示從2019年11月至2020年2月平均報(bào)廢率為15.20%，品質(zhì)失控急需要進(jìn)行改善。

2.2 魚(yú)骨分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因

針對(duì)咬蝕過(guò)大可能造成的原因，從人員、設(shè)備、材料、方法、測(cè)量和環(huán)境等方面考慮，使用魚(yú)骨圖進(jìn)行初步分析。

通過(guò)魚(yú)骨圖進(jìn)行分析，主要影響因素包含材料種類的選擇、加工參數(shù)等，由于設(shè)備設(shè)置參數(shù)過(guò)多，在除膠參數(shù)設(shè)置上針對(duì)噴壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行固定，僅選擇循環(huán)泵開(kāi)啟數(shù)量進(jìn)行除膠段參數(shù)設(shè)計(jì)的研究。

2.3 報(bào)廢原因分析驗(yàn)證

目前使用的純膠材料主要有兩種類型一類是環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)，一類是丙烯酸類純膠。通過(guò)對(duì)不同純膠材料在同樣除膠制作參數(shù)下進(jìn)行制作對(duì)比分析（見(jiàn)表1）。

2.4 除膠段化學(xué)制作機(jī)理及純膠材料對(duì)比分析

通過(guò)下面一組除膠渣原理化學(xué)反應(yīng)方程式來(lái)說(shuō)明除膠制作的反應(yīng)機(jī)理如下。

蝕刻反應(yīng)：

分解反應(yīng)：

Oxamat再生法：

陽(yáng)極反應(yīng)：2Mn＋6→2Mn＋7＋2e-

目前業(yè)內(nèi)主要使用的純膠材料有兩種，一種為環(huán)氧樹(shù)脂類純膠，一種為丙烯酸類純膠。

下面從兩種膠材料分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行對(duì)比，看哪種膠的分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，耐化學(xué)性效果更突出一些（見(jiàn)圖2）。從分子結(jié)構(gòu)上分析，在高價(jià)Mn的作用下，丙烯酸的分子結(jié)構(gòu)更容易被打開(kāi)被進(jìn)行咬蝕刻反應(yīng)。

小結(jié)：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如多層軟板過(guò)孔制作的產(chǎn)品在流程上設(shè)計(jì)有化學(xué)除膠流程的產(chǎn)品建議優(yōu)先選擇環(huán)氧類純膠進(jìn)行多層軟板粘結(jié)層制作。

2.5 問(wèn)題產(chǎn)生原因篩選驗(yàn)證

使用環(huán)氧類純膠在制作過(guò)程中，如何優(yōu)化制作條件達(dá)到最佳制作效果，原因分析驗(yàn)證項(xiàng)目（見(jiàn)表2）。

表1 兩種樹(shù)脂的除膠量

圖2 兩種樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)

表2 制作過(guò)程中原因分析

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 主要加工環(huán)節(jié)分析

主要加工環(huán)節(jié)分析見(jiàn)表3所示。

3.2 四大重要影響因數(shù)分析

對(duì)前四大重要度因數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析見(jiàn)表4所示；通過(guò)對(duì)失效原因的分析得出主要問(wèn)題產(chǎn)生的因果關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

3.3 鉆頭種類對(duì)純膠凹蝕影響的分析驗(yàn)證

X1：為了研究使用的鉆頭類型對(duì)純膠凹蝕是否有影響，使用雙樣本T檢驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同刀具種類同尺寸鉆頭進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，通過(guò)切片分析記錄孔壁質(zhì)量情況，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4、表5。數(shù)據(jù)說(shuō)明兩種鉆頭過(guò)孔制作對(duì)純膠凹蝕量沒(méi)有顯著差異。

表3 加工環(huán)節(jié)重要度分析

表4 潛在因素分析

圖3 純膠凹蝕問(wèn)題產(chǎn)生的因果關(guān)系

3.4 鉆孔參數(shù)對(duì)純膠凹蝕影響的分析驗(yàn)證

X2：為了研究使用的鉆孔參數(shù)對(duì)純膠粗糙度是否有影響，針對(duì)鉆孔參數(shù)中容易對(duì)孔壁質(zhì)量影響最大的退刀速度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。數(shù)據(jù)說(shuō)明鉆孔參數(shù)中的退刀速加快、慢，對(duì)純膠的咬蝕量沒(méi)有顯著差異。

3.5 膨脹缸與高猛缸的循環(huán)泵開(kāi)啟數(shù)量對(duì)純膠凹蝕影響的分析與驗(yàn)證及DOE測(cè)試

X3、X4：進(jìn)行對(duì)比測(cè)試固定線體運(yùn)行速度、藥水濃度、溫度等可調(diào)參數(shù)，只對(duì)缸體循環(huán)泵開(kāi)啟數(shù)量進(jìn)行改變測(cè)試針對(duì)膨脹缸泵和高錳缸泵開(kāi)啟數(shù)量，進(jìn)行DOE測(cè)試。 來(lái)驗(yàn)證除膠參數(shù)對(duì)制作效果的影響。

DOE試驗(yàn)：

第1步：由不同的膨脹泵X2、高錳循環(huán)泵X3開(kāi)啟個(gè)數(shù)的純膠咬蝕量，找出最佳參數(shù)。純膠咬蝕量Y要求越小越好；

第2步：確定DOE實(shí)驗(yàn)因子（見(jiàn)表7）。

因子：膨脹段循環(huán)泵開(kāi)啟的數(shù)量、高錳段循環(huán)泵開(kāi)啟的數(shù)量，為計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)。

水平：膨脹循環(huán)泵：低=0個(gè)，中=1個(gè)，高=2個(gè)；高錳循環(huán)泵：低=0個(gè)，中=1個(gè)，高=2個(gè)

第3步：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件表格，設(shè)計(jì)2K全因子分析DOE。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

表5 不同鉆頭鉆孔的粗糙度 （單位：μm）

表6 不同退刀速度鉆孔的粗糙度 （單位：μm）

表7 DOE實(shí)驗(yàn)因子與水平

圖5 DOE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：μm）

圖6 Sweller、Permanganate的循環(huán)泵數(shù)量和凹蝕深度的交互作用圖

圖7 Sweller、Pemanganate的泵數(shù)量和對(duì)應(yīng)的孔凹蝕程度

第4步：分析因子

由于因子都是屬于“計(jì)數(shù)”類型，且由于均方誤差 = 0 或誤差自由度 = 0，不能繪制指定殘差類型的圖形。從圖6確認(rèn)因子對(duì)純膠的咬蝕度影響。當(dāng)Sweller和Permanganate的泵個(gè)數(shù)都是0時(shí)，凹蝕數(shù)量都在20 μm以內(nèi)，滿足要求。由前面的DOE對(duì)比分析可以看出，膨松劑和高錳酸鹽缸只要開(kāi)啟泵，純膠的凹蝕量都會(huì)比較大，最佳條件的凹蝕量也會(huì)達(dá)到30 μm。根本原因是純膠材料的特性不耐堿，遇到堿溶液即會(huì)被咬蝕（見(jiàn)圖7所示）。

4 分析論證

4.1 主要影響因子篩選

針對(duì)以上分析階段得出的結(jié)論，對(duì)Y影響最大的為X3和X4，X1和X2無(wú)影響。故將從X3和X4二者搭配使用，分析二者的開(kāi)、關(guān)時(shí)對(duì)純膠的影響，做出改善。設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖8。

圖8 X3和X4二者搭配方案

圖9 凹蝕量箱線圖

4.2 主要因子對(duì)應(yīng)不同條件下的制作效果確認(rèn)

按表10的條件1～6試驗(yàn)，得到純膠凹蝕量箱線見(jiàn)圖9。條件4和條件6的純膠咬蝕量最少，平均凹蝕量基本在10 μm以內(nèi)，但出現(xiàn)有孔無(wú)銅的問(wèn)題，也是不可以接受的。條件1、2、3、5的鍍銅厚度滿足要求，下面將進(jìn)一步篩選最優(yōu)的生產(chǎn)條件。

4.3 條件1、2、3、5的純膠凹蝕量的過(guò)程能力（見(jiàn)圖10）

從純膠凹蝕量過(guò)程能力對(duì)比可以看出，條件1的CPK為1.25，說(shuō)明條件1的純膠咬蝕量的數(shù)值表現(xiàn)比較穩(wěn)定，為最優(yōu)條件。

4.4 最優(yōu)條件制作的驗(yàn)證

4.4.1 測(cè)試板驗(yàn)證

使用的測(cè)試板分別按原來(lái)的生產(chǎn)條件（泵各開(kāi)2組）與改善后的條件1（泵各開(kāi)2組）做對(duì)比測(cè)試。對(duì)比情況見(jiàn)圖11所示。

圖10 四個(gè)條件的過(guò)程能力

圖11 改善前后的比較

改善前：純膠的咬蝕量在100 μm左右，超過(guò)純膠凹蝕量≤30 μm的要求。且切片顯示有明顯的因咬蝕而造成的空洞問(wèn)題，不能滿足要求。（根據(jù)IPC-600F要求多層軟板去鉆污凹蝕深度小于50 μm，本文要求小于30 μm。）改善后：純膠的咬蝕在30 μm以內(nèi)，銅厚滿足要求，進(jìn)行導(dǎo)入中批量制作。

4.2.2 批量驗(yàn)證

改善制作從三月開(kāi)始實(shí)施目前跟蹤3月產(chǎn)品制作效果未發(fā)生凹蝕問(wèn)題，凹蝕過(guò)度產(chǎn)生報(bào)廢為零。

5 結(jié)論

（1）在多層撓性板設(shè)計(jì)上，如撓性板層設(shè)計(jì)有過(guò)孔制作，應(yīng)優(yōu)先選擇耐化學(xué)性更加穩(wěn)定的環(huán)氧類純膠作為粘結(jié)片進(jìn)行制作。

（2）純膠耐化學(xué)性尤其對(duì)堿性攻擊頗為敏感，在化學(xué)除膠工藝流程中，膨松段和高錳酸鹽段循環(huán)泵的數(shù)量在滿足品質(zhì)的情況下盡量控制到各開(kāi)一臺(tái)進(jìn)行制作，可達(dá)到孔壁質(zhì)量最佳的效果。