光模塊印制板量產(chǎn)良率提升的研究

張大偉 呂小偉

（上海美維電子有限公司，上海 200233）

0 前言

光模塊板相對(duì)于目前表觀要求較嚴(yán)格的封裝基板，有著更加苛刻或近乎變態(tài)的表觀要求，其高平整度、高表觀的要求，一直是光模塊PCB廠家的噩夢(mèng)。常規(guī)PCB其表觀異物高度不超過(guò)25 μm，非導(dǎo)電性異物不跨越兩條線路或焊盤，不影響焊接及電氣性能，就可投入后期的裝配使用。光模塊的下凹要求≤10 μm，這對(duì)于PCB塞孔工藝有著巨大的挑戰(zhàn)。而對(duì)于異物的控制，需將整個(gè)PCB外觀＞25 μm的異物進(jìn)行強(qiáng)制的篩選，否則將影響光模塊的光傳輸性能。

為了滿足光模塊板的高平整度、高表觀要求，本文對(duì)PCB塞孔工藝的深度研究及PCB外觀異物的規(guī)避與處理，制定出可行的標(biāo)準(zhǔn)化處制作方案，最終達(dá)到批量生產(chǎn)。

1 流程確認(rèn)及良率分析

1.1 流程確認(rèn)

從流程設(shè)計(jì)來(lái)看，光模塊板的流程與傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)沒(méi)有什么本質(zhì)上的區(qū)別。結(jié)合光模塊板高平整度、高表觀的要求，對(duì)外層的PCB工藝流程提出了更高的要求，特別是表面處理的工藝流程確定。初期外層流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 初期外層流程圖

1.2 良率及缺陷分析

1.2.1 報(bào)廢缺陷類別分析

按照初期的流程以及現(xiàn)場(chǎng)的管控,光模塊板批量生產(chǎn)到FQC收集到的良率只有50%,針對(duì)缺陷按照類別和工段分別進(jìn)行分析。按照?qǐng)?bào)廢缺陷類別分析見(jiàn)圖2所示。

圖2 報(bào)廢缺陷類別分析圖

1.2.2 按照缺陷的成因分析，

從人、機(jī)、物、法、環(huán)幾個(gè)方面分析。

人：操作技能；機(jī)：設(shè)備功能；物：材料性能;法：工藝方法；環(huán)：環(huán)境條件。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樹(shù)脂塞孔

針對(duì)樹(shù)脂塞孔流程，測(cè)試評(píng)估真空塞孔的能力是否能夠滿足光模塊板的表觀需求。常規(guī)的塞孔工藝，塞孔后的下凹控制要求是＜25 μm，而光模塊板的下凹要求是≤10 μm。為了滿足要求，選擇真空塞孔，同時(shí)在流程上做優(yōu)化：電鍍→真空塞→砂帶研磨→不織布磨板→真空塞孔（正反塞）→砂帶研磨→不織布磨板→減薄→不織布磨板→電鍍。

真空塞孔一次不能完全解決下凹大的問(wèn)題，所以采用第二次的正反方向真空塞孔來(lái)彌補(bǔ)第一次真空塞孔不良的問(wèn)題。測(cè)試板選擇如表1所示。

表1 測(cè)試板規(guī)格

真空塞孔參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2所示，同時(shí)按照以上的兩次塞孔流程生產(chǎn)，電鍍后做相應(yīng)的測(cè)試評(píng)估確認(rèn)，結(jié)果如表3所示，塞孔下凹的問(wèn)題基本解決，沒(méi)發(fā)現(xiàn)有塞孔下凹超標(biāo)的問(wèn)題，見(jiàn)圖3所示。

表2 真空塞孔工藝參數(shù)

表3 塞孔過(guò)程檢測(cè)和結(jié)果表

圖3 塞孔完整性和下凹例圖

2.2 不織布磨板

考慮到電鍍后的板面質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)電鍍本身不能完全解決膠漬、銅粒等問(wèn)題，評(píng)估電鍍后增加不織布磨板對(duì)板面質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)，同時(shí)要確保后續(xù)的接合、鎳腐蝕等沒(méi)有影響；不織布磨板是通過(guò)物理的方法，高速運(yùn)轉(zhuǎn)磨刷與板面接觸，對(duì)板面的銅進(jìn)行切削，以達(dá)到板面平整的目的。

原來(lái)流程：電鍍→外層圖形轉(zhuǎn)移→AOI……

實(shí)驗(yàn)流程：電鍍→不織布磨板→外層圖形轉(zhuǎn)移→AOI……

試板選用規(guī)格同表1所示。

不織布磨板參數(shù)：磨板速度2.5 m/min；研磨電流2.0 A；磨刷材質(zhì)及目數(shù)不織布，400目；磨板噴水壓力0.1 Mpa（1.0 kg/cm2）。

從SEM（掃描電子顯微鏡）的照片來(lái)分析磨板前后板面狀況，磨板后的表面粗糙度有增大，但是基本上把細(xì)小的銅粒磨掉，考慮到磨板后的磨痕對(duì)表觀影響，試板跟進(jìn)到鎳鈀金后做相應(yīng)的打線鍵合、鎳腐蝕等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下，經(jīng)測(cè)試都滿足需求。

（1）打線鍵合測(cè)試。

測(cè)試方法：按照MIL STD 883J2013方法；

線拉力測(cè)試條件：打線溫度為170 ℃，拉力速度為0.5 mm，線直徑為15 μm。

拉力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：≥0.015 N（1.5克力），合格。

測(cè)試結(jié)果：最小拉力為0.016 N（1.6克力），最大拉力為0.035 N（3.5克力），平均拉力為0.024 N（2.4克力）。

（2）鎳腐蝕檢查見(jiàn)圖4所示。

圖4 檢查鎳腐蝕SEM結(jié)果圖

3 結(jié)果與討論

3.1 真空樹(shù)脂塞孔的控制及影響

通過(guò)真空樹(shù)脂塞孔的流程優(yōu)化，增加一次真空塞孔（正反塞），可以解決塞孔下凹的問(wèn)題，從批量生產(chǎn)AOI的外觀檢查確認(rèn)，增加真空塞孔（正反塞）后，AOI塞孔下凹的缺陷杜絕，沒(méi)有報(bào)廢產(chǎn)生。

收集批量生產(chǎn)板電鍍后切片數(shù)據(jù)，確認(rèn)塞孔下凹情況，從收集數(shù)據(jù)顯示樹(shù)脂塞孔兩面凸起或下凹 Cpk=2.82/2.89，均大于1.67，能力充足，見(jiàn)圖5、圖6所示。

圖5 上表面下凹過(guò)程能力分析

圖6 下表面下凹過(guò)程能力分析圖

3.2 不織布磨板對(duì)表觀的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)部分的結(jié)果，可以判定磨板對(duì)鍍瘤的改善非常有效。跟進(jìn)增加不織布拋光流程與正常流程板到FQC的良率，對(duì)比見(jiàn)表4所示，良率提升9%。

表4 增加不織布拋光與常規(guī)流程比較

4 量產(chǎn)及效果確認(rèn)

4.1 流程優(yōu)化

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)光模塊板整體的流程進(jìn)行優(yōu)化，電鍍后有塞孔流程的外層板，增加磨板和真空塞孔正反塞的流程，改善塞孔下凹的問(wèn)題。最終確定的光模塊外層的流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的外層流程

4.2 保養(yǎng)效果

針對(duì)雜物的管控方面，另一個(gè)方向是增加保養(yǎng)的頻率或者針對(duì)光模塊板的生產(chǎn)，制定特別保養(yǎng)安排。比如在外層AOI檢查后的烘板，固定烘箱，同時(shí)每次生產(chǎn)光模塊板前，對(duì)烘箱做徹底的清潔，并做顆粒度測(cè)試，確認(rèn)后在烘板，避免烘箱內(nèi)的雜物在烘板的過(guò)程中固化在板面，鍍金后而形成金雜的缺陷；所以，針對(duì)光模塊板的生產(chǎn)，產(chǎn)線的保養(yǎng)清潔到位，對(duì)良率有一定的提升，具體措施如下。

（1）DES（顯影、剝離）蝕刻前，更換顯影后以及蝕刻后的水洗缸，并擦拭水洗缸的滾輪；

（2）阻焊前處理生產(chǎn)光模塊板前，更換全線的水洗缸，并擦拭水洗缸的滾輪；

（3）阻焊顯影前，更換全線的水洗缸，并擦拭水洗缸的滾輪；

（4）阻焊后固化的烘箱使用專門的烘箱，同時(shí)在烘板前做清潔。

經(jīng)過(guò)以上流程的優(yōu)化，保養(yǎng)頻率的調(diào)整，增加檢修，過(guò)程搬運(yùn)控制特別對(duì)待等措施，光模塊板良率得到了比較大的提升，并穩(wěn)定在一個(gè)可控的良率。圖8所示是光模塊板改善前后的良率改善趨勢(shì)圖。

圖8 產(chǎn)品FQC的良率推移圖

5 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的PCB生產(chǎn)廠家要實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊板的量產(chǎn)，并要穩(wěn)定比較高的良率，是需要在過(guò)程控制

以及流程上面做一些特別的管控。從長(zhǎng)遠(yuǎn)方向來(lái)看，要提升整個(gè)工廠的潔凈度，比如電鍍工序的雜物控制（膠漬、銅粒等的主要來(lái)源），所有的流程都在萬(wàn)級(jí)的潔凈房?jī)?nèi)完成，對(duì)于雜物、鍍瘤等控制會(huì)有很大的幫助。另外，如果是新的廠房設(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮智能制造的方向，潔凈房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，比如圖形轉(zhuǎn)移到阻焊工序，實(shí)現(xiàn)全程的自動(dòng)化，取消人員的過(guò)程操作、搬運(yùn)等，從而改善阻焊雜物以及曝光雜物等報(bào)廢；對(duì)于老的工程布局，沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)全部的自動(dòng)化以及潔凈度的需求，針對(duì)重點(diǎn)工序，重點(diǎn)缺陷，需要特別的控制、維護(hù)等來(lái)提升光模塊板的良品率。