劉秋華 牟 冬 方慶玲 丁 楊 羅 琳 許 夢

（江南計算技術研究所， 江蘇 無錫 214083）

高厚徑比多種孔徑選擇性樹脂塞孔工藝研究

劉秋華 牟 冬 方慶玲 丁 楊 羅 琳 許 夢

（江南計算技術研究所， 江蘇 無錫 214083）

文章通過選擇合適的刮膠、設計樹脂塞孔模板、優(yōu)化刮印及固化參數(shù)，利用絲網(wǎng)印刷技術進行電路板樹脂塞孔的制作技巧。通過應用這些技巧實現(xiàn)了0.15mm～0.60mm孔徑范圍內(nèi)高厚徑比孔的無空洞、無凹陷塞孔。并對這些技術進行了實驗驗證。

高厚徑比；多孔徑；選擇性樹脂塞孔；塞孔模板；塞孔刮膠

1 前言

傳統(tǒng)多層印制電路板的垂直互連主要通過過孔進行導通互連，過孔互連可靠是多層印制板長期穩(wěn)定運行的關鍵。隨著電子產(chǎn)品的高密度化需求，印制板過孔設計越來越小，厚徑比越來越高，較多印制板采用盤中孔、盲埋孔設計等。以上種種需求都要求印制板制造過程中對過孔做處理，最普遍做法是做樹脂塞孔處理。樹脂塞孔工藝目前主要有輥涂、擠壓、網(wǎng)印等方式，以上塞孔方式各有特點，但都面臨著塞孔氣泡、孔口樹脂有凹陷、樹脂與銅結(jié)合是否緊密的問題。特別是針對高厚徑比多種孔徑的PCB板，由于大、小孔塞孔所需的壓力不同，現(xiàn)行工藝采用小壓力，多刀塞，易出現(xiàn)孔內(nèi)空洞、孔口樹脂有凹陷等不良現(xiàn)象，而采用大小孔分步塞孔，生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)成本高。

本文通過對塞孔工具的優(yōu)化選擇及刮印和固化參數(shù)的研究，實現(xiàn)了高厚徑比大小孔同步塞孔，解決了高厚徑比大小孔同時塞孔的難點，且保證各種孔內(nèi)塞孔飽滿，沒有氣泡，孔口平整無凹陷。

2 樹脂塞孔工具研究

造成樹脂塞孔空洞、氣泡和孔口凹陷的因素有很多，其中塞孔工具的影響是不可忽略的，工具與產(chǎn)品質(zhì)量緊密相連，每一項工具的選擇和設計都會影響到樹脂塞孔品質(zhì)的優(yōu)劣。在塞孔工具中影響最為明顯的就是塞孔刮膠和模板。

2.1 塞孔刮膠選擇

刮膠厚度越大，硬度越高，在相同作用力下，刮膠的形變就越小，對網(wǎng)版和設備的平衡性要求更高，塞孔時很容易出現(xiàn)局部不冒油問題，這樣一來就需要將絲印速度減小、壓力增大、網(wǎng)距減小，而這三者正是造成下油面粘網(wǎng)的主要因素，所以選擇合適厚度和硬度的刮膠是影響塞孔質(zhì)量好壞的重要因素。

此外，刮膠的角度亦是影響塞孔質(zhì)量的關鍵因素，圖1為塞孔時樹脂受力分析示意圖。

F1=Fsinθ

F2=Fcosθ

從受力分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）刮膠角度θ增大→Cosθ減小→Fy減小，塞孔動力減小→下油量減少→塞孔不滿風險增大；（2）刮膠角度θ減小→刮膠下藏油墨量減少→下油量減少→塞孔不滿風險增大；

圖1 塞孔樹脂受力分析圖

經(jīng)過我公司長期的實踐驗證，一直以來樹脂塞孔選用的塞孔刮膠厚度為20 mm，硬度75°，刮膠研磨角度為10°～ 15°。

2.2 塞孔模版優(yōu)化

（1）模版選材。

塞孔模版比較常見的是絲網(wǎng)+鋁片和環(huán)氧基板，出于成本考慮，目前很多PCB廠都是使用的絲網(wǎng)+鋁片， 表1為兩種塞孔網(wǎng)版的優(yōu)劣勢對比。

表1 鋁片模版和環(huán)氧基板模版的性能對比

從表1可以看出，環(huán)氧基板網(wǎng)版雖制作成本較高，但一次塞孔良率很高，且可多次重復使用，所以我公司樹脂塞孔一直以來選用的都是環(huán)氧基板網(wǎng)版。

（2）模版對位。

所謂樹脂塞孔，即塞孔油墨在刮刀的作用下，通過塞孔模版填充過孔的過程，緊貼模版的一面稱為下油面，另一面稱為冒油面。在下墨量充分時（圖2），塞孔樹脂沿孔壁流動先填充冒油面再填滿下油面，在下油量不足時（圖3），則出現(xiàn)孔內(nèi)填充不滿。在塞孔過程中若出現(xiàn)網(wǎng)版偏位，勢必導致下油量減少，進而導致塞孔不滿。

圖2 油墨填充充分時的塞孔過程

圖3 油墨填充不足時的塞孔過程

導致網(wǎng)版偏位的原因主要有人工操作、待塞孔板與網(wǎng)版不匹配、網(wǎng)版過程中變形等三個方面，此處主要討論后兩者。在制程穩(wěn)定的前提下，保證塞孔模版與PCB板漲縮一致，或者放大模版的開孔，但當模版開孔過大時會出現(xiàn)粘網(wǎng)缺陷和密集孔無法生產(chǎn)的問題。

環(huán)氧基板鉆孔前首先二次元測量印制板的漲縮，依據(jù)待塞孔板的漲縮給出環(huán)氧基板鉆孔漲縮數(shù)據(jù)，同時保證鉆孔精度，這樣便能保證待塞孔板與印制板漲縮匹配。由于模版鉆孔孔徑小于印制板鉆孔孔徑（模版上孔邊距變大，塞孔時不易造成糊網(wǎng)），對位精度雖然不能達到100%，但是其位置偏差可保證在孔徑范圍內(nèi)（圖4）。

圖4 塞孔模版對位效果圖

塞孔模版鉆孔孔徑如果比印制板孔徑大，則易分散油墨，印刷時油墨會向邊上擴散，如果孔邊距過小，會造成板面油墨黏糊一片（俗稱糊網(wǎng)），如圖5（a）所示，黏糊的油墨中容易藏有氣泡，從而影響塞孔效果，如圖5（b）所示。模版鉆孔孔徑如果比印制板孔徑小，塞孔模版上孔邊距較大，同時保證塞孔模版與待塞孔版對位精度，這樣便不會造成板面糊網(wǎng)，如圖5（c）所示，達到很好的塞孔效果，孔內(nèi)不會產(chǎn)生氣泡，如圖5（d）所示。

圖5 塞孔形貌：（a）板面糊網(wǎng);（b）孔內(nèi)有氣泡;（c）板面不糊網(wǎng);（d）孔內(nèi)無氣泡

上述介紹了縮小模版鉆孔孔徑的好處，另外還要考慮到同一塊板面上會存在多種大小不同的孔徑需要做樹脂塞孔，如最大的孔徑0.60 mm，其次0.3 mm、而最小的孔徑只有0.15 mm，在這種情況下，如果按照傳統(tǒng)的方式塞孔，大孔冒油嚴重。若采用大小孔分開塞孔,雖然可以控制塞孔的冒油量達到一致，但流程長，生產(chǎn)效率低。

大小孔同步塞孔可以提高制作效率，然而大小孔同步塞孔很難保證大孔不冒油。在模版與印制板漲縮匹配的情況下，板厚越薄、模版上孔徑越大，塞孔時油墨越容易貫穿冒出來而糊網(wǎng)。因此欲實現(xiàn)大小孔同步塞孔，則塞孔模版孔徑在設計的時候，必須根據(jù)印制板的厚度、待塞孔的孔徑大小進行調(diào)整。經(jīng)過測試摸索優(yōu)化塞孔模版孔徑可以實現(xiàn)印制板板厚范圍在0.5 mm ～ 6.0 mm，孔徑0.15 mm ～ 0.6 mm之間的多種孔徑同時塞孔，能夠控制很好的冒油效果。表2列出不同板厚和孔徑對應的模版孔徑設計。

表2 列出不同板厚和孔徑對應的模版孔徑設計

3 樹脂塞孔工藝參數(shù)研究

3.1 工具及物料準備 (表3)

此工藝是大小孔同步樹脂塞孔，塞孔網(wǎng)版為環(huán)氧基板網(wǎng)版。

3.2 對位精度控制

塞孔前首先確保塞孔模版與印制板的對位精度準確（即漲縮保持一致），在對位時先采用透明的PE膜貼在板面上進行試印，觀察其油墨點的位置，如果油墨點偏出孔口范圍則說明對位有偏差，油墨點剛好在孔上面則說明對位準確。

3.3 刮印參數(shù)優(yōu)化

（1）塞孔樹脂受力分析。

樹脂塞孔除了對塞孔工具（刮膠、模版）有嚴格要求，在塞孔時其刮膠的壓力、絲印的速度、油墨的粘度也決定了塞孔質(zhì)量，圖6是油墨受力分析。

表3 塞孔工具及物料

圖6 油墨受力分析

根據(jù)塞孔過程中油墨的受力分析，將油墨受力分解為X方向和Y方向兩個分力，F(xiàn)x為油墨沿刮膠行進方向的動力，F(xiàn)y為油墨垂直于刮膠行進方向；

Fx=Fsinθ-?2

Fy=Fcosθ+G-?1

Fx和Fy是一組相互輔助、相互制約的參數(shù)，分別影響著刮膠下藏油墨量和油墨的塞孔動力，兩個分力的主要變量為刮膠的塞孔動力F、刮膠角度θ：

①刮膠角度θ增大→Cosθ減小→Fy減小，塞孔動力減小→下油量減少→塞孔不滿風險增大；

②刮膠角度θ減小→刮膠下藏油墨量減少→下油量減少→塞孔不滿風險增大；

④塞孔動力F增大→θ減小→刮膠下藏油墨量減少→下油量減少→塞孔不滿風險增大；

④塞孔動力F減小→Fy減小，塞孔動力減小→下油量減少→塞孔不滿風險增大。

（2）試驗板塞孔參數(shù)。

將冷藏條件下的油墨取出靜置24 h后，開油、攪拌、靜置，絲印時測得樹脂油墨粘度為540 dpa·s。塞孔段的具體流程為：樹脂塞前不織布研磨→樹脂塞前酸洗→樹脂塞前烘烤→樹脂塞孔→樹脂塞后固化→樹脂塞后研磨。試驗板塞孔絲印參數(shù)如表4。

（3）試驗結(jié)果。

按照表4的印刷參數(shù)，實現(xiàn)了塞孔一刀冒油，塞入面無糊網(wǎng)，大孔冒油效果良好。

表4 試驗板絲印參數(shù)

3.4 后固化參數(shù)優(yōu)化

樹脂塞孔最難控制的是孔內(nèi)氣泡和孔口凹陷，前面已經(jīng)分析過塞孔模版偏位、塞孔動力不足和刮刀下藏油量不足對孔內(nèi)氣泡和孔口凹陷的影響。此外，后固化參數(shù)也在很大程度上影響塞孔質(zhì)量，我們知道塞孔油墨具有一定粘度，在油墨成份一定時，油墨粘度與環(huán)境溫度相關（圖7）。油墨粘度一方面影響油墨塞孔時的張力（阻力），進而影響塞孔效果（無法一刀冒油），另一方面影響在塞孔時刮刀和回油刀對油墨攪拌時所產(chǎn)生的氣泡量和氣泡大小，張力越大，則氣泡越不易破。高厚徑比樹脂塞孔其孔內(nèi)或多或少都存在大小不等的氣泡，在烘烤過程中熱量是由板面向板中間傳遞，如果溫度驟然升高，則孔口油墨先于聚合，阻滯孔內(nèi)的氣泡逸出。因此必須從低溫多段烘烤，從圖9可以看出，溫度在30 ℃ ～ 130 ℃之間，粘度一直在不斷的降低，在這個溫度段非常有利于孔內(nèi)氣泡的逸出，孔口的氣泡比孔中間的氣泡承受的壓力要小，在粘度降低的過程中會優(yōu)先逸出。從上面分析可以發(fā)現(xiàn)后固化參數(shù)的控制對于解決塞孔孔內(nèi)氣泡是有很大提升空間的，因此本文力求通過對后固化參數(shù)的控制，達到減少樹脂塞孔孔內(nèi)氣泡的產(chǎn)生。

圖7 塞孔油墨溫度與粘度的關系

試驗驗證：

試驗板條件：板厚4.63 mm；塞孔孔徑0.35 mm；BGA塞孔節(jié)距1.0 mm；塞孔總孔數(shù)：42410個；塞孔最大厚徑比13.2∶1。工藝條件為干膜掩孔選擇性樹脂塞孔，樹脂塞前不織布研磨→樹脂塞前酸洗→樹脂塞掩孔貼膜→樹脂塞掩孔曝光→樹脂塞掩孔顯影-樹脂塞前烘烤→樹脂塞孔→樹脂塞后固化→樹脂塞后研磨→樹脂塞后褪膜→樹脂塞后研磨。

（1）試驗條件（表5）。

表5 驗證試驗條件

（2）后固化參數(shù)（圖8）。

（3）試驗結(jié)果：本次試驗使用之模版、刮膠及印刷參數(shù)均按照本文提供的方法進行制作，板面樹脂研磨完成后檢查孔口無凹坑、空洞，微切片觀察孔內(nèi)無氣泡，如圖9所示。

圖8 后固化參數(shù)

圖9 多段后固化樹脂塞孔切片圖

4 結(jié)論

經(jīng)大量生產(chǎn)實踐表明，使用絲網(wǎng)+環(huán)氧基板制作塞孔模版作為一種全新塞孔工藝，從根本上解決了鋁片模版批鋒、打折和變形的問題，使用環(huán)氧基板模版可大幅提高樹脂塞孔一次合格率到96%以上。

合理控制鉆孔漲縮提高模版與待塞孔板對位精度，調(diào)整塞孔參數(shù)保證樹脂入孔動力，研磨刮膠到合適角度，保證刮刀下藏油量，按照不同板厚、孔徑對塞孔模版孔徑進行區(qū)分設計，可實現(xiàn)高厚徑比大小孔同步塞孔，保證印制板板厚范圍在0.5 mm ～ 6.0 mm，孔徑0.15 mm ～ 0.6 mm之間的多種孔徑很好的冒油效果。

多段后固化的方式非常有利于孔內(nèi)氣泡的溢出，對于解決塞孔孔內(nèi)氣泡有很大的改善。

綜合以上提供的工藝方法可以滿足高厚徑比≥10大小孔同步塞孔需求，保證各種孔內(nèi)無氣泡，孔口無凹陷。

Process research of high AR complex-hole selective resin plugging

LIU Qiu-hua MU Dong FANG Qing-ling DING Yang LUO Lin XU Meng

This article shows PCB resin-plughole technology, using screen-printing technique, which mainly refl ected in several aspects such as selection of squeegee, design of plughole template, optimization of squeegee parameters and cure parameters, etc. By applying these techniques, our company realized high aspect ratio of PCB resin-plughole, while no bubbles and depressions, in the range of pore size from 0.15mm to 0.60mm. And these technologies have been tested by experiments that followed.

High AR; Complex-Hole; Selective Plughole; Plughole Template; Squeegee

TN41

A

1009-0096（2015）07-0028-04