PPO基材的PCB內(nèi)層連接不良改善研究

馬 奕 彭 浪 胡新星 程 驕 陳國梁

［景旺電子科技（珠海）有限公司，廣東 珠海 519000］

0 引言

隨著信息科技朝著高頻、高速的方向發(fā)展，電子產(chǎn)品也逐漸實現(xiàn)輕薄化、多功能化，作為載體的印制電路板（printed circuit board，PCB），無論是材料研究還是生產(chǎn)加工都面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。近年來，匹配高速產(chǎn)品的材料也層出不窮，要實現(xiàn)低的信號損耗與高的可靠性，一般的環(huán)氧樹脂體系材料已經(jīng)很難滿足需求，因此，材料廠商推出了以聚苯醚（polyphenylene oxide，PPO）為樹脂體系的材料。這種材料能夠滿足高速產(chǎn)品的需求，而且可以做到更高層別，因此從面世以來受到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關注。

1 PPO內(nèi)層連接不良的問題分析

1.1 PPO的特性

聚苯醚的分子結構式如圖1 所示。PPO 結構中含有兩個具有疏水性能的甲基，使PPO 具有極低的吸水率和較好的電絕緣性能，也使其產(chǎn)品具備更加優(yōu)異的可靠性。PPO 結構中不含有任何極性的基團，使其具有極低的介電常數(shù)和介電損耗，這也是PPO在高速材料中被大量使用的主要原因。PPO 的分子結構主要由大量的酚基芳香環(huán)構成，其分子鏈十分穩(wěn)定，導致PPO 具有較高的熔點和黏度，但流動性也相對更低，硬度較高。這些特性雖然能保持PCB 在成型后不會由于材料的再結晶而引起尺寸變化，但也給加工過程帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 聚苯醚的分子結構

1.2 內(nèi)層連接不良分析

在PCB 生產(chǎn)加工過程中，材料鉆孔后會在孔壁產(chǎn)生膠渣，膠渣去除不干凈會導致如圖2 所示的現(xiàn)象。這種孔銅和內(nèi)層連接不良（inner connection defect，ICD）的問題會造成開路，嚴重影響產(chǎn)品的可靠性。

圖2 ICD不良切片

ICD 的產(chǎn)生是材料特性、鉆孔質(zhì)量、除膠效果等多種因素共同作用產(chǎn)生的結果，產(chǎn)生ICD 的因素分析見表1。

表1 產(chǎn)生ICD的因素分析

從人、機、物、法、環(huán)對ICD 產(chǎn)生的問題進行分析可知，PPO 材料難以除膠是由材料特性決定的。因此，ICD 問題需要通過優(yōu)化鉆孔參數(shù)、除膠參數(shù)進行試驗分析和改善。

2 試驗設計

2.1 試驗物料、設備、儀器

主要物料：PPO 板材A（板厚3.2 mm）、雙刃單槽鉆頭、涂層鉆頭。主要設備：Schmoll 鉆機、March等離子機、Axioscope金相顯微鏡。

2.2 試驗設計和方案

本次試驗主要針對鉆孔參數(shù)以及等離子參數(shù)對ICD的影響進行了研究，試驗設計方案見表2。

表2 試驗設計方案

針對以上設計參數(shù)，設計5 種方案進行對比研究，具體方案見表3。

表3 等離子除膠試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 鉆孔參數(shù)試驗結果分析

經(jīng)過大量的切片測試發(fā)現(xiàn)，不同鉆孔參數(shù)下的釘頭和孔壁粗糙度結果均合格且無明顯差別，而2 種鉆頭的結果有一定的差異性，具體結果見表4和圖3。

表4 不同試驗條件下的ICD比例單位：%

圖3 不同鉆孔參數(shù)下的孔壁質(zhì)量

由圖3 和表4 可見，在鉆PPO 材料的板材時，使用鍍膜涂層鉆刀的成孔質(zhì)量優(yōu)于雙刃單槽鉆刀，鍍膜涂層鉆刀可以明顯降低ICD 問題發(fā)生的頻率。在除膠時間為40 min 時，只有鉆孔參數(shù)2 搭配鍍膜涂層鉆刀未出現(xiàn)ICD 現(xiàn)象，其他參數(shù)均出現(xiàn)ICD 現(xiàn)象。隨著除膠時間增加至60 min，鉆孔參數(shù)2 無論搭配哪一種鉆刀都未出現(xiàn)ICD 現(xiàn)象，而鉆孔參數(shù)1 需要除膠時間增加至80 min，才徹底無ICD 現(xiàn)象產(chǎn)生。由不同試驗條件下的ICD 比例可知，鍍膜涂層鉆刀出現(xiàn)ICD 的比例低于雙刃單槽鉆刀，鉆孔參數(shù)2 出現(xiàn)ICD 的比例低于鉆孔參數(shù)1。

3.2 等離子除膠試驗結果分析

3.2.1 除膠時間對除膠量的影響

通過測量大量切片孔口與孔中凹蝕量，取均值計算，分析除膠時間對除膠量的影響，如圖4所示。

圖4 除膠時間對除膠量的影響

由圖4 可知，當除膠面積不變，除膠時間從40 min 增加至60 min 時，對應的切片孔口凹蝕量的均值從2.9 μm 增大至4.4 μm，時間增加至 80 min 時，也有同等的對應變化。隨著除膠時間的增加，除膠凹蝕量近似地呈線性增加。

3.2.2 除膠面積對除膠量的影響

當除膠時間不變時，驗證除膠面積對除膠量的影響，見表5和圖5。

表5 除膠面積對除膠量的影響

圖5 除膠面積對除膠量的影響

由圖5 可知，當除膠時間不變，除膠面積從4.9×106mm2降低至3.66×106mm2時，相對應的切片孔口凹蝕量均值從2.9 μm 增加至7.1 μm。隨著除膠面積的逐漸降低，對應的切片孔口凹蝕量逐漸增加。隨著除膠面積的降低，除膠凹蝕量呈增長趨勢。

3.2.3 除膠時間、除膠面積對除膠量的影響

除膠時間、除膠面積對除膠量的影響如圖6和表6所示。

表6 除膠時間、除膠面積對除膠量的影響

圖6 除膠時間、除膠面積對除膠量的影響

在實際生產(chǎn)中，為保證品質(zhì)，需優(yōu)先確保孔中一定的凹蝕量，在此前提下，結合上述2 組的測試結果，驗證除膠時間與除膠面積的關系如下：

（1）由圖6可見，除膠量基本保持穩(wěn)定。

（2）由表6 可見，除膠面積減少，相應的除膠時間也會減少。

由此可以證明，當除膠面積增加時，相應地延長除膠時間，可以保證除膠量的穩(wěn)定。除膠量與除膠時間成正比，與除膠面積成反比。

4 結論

經(jīng)過以上的測試和分析，得出對于改善ICD問題的建議如下。

（1）優(yōu)化鉆孔參數(shù)。根據(jù)測試結果，鉆孔參數(shù)2（高轉(zhuǎn)速、高落速）優(yōu)于鉆孔參數(shù)1（低轉(zhuǎn)速、低落速），鍍膜涂層鉆刀優(yōu)于雙刃單槽鉆刀。

（2）優(yōu)化除膠參數(shù)。根據(jù)測試結果，建議孔中凹蝕量控制在2～4 μm，根據(jù)除膠時間及除膠面積的對應關系，通過計算除膠面積，確定對應的等離子除膠參數(shù)。

以上改善建議是在有限條件下設計方案得出的結論，僅供同行參考。針對ICD 問題可能涉及的其他影響因素，如等離子除膠參數(shù)與凹蝕量、除膠時間以及除膠面積的線性關系等，還需進一步研究。