高多層印制板樹脂塞孔連接盤脫落改善

李香華 樊錫超 凌大昌 鄒金龍

（深圳崇達多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

0 前言

隨著無線基站、儲存、云計算以及終端消費類產(chǎn)品不斷地進行大量的數(shù)據(jù)交換,使得電子產(chǎn)品通信頻率越來越高,通信產(chǎn)品不斷地朝著高頻率、高速化、高密度的趨勢發(fā)展,這些趨勢給印制電路板（PCB）加工及制作不斷帶來機遇和挑戰(zhàn)。在制作5G通訊用PCB時在壓合加工和樹脂塞孔工藝帶來新的技術難度；同時為向圖形高密度發(fā)展,BGA（球柵陣列）節(jié)距（pitch）發(fā)展越來越小,BGA節(jié)距由1.0 mm減少至0.7 mm；機械鉆孔孔徑由0.25 mm轉(zhuǎn)向0.2 mm,甚至更小的0.15 mm,于是就有了選擇填孔覆蓋電鍍（POFV）技術。

在POFV工藝在生產(chǎn)高厚徑比（20:1）樹脂填孔時出現(xiàn)裂紋和氣泡,選擇“真空塞孔”技術解決此問題,但PCB在后續(xù)加工過程中存在樹脂與銅結(jié)合力不足,造成“密集區(qū)樹脂塞孔連接盤脫落”成為痛點（見圖1所示）,造成下游公司無法安裝零配件。

圖1 BGA連接盤脫落示意圖

本文主要探討樹脂油墨和板材的CTE（熱膨脹系數(shù)）匹配度、烤板工藝、圖形設計以及后續(xù)加工參數(shù)對樹脂塞孔連接盤脫落的影響因素。

1 填孔覆蓋電鍍（POFV）工藝流程和連接盤脫落產(chǎn)生機理分析

樹脂塞孔連接盤脫落產(chǎn)生機理分析和工藝加工過程原理進行闡述和說明。POFV工藝主要包含：前處理（含磨板及烘烤）→樹脂油墨塞孔（真空塞孔）→烤板固化→樹脂研磨→沉銅板電（覆蓋銅）→圖形蝕刻。

（1）前處理磨板及烘烤：磨板主要作用是通過“陶瓷＋高切削不織布”磨刷打磨PCB,去除銅結(jié)晶、樹脂孔堵塞等板面異物,為樹脂塞孔提供一個銅潔凈的基礎環(huán)境,與本文所要探討的樹脂塞孔連接盤脫落無關聯(lián)性,因此不做詳細說明。樹脂塞孔前烘烤主要目的是去除板內(nèi)水分及從外界吸收的水汽,使PCB基材應力釋放且保證板材尺寸穩(wěn)定,保障PCB基材在一個低熱膨脹狀態(tài)下與樹脂結(jié)合。PCB在沉銅板電鍍銅后擺放在生產(chǎn)車間,板材吸收空氣中的水分,當PCB置于溫度超過100 ℃的環(huán)境下（如回流焊、熱風整平溫度等制程）,水分子轉(zhuǎn)化成水蒸氣,迅速使基板體積膨脹增大。水蒸氣向上熱沖擊力到達覆蓋銅與樹脂結(jié)合力臨界點時,覆蓋銅層受力發(fā)生扭曲形變脫離樹脂,造成覆蓋銅與樹脂分層或嚴重時覆蓋銅的樹脂脫落分離。

（2）樹脂油墨真空塞孔：樹脂油墨是高分子化合物包含填料、固化劑與主體樹脂,具有一定黏稠性和觸變性。真空樹脂塞孔過程是先在抽真空機攪拌30分鐘,把油墨攪拌均勻,控制油墨黏度值以及去除樹脂油墨中氣泡。架好塞孔用的鋁片、網(wǎng)版、塞孔墊板及調(diào)試好設備后,在真空狀態(tài)和壓力下,將樹脂油墨在塞孔刮刀和真空雙重作用下,把樹脂灌入與塞孔鋁片相對應需樹脂塞孔的金屬導通孔內(nèi)。PCB材料中包含樹脂油墨、PP板材及電鍍銅,三者在傳熱及CTE上存在差異,因此不同材料在熱脹冷縮環(huán)境下發(fā)生不同的形變。樹脂油墨、PP板材與電鍍銅CTE匹配度差異越大,在受熱沖擊后會產(chǎn)生不同方向（X/Y/Z方向）劇烈膨脹,造成樹脂塞孔連接盤上的樹脂受力不勻分離,嚴重情況下導致孔環(huán)浮離,最終導致連接盤脫落。

（3）烤板固化：樹脂油墨塞入孔內(nèi)時屬于黏稠狀具有一定的流動性,需要在高溫（150 ℃及以上）烘干使樹脂固化。高多層板厚度高達3.5 mm,產(chǎn)品進入烤箱烘烤時,因孔口溫度相比孔內(nèi)中心樹脂溫度高,孔口邊樹脂先固化后逐步向孔內(nèi)中心,造成孔內(nèi)與孔中心材料釋放熱應力時間長短不一致,隨著固化時間的推移其收縮應力逐步增大,最終造成樹脂、PP板材與銅三者CTE匹配度差異拉大造成同層分離,樹脂塞孔連接盤脫落。

（4）圖形蝕刻（圖形設計）：PCB在蝕刻過程中把客戶不需要的銅去除掉,在銅與銅、銅與基材分離過程中,剩余的銅得到應力釋放過程。影響被覆蓋的銅（樹脂塞孔連接盤）與基材的附著力與覆蓋銅面積的大小相關,覆蓋銅面積越大,覆蓋銅與基材結(jié)合力越強；因此在圖形設計時,PCB廠家普遍會把連接盤圖形設計面積加大,增加銅與基材結(jié)合力。

2 DOE（正交實驗法）試驗過程及試驗結(jié)果

2.1 試驗設計方案

基于上文分析樹脂塞孔連接盤脫落的產(chǎn)生機理,進行DOE試驗設計和效果驗證,通過試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析不良率,找出影響樹脂塞孔連接盤脫落真正因子,根據(jù)真因進行改善或優(yōu)化。DOE試驗信息如下：

（1）PCB材料：高Tg材料（Tg175 ℃）,熱膨脹系數(shù)0.004%～0.021%；

（2）樹脂塞孔后烤板參數(shù)：150 ℃、90 min,分段烤板130 ℃、30 min加150 ℃、60 min；

（3）樹脂油墨類型：選擇兩家公司相同類型油墨,代號分別為A、B；

（4）圖形設計：連接盤直徑大小設計放大后為0.2 mm、0.3 mm。

根據(jù)以上不同影響因素設計,設計3因子2水平的試驗（見表1所示）,全因子試驗組合為8組,每種試驗方案設計2塊板,每塊板設計BGA連接盤數(shù)量為30個,共計480個連接盤。試驗采用評分原則對本次試驗組合進行評比,采用不良率的方式進行對比,不良率越低,實驗效果越好。

表1 樹脂塞孔連接盤脫落試驗設計表

2.2 試驗結(jié)果

通過以上不同品牌油墨、烤板參數(shù)和連接盤設計大小進行正交實驗設計得知：實驗方案四和實驗方案八,通過優(yōu)化烤板參數(shù)和BGA連接盤圖形設計預放大增加可以解決樹脂塞孔連接盤脫落不良率為0（見表2所示）,成功解決了高多層通訊板樹脂塞孔連接盤脫落問題。

表2 樹脂塞孔Pad脫落試驗設計及結(jié)果表

3 結(jié)論

（1）不同品牌相同類型樹脂油墨特性相似,同時烤板后與PP板材、銅的CTE匹配度相近,因此對密集BGA區(qū)連接盤脫落影響率相對較低。

（2）樹脂油墨真空塞孔后烤板固化主要受孔內(nèi)外樹脂油墨溫度不一致,熱膨脹體積隨著固化時間推移而增大；相同參數(shù)烤板固化（烤板參數(shù)150 ℃、90 min）樹脂塞孔連接盤脫落不良率比分段烤板固化（烤板參數(shù)130 ℃、30 min＋150 ℃、60 min）高。

（3）樹脂塞孔Pad圖形設計預放大后面積越大,銅與樹脂結(jié)合力越強；相同條件下,0.3 mm連接盤脫落不良率相比0.2 mm連接盤明顯低；在設計圖形時,連接盤放大應保證最小間距,導入動態(tài)補償,在滿足客戶成品需求前提下做最大的補償,保證樹脂塞孔連接盤抓基材面積較大。