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        PCB微孔成孔技術(shù)的現(xiàn)狀

        2020-05-19 02:50:52楊宏強(qiáng)
        印制電路信息 2020年4期
        關(guān)鍵詞:對(duì)位通孔成孔

        楊宏強(qiáng)

        (上海尚容電子科技有限公司,上海 201302)

        0 前言

        孔在印制電路板(PCB)中的主要作用是實(shí)現(xiàn)層間互連或安裝元件,幾乎所有的PCB需要孔。隨著電子產(chǎn)品越來越復(fù)雜,PCB上的孔越來越密,技術(shù)難度越來越高,設(shè)備投入越來越大,因此成孔技術(shù)越來越重要,值得深入研究、分析。

        業(yè)界常以導(dǎo)通與否把孔分為電鍍孔(PTH)、非電鍍孔(NPTH)兩類;以孔兩側(cè)可見與否把孔分為通孔(Through hole)、盲孔(Blind via)、埋孔(Buried via)(見圖1)。

        就成孔方式來看,PCB業(yè)界采用過的成孔方式有:機(jī)械鉆孔、機(jī)械沖孔、激光成孔、光致成孔、化學(xué)蝕孔、等離子蝕孔、導(dǎo)電柱穿孔等,目前應(yīng)用相對(duì)較為廣泛和成熟的成孔技術(shù)為:機(jī)械鉆孔和激光成孔(注:業(yè)界常用“激光鉆孔”,實(shí)際上“激光成孔”一詞更要準(zhǔn)確些,因?yàn)檫@是“光”加工的過程,本文采用“激光成孔”這一說法)。

        就目前PCB的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r而言,一般將孔徑在0.3 mm及以下的孔稱為微孔(Micro-via),本文將對(duì)此類微孔進(jìn)行探討。對(duì)于微孔成孔,目前最常用的工藝有機(jī)械鉆孔、CO2激光成孔、UV激光成孔三種。簡(jiǎn)單來說,微孔中的盲孔多采用激光成孔(CO2激光成較大孔,UV激光成較小孔);通孔(含埋孔)則多采用機(jī)械鉆孔。

        圖1 孔結(jié)構(gòu)示意圖

        1 機(jī)械鉆微孔技術(shù)現(xiàn)狀

        PCB機(jī)械鉆微孔屬超高速機(jī)械加工,目前主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)35萬轉(zhuǎn)/分。一般30萬轉(zhuǎn)/分的機(jī)械鉆孔機(jī)每分鐘可鉆500個(gè)左右的ф0.1 mm的孔(注:此數(shù)據(jù)僅供參考,不同的加工條件鉆孔速度差異較大)。一般機(jī)械鉆孔可用于各種類型的PCB微孔加工(如HDI、芯片級(jí)封裝載板、FPC等)。下文將從鉆頭(物料)、工藝和質(zhì)量三方面展開闡述。

        1.1 鉆頭

        機(jī)械鉆微孔中用到的主要物料為鉆頭(又名鉆刀、鉆針、鉆嘴),它是機(jī)械鉆微孔過程中用到的切削刀具。

        PCB用鉆頭,一般刃部采用鎢鈷類合金(硬質(zhì)合金材料),目前鉆頭的制造有整體式、插入式和焊接式三種,插入式和焊接式的鉆頭柄部為不銹鋼;刃部多采用外周倒錐和鉆心倒錐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該合金以碳化鎢(WC)粉末(88~94%,注:碳化鎢已從原來的90%降到88%)[1]為基體,以鈷(Co)(6`12%)為粘結(jié)劑,經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)而成,具有高硬度(碳化鎢硬度在92.5 HRA以上,抗彎強(qiáng)度在4000 N/mm2以上)和高耐磨性。調(diào)整碳化鎢和鈷的配比和碳化鎢顆粒度大小,可以改變鉆頭的性能,微孔鉆頭一般鈷含量要較其他鉆頭多一些。鈷含量變化引起鉆頭性能變化的狀況(見表1)。

        表1 鉆頭性能與鈷含量的基本關(guān)系

        目前,PCB常用微孔鉆頭(簡(jiǎn)稱微鉆)刃部直徑規(guī)格有0.075、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 mm等,也有0.05 mm及其他特殊直徑規(guī)格,但相對(duì)較少。圖2為日本佑能公司的鉆頭能力狀況,其在2008年宣布可以試制ф0.007 mm的鉆頭,實(shí)際可供應(yīng)的最小鉆頭直徑為ф0.02 mm;中國(guó)大陸的金洲公司在2020年初宣布其突破ф0.01 mm的鉆頭。(注:成年人頭發(fā)直徑約ф0.07 mm,ф0.007 mm的鉆頭直徑是頭發(fā)直徑的十分之一)。

        圖2 為日本佑能公司的鉆頭能力狀況

        微孔鉆頭柄徑有兩種:ф2.0和ф3.175 mm,一般主軸轉(zhuǎn)速30萬轉(zhuǎn)/分及以上的鉆孔機(jī)多使用ф2.0 mm的鉆頭柄徑;鉆頭刃部多為UC型(對(duì)鉆頭刃部進(jìn)行修磨,以減少棱刃與孔壁的摩擦);為了分散微孔鉆頭的應(yīng)力集中現(xiàn)象,一般在鉆頭柄部與刃部之間加入了緩沖段,做成階梯狀。

        微孔鉆頭的發(fā)展趨向是碳化鎢晶粒度由目前的0.2 μm向納米級(jí)減小,結(jié)構(gòu)上由雙排屑改為單排屑(或者改為單刃型設(shè)計(jì)),增大螺旋角度,減小鉆尖角等,以提高抗扭矩力和韌性,并保證硬度。另外,為了提高鉆頭硬度,減小摩檫,降低切削溫度,目前正在開發(fā)微孔鉆頭表面強(qiáng)化(或者涂層)技術(shù)(此技術(shù)在大鉆應(yīng)用比較成熟),具體有電弧離子鍍、離子注入、化學(xué)氣相沉積(將特硬的碳化鈦或氮化鈦等化學(xué)沉積到碳化鎢基體表面)和磁控濺射等技術(shù)[2]。

        1.2 工藝

        機(jī)械鉆微孔中需要關(guān)注的工藝參數(shù)主要有以下6個(gè):

        (1)轉(zhuǎn)速/切削速度。

        轉(zhuǎn)速:每分鐘主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)

        切削速度:每分鐘切削距離

        (2)進(jìn)刀速度/進(jìn)刀量。

        進(jìn)刀速度(也稱落速):每分鐘主軸下降的距離

        進(jìn)刀量:主軸每旋轉(zhuǎn)一圈所鉆入的距離

        (3)退回速度。

        退回速度(也稱提速):每分鐘主軸提升的距離

        (4)疊板數(shù)。

        影響疊板數(shù)的因素有:板層數(shù)、板厚、最小鉆孔孔徑、孔位公差要求、內(nèi)層銅厚、孔環(huán)等,主要需要關(guān)注板層數(shù)、板厚、最小鉆孔孔徑。

        (5)鉆頭狀態(tài)。

        鉆頭狀態(tài)包括鉆頭的研磨次數(shù)和鉆孔數(shù)。隨著微孔鉆頭的研磨次數(shù)增加,鉆孔質(zhì)量將逐漸變差,故鉆孔數(shù)需要減少。由于更小的微孔鉆頭(如ф0.1 mm和ф0.075 mm的鉆頭)比較難研磨,故PCB廠家多數(shù)情況下使用一次就報(bào)廢處理(最多可研磨一次,但相應(yīng)的孔數(shù)要減少)。

        (6)有效行程。

        有效鉆孔行程是鉆頭下限值(Down值)和上限值(Up值)之間的差值;這一點(diǎn)有時(shí)易被忽略,但應(yīng)注意:增加0.5 mm的無效鉆孔行程,對(duì)微孔鉆孔可能會(huì)造成15%以上的產(chǎn)能損失。

        機(jī)械鉆孔工藝參數(shù)(鉆削條件)對(duì)微孔加工、加工質(zhì)量的影響見表2和3。

        曾經(jīng)有些公司推出了可進(jìn)行盲孔加工的機(jī)械鉆孔機(jī)(最精準(zhǔn)的孔深精度控制在±12 μm,見圖3),但是隨著激光成孔機(jī)的技術(shù)成熟和效率大幅提升,機(jī)械鉆盲孔的應(yīng)用愈來愈少(注:控制深度機(jī)械鉆孔技術(shù)目前應(yīng)用愈來愈多,但孔深精度要求不如鉆盲孔高)。

        1.3 質(zhì)量缺陷

        表2 鉆削條件對(duì)微孔加工的影響

        機(jī)械鉆微孔常見的質(zhì)量缺陷有:孔大、孔小、多鉆、漏鉆、未鉆透、偏孔、釘頭(內(nèi)層銅面兩側(cè)延伸的厚度大于銅厚的100%)、孔壁粗糙度超標(biāo)、孔內(nèi)毛刺、內(nèi)層拉盤、內(nèi)層破盤等。

        表3 鉆削條件對(duì)微孔加工質(zhì)量的影響趨勢(shì)

        圖3 機(jī)械鉆盲孔例

        質(zhì)量缺陷常用的檢驗(yàn)工具有:

        (1)塞規(guī):檢查孔徑大?。?/p>

        (2)標(biāo)準(zhǔn)膠片/底片:檢查鉆孔位置及有無多鉆、少鉆;

        (3)放大鏡:檢查孔口、孔壁狀況;

        (4)檢孔機(jī):檢查孔數(shù)量、孔徑、孔位置精度。

        一般用在高層次PCB(例如載板)上的機(jī)械鉆微孔的孔形(如孔壁粗糙度控制在≤25 μm)、孔徑(如孔徑公差控制在+10 μm/-20 μm以內(nèi))、孔位(如孔位精度控制在≤±40 μm,甚至≤±30 μm)等質(zhì)量要求普遍比較高。

        2 激光成孔技術(shù)現(xiàn)狀

        激光(Laser)是英語Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大)的縮寫。世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年。60多年來,激光技術(shù)已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,在PCB行業(yè)應(yīng)用也非常成熟。激光成孔興起的主要原因是PCB布線越來越密,但傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔無法快速、穩(wěn)定量產(chǎn)微盲孔的加工(減少通孔,增加盲孔是提高PCB密度的有效的方法)等。下文將從激光原理、工藝和質(zhì)量缺陷三方面展開闡述。

        2.1 激光原理

        2.1.1 激光分類

        (1)按輸出的連續(xù)性與否分為:連續(xù)波和斷續(xù)脈沖式(Q開關(guān))激光;

        (2)按產(chǎn)生激光的主要介質(zhì)分為:氣體激光(如CO2分子、準(zhǔn)分子)、固體激光(如Nd:YAG激光,為摻釹釔鋁石榴石晶體,釔鋁石榴石晶體為其激活物質(zhì),釹原子含量0.6~1.1%,可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光)、液體激光、半導(dǎo)體激光(GaAs);

        (3)按波長(zhǎng)分為:紫外激光(波長(zhǎng)248~355 nm)、紅外激光(波長(zhǎng)9300~10600 nm)。

        2.1.2 激光加工原理

        光照射到物體時(shí),一部分被表面反射(反射率大小與物體表面形貌、被加工物質(zhì)特性有關(guān)),一部分透過表面進(jìn)入物體內(nèi)部,被物體吸收(光的吸收率與材料屬性直接相關(guān),吸收的光對(duì)物體產(chǎn)生熱效應(yīng)),還有一部分穿透過物體。

        光要對(duì)物體產(chǎn)生作用,物體必須盡可能多的吸收光。物體對(duì)光的吸收不僅與光的波長(zhǎng)有關(guān),同時(shí)與物體自身屬性有關(guān),圖4是PCB主要原材料對(duì)光的吸收率。從圖4可以看出:樹脂對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收率沒有明顯差異,它在紫外光和紅外光區(qū)域的吸收率都較高;玻璃纖維對(duì)不同頻率光的吸收率差異較大,它在紫外光和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光區(qū)域的吸收率較高;銅箔僅在紫外光區(qū)域的吸收率高(故紅外光很難直接加工銅箔)。

        圖4 PCB主要原材料對(duì)光的吸率 (資料來源:ESI)

        20紀(jì)80年代末,業(yè)界出現(xiàn)了用于PCB成孔的CO2激光成孔設(shè)備,使用的是波長(zhǎng)為9400 nm的紅外激光,成孔速度快,但只能加工樹脂、玻璃纖維,無法直接加工銅箔。90年代后,出現(xiàn)了以惰性氣體為光源的成孔設(shè)備(如ArF、KrF、XeF等),其波長(zhǎng)達(dá)到了193、266、351 nm,該類激光設(shè)備可直接加工銅箔,但成孔速度慢,同時(shí)需要提供惰性氣體。之后出現(xiàn)了采用Nd:YAG的激光成孔設(shè)備,波長(zhǎng)355 nm,其峰值功率可達(dá)十幾千瓦,這種強(qiáng)功率的紫外激光可直接加工銅箔,且速度較快。目前研發(fā)的有紫外混合光纖(耦合)激光和飛秒(10~15 s)激光成孔設(shè)備[5]。

        2.1.3 激光光束模式

        通常,為了使得激光成微孔的孔型更好,一般都會(huì)將最初的高斯?fàn)罘植嫉募す夤馐℅aussian beam mode)變換為扁平式分布的激光光束(Top hat beam或稱作Shaped beam),見圖5所示。

        圖5 激光光束模式(左圖為高斯分布,右圖為扁平式分布)

        2.2 激光成微孔工藝

        目前業(yè)界常用的激光成孔有CO2(屬紅外光,用CO2做激光源)和UV(紫外激光,用Nd:YAG做激光源)兩類(兩者基本性能比較見表4)。最新的激光成孔機(jī)多為兩臺(tái)面兩束激光或者兩臺(tái)面四束激光(采用分時(shí)或分光的方式將一束激光變換成兩束激光以提高加工效率)。

        表4 CO2和UV激光基本性能比較表

        2.2.1 CO2紅外激光工藝

        其加工過程是:被加工件吸收CO2紅外激光能量后,分子做劇烈熱運(yùn)動(dòng),當(dāng)加熱溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí),材料發(fā)生熔化;若持續(xù)供給激光能量,材料上的溫度在極短的時(shí)間內(nèi)上升使材料氣化,而后蒸發(fā)飛逸形成孔。因此有時(shí)把CO2紅外激光加工稱作熱加工。

        受CO2激光加工波長(zhǎng)的限制,通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦的CO2激光光束直徑最小約35 μm左右,故可加工微孔的最小孔徑為35 μm,見圖6。

        一般CO2紅外激光常用于HDI板、芯片級(jí)封裝載板的微孔加工。

        圖6 35 μm的激光孔(左:從頂部看,中:從底部看,右:切片圖)

        2.2.2 紫外激光工藝

        其加工過程是:被加工件吸收紫外激光能量后,紫外激光的化學(xué)能就能破壞有機(jī)分子的分子鍵、金屬晶體的金屬鍵和無機(jī)物的離子鍵,形成懸浮顆粒或原子團(tuán)、分子團(tuán)或原子、分子,這在局部發(fā)生蓬松,施以吸力,可使小微粒逃逸或被強(qiáng)制吸走形成孔。因此有時(shí)把紫外激光加工稱作冷加工。

        一般PCB加工用的紫外激光的最小光斑尺寸為15 μm,理論上最小的成孔孔徑可為15 μm(采用punch方式);但應(yīng)該注意,實(shí)際中多數(shù)情況下,紫外激光加工的孔徑要大于15 μm,可參考圖7的說明(圖7中左圖選擇的是圓形路徑,也可選擇其他的激光行走軌跡路徑);若沿激光束軌跡的激光能量最大,最終打掉的底銅也深。

        一般紫外激光常用于FPC(此類機(jī)臺(tái)一般是一臺(tái)面一束激光,紫外激光不易碳化FPC中的PI)、帶有極小微孔的芯片級(jí)封裝載板的微孔加工。

        2.2.3 CO2紅外和UV激光加工能力對(duì)比

        CO2激光和UV激光加工能力對(duì)比見表5所示。

        圖7 紫外激光成孔(左為示意圖,右為切片圖)

        表5 CO2和UV激光加工能力比較表

        圖8 Conformal Mask工藝(左為激光成孔后的切片,右為電鍍后的切片)

        圖9 Large Window工藝(左為激光成孔后的切片,右為電鍍后的切片)

        圖10 銅面減薄+處理+ CO2激光成孔(左為激光成孔后的切片,右為電鍍后的切片)

        圖11 CO2激光成通孔(左圖為二層通孔,一般呈“×”狀,右圖為三層通孔)

        圖12 UV激光成盲孔

        圖13 UV激光成通孔

        圖14 UV激光成錐形孔(下孔徑為15 μm,左為激光成孔后的切片,右為電鍍后的切片)

        2.2.4 激光成孔的工藝參數(shù)

        CO2激光成孔的主要工藝參數(shù)有:光束直徑、脈沖寬度、脈沖數(shù)量和成孔模式。圖15中右圖為Via Mechanics公司新申請(qǐng)的一種CO2激光直接成孔模式的專利,不同的成孔模式,最終的成孔速度、孔形質(zhì)量差異很大。UV激光成孔的主要工藝參數(shù)有:光束移動(dòng)速度和行走軌跡、圈數(shù)、激光頻率和激光功率等,較為復(fù)雜。

        2.2.5 激光成孔的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

        (1)加工工藝參數(shù)。

        見圖16,圖中的六個(gè)圈所示的位置,理論上激光參數(shù)應(yīng)該是不同的(特別是A和B處差異很大),但實(shí)際中只能選擇一種,故設(shè)定參數(shù)時(shí)既要考慮去除掉位置A處的玻璃纖維,也要考慮不可過大損傷位置B處的底銅)。

        (2)銅箔、介質(zhì)層厚度。

        厚度不均,公差過大,參數(shù)越難選取,應(yīng)盡量控制銅箔、介質(zhì)層的厚度不均、公差過大問題。

        (3)對(duì)位。

        對(duì)位問題涉及到兩種對(duì)位:層間對(duì)位和整板對(duì)位。

        對(duì)于激光成孔的層間對(duì)位,一般即使有偏差,大都在可接受的允許范圍內(nèi),如圖17的右圖所示(注:對(duì)于機(jī)械鉆通孔的對(duì)位標(biāo)靶或者定位孔,通常是各層圖形標(biāo)靶綜合后的中心位置,它兼顧了各層圖形由于漲縮、偏移等因素導(dǎo)致的標(biāo)靶偏位情況;對(duì)于激光成盲孔的對(duì)位標(biāo)靶,多數(shù)僅是參考次外層圖形上的標(biāo)靶位置,所以不同層間的盲孔位置可能會(huì)有偏移)。

        整板對(duì)位則是比較大的問題。如果前期未控制好(特別是漲縮較大的材料,或者非線性、非對(duì)稱的扭曲變形),后續(xù)偏移可能會(huì)比較大;對(duì)此,一種方法是對(duì)位算法的優(yōu)化(不能是簡(jiǎn)單的算術(shù)平均),另一種方法是分區(qū)域?qū)ξ环ǎ炊嘟M標(biāo)靶孔對(duì)位,一般為兩分法或者四分法,主要是針對(duì)對(duì)位精度要求極高的PCB),如圖18所示(注:后續(xù)工序也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的分區(qū)域?qū)ξ唬?/p>

        圖15 兩種CO2激光直接成孔模式

        圖16 不同位置的激光參數(shù)選取差異

        圖17 層間對(duì)位(左圖無偏移,右圖有偏移)

        圖18 分區(qū)域?qū)ξ环?/p>

        2.3 質(zhì)量缺陷

        激光成微孔的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一般要求較高,缺陷檢查項(xiàng)目也較多。如孔壁粗糙度一般要控制在≤18 μm,孔徑公差一般控制在≤±20 μm(為便于后續(xù)的盲孔電鍍,一般激光微盲孔加工為倒梯形狀,0.65ф(下孔徑)≤ф≤1.1ф(上孔徑)),孔位精度一般控制在≤±20 μm等。

        具體來看,激光成孔常見的質(zhì)量缺陷有孔徑不符、偏孔、漏孔、多孔、孔壁側(cè)蝕、鼓形、玻璃纖維突出、樹脂殘留、底銅損傷、孔底外沿微裂、底銅分離、孔口懸銅等。

        3 結(jié)語

        綜上,目前來看:在HDI和芯片級(jí)封裝載板領(lǐng)域,微孔孔徑在0.15 mm及以上的通孔,多采用機(jī)械鉆孔;孔徑在0.05~0.15 mm之間的通孔,視工藝流程、規(guī)格要求、成本狀況選擇機(jī)械鉆孔或者CO2激光成孔;孔徑在0.05 mm以下的通孔多采用UV激光成孔。微孔孔徑在0.05 mm及以上的盲孔多采用CO2激光成孔;0.05 mm以下多采用UV激光成孔。

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