李香華 樊錫超 凌大昌 鄒金龍

（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

0 前言

隨著無(wú)線基站、儲(chǔ)存、云計(jì)算以及終端消費(fèi)類產(chǎn)品不斷地進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換,使得電子產(chǎn)品通信頻率越來(lái)越高,通信產(chǎn)品不斷地朝著高頻率、高速化、高密度的趨勢(shì)發(fā)展,這些趨勢(shì)給印制電路板（PCB）加工及制作不斷帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在制作5G通訊用PCB時(shí)在壓合加工和樹(shù)脂塞孔工藝帶來(lái)新的技術(shù)難度；同時(shí)為向圖形高密度發(fā)展,BGA（球柵陣列）節(jié)距（pitch）發(fā)展越來(lái)越小,BGA節(jié)距由1.0 mm減少至0.7 mm；機(jī)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(shù)。

在POFV工藝在生產(chǎn)高厚徑比（20:1）樹(shù)脂填孔時(shí)出現(xiàn)裂紋和氣泡,選擇“真空塞孔”技術(shù)解決此問(wèn)題,但PCB在后續(xù)加工過(guò)程中存在樹(shù)脂與銅結(jié)合力不足,造成“密集區(qū)樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落”成為痛點(diǎn)（見(jiàn)圖1所示）,造成下游公司無(wú)法安裝零配件。

圖1 BGA連接盤(pán)脫落示意圖

本文主要探討樹(shù)脂油墨和板材的CTE（熱膨脹系數(shù)）匹配度、烤板工藝、圖形設(shè)計(jì)以及后續(xù)加工參數(shù)對(duì)樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落的影響因素。

1 填孔覆蓋電鍍（POFV）工藝流程和連接盤(pán)脫落產(chǎn)生機(jī)理分析

樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落產(chǎn)生機(jī)理分析和工藝加工過(guò)程原理進(jìn)行闡述和說(shuō)明。POFV工藝主要包含：前處理（含磨板及烘烤）→樹(shù)脂油墨塞孔（真空塞孔）→烤板固化→樹(shù)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(guò)“陶瓷＋高切削不織布”磨刷打磨PCB,去除銅結(jié)晶、樹(shù)脂孔堵塞等板面異物,為樹(shù)脂塞孔提供一個(gè)銅潔凈的基礎(chǔ)環(huán)境,與本文所要探討的樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落無(wú)關(guān)聯(lián)性,因此不做詳細(xì)說(shuō)明。樹(shù)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(yīng)力釋放且保證板材尺寸穩(wěn)定,保障PCB基材在一個(gè)低熱膨脹狀態(tài)下與樹(shù)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(dāng)PCB置于溫度超過(guò)100 ℃的環(huán)境下（如回流焊、熱風(fēng)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(dá)覆蓋銅與樹(shù)脂結(jié)合力臨界點(diǎn)時(shí),覆蓋銅層受力發(fā)生扭曲形變脫離樹(shù)脂,造成覆蓋銅與樹(shù)脂分層或嚴(yán)重時(shí)覆蓋銅的樹(shù)脂脫落分離。

（2）樹(shù)脂油墨真空塞孔：樹(shù)脂油墨是高分子化合物包含填料、固化劑與主體樹(shù)脂,具有一定黏稠性和觸變性。真空樹(shù)脂塞孔過(guò)程是先在抽真空機(jī)攪拌30分鐘,把油墨攪拌均勻,控制油墨黏度值以及去除樹(shù)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(shè)備后,在真空狀態(tài)和壓力下,將樹(shù)脂油墨在塞孔刮刀和真空雙重作用下,把樹(shù)脂灌入與塞孔鋁片相對(duì)應(yīng)需樹(shù)脂塞孔的金屬導(dǎo)通孔內(nèi)。PCB材料中包含樹(shù)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(shù)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(huì)產(chǎn)生不同方向（X/Y/Z方向）劇烈膨脹,造成樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)上的樹(shù)脂受力不勻分離,嚴(yán)重情況下導(dǎo)致孔環(huán)浮離,最終導(dǎo)致連接盤(pán)脫落。

（3）烤板固化：樹(shù)脂油墨塞入孔內(nèi)時(shí)屬于黏稠狀具有一定的流動(dòng)性,需要在高溫（150 ℃及以上）烘干使樹(shù)脂固化。高多層板厚度高達(dá)3.5 mm,產(chǎn)品進(jìn)入烤箱烘烤時(shí),因孔口溫度相比孔內(nèi)中心樹(shù)脂溫度高,孔口邊樹(shù)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(yīng)力時(shí)間長(zhǎng)短不一致,隨著固化時(shí)間的推移其收縮應(yīng)力逐步增大,最終造成樹(shù)脂、PP板材與銅三者CTE匹配度差異拉大造成同層分離,樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落。

（4）圖形蝕刻（圖形設(shè)計(jì)）：PCB在蝕刻過(guò)程中把客戶不需要的銅去除掉,在銅與銅、銅與基材分離過(guò)程中,剩余的銅得到應(yīng)力釋放過(guò)程。影響被覆蓋的銅（樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)）與基材的附著力與覆蓋銅面積的大小相關(guān),覆蓋銅面積越大,覆蓋銅與基材結(jié)合力越強(qiáng)；因此在圖形設(shè)計(jì)時(shí),PCB廠家普遍會(huì)把連接盤(pán)圖形設(shè)計(jì)面積加大,增加銅與基材結(jié)合力。

2 DOE（正交實(shí)驗(yàn)法）試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

基于上文分析樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落的產(chǎn)生機(jī)理,進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證,通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析不良率,找出影響樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落真正因子,根據(jù)真因進(jìn)行改善或優(yōu)化。DOE試驗(yàn)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(shù)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(shù)脂油墨類型：選擇兩家公司相同類型油墨,代號(hào)分別為A、B；

（4）圖形設(shè)計(jì)：連接盤(pán)直徑大小設(shè)計(jì)放大后為0.2 mm、0.3 mm。

根據(jù)以上不同影響因素設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)3因子2水平的試驗(yàn)（見(jiàn)表1所示）,全因子試驗(yàn)組合為8組,每種試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2塊板,每塊板設(shè)計(jì)BGA連接盤(pán)數(shù)量為30個(gè),共計(jì)480個(gè)連接盤(pán)。試驗(yàn)采用評(píng)分原則對(duì)本次試驗(yàn)組合進(jìn)行評(píng)比,采用不良率的方式進(jìn)行對(duì)比,不良率越低,實(shí)驗(yàn)效果越好。

表1 樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上不同品牌油墨、烤板參數(shù)和連接盤(pán)設(shè)計(jì)大小進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得知：實(shí)驗(yàn)方案四和實(shí)驗(yàn)方案八,通過(guò)優(yōu)化烤板參數(shù)和BGA連接盤(pán)圖形設(shè)計(jì)預(yù)放大增加可以解決樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落不良率為0（見(jiàn)表2所示）,成功解決了高多層通訊板樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)脫落問(wèn)題。

表2 樹(shù)脂塞孔Pad脫落試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果表

3 結(jié)論

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

（2）樹(shù)脂油墨真空塞孔后烤板固化主要受孔內(nèi)外樹(shù)脂油墨溫度不一致,熱膨脹體積隨著固化時(shí)間推移而增大；相同參數(shù)烤板固化（烤板參數(shù)150 ℃、90 min）樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)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(shù)脂塞孔Pad圖形設(shè)計(jì)預(yù)放大后面積越大,銅與樹(shù)脂結(jié)合力越強(qiáng)；相同條件下,0.3 mm連接盤(pán)脫落不良率相比0.2 mm連接盤(pán)明顯低；在設(shè)計(jì)圖形時(shí),連接盤(pán)放大應(yīng)保證最小間距,導(dǎo)入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,在滿足客戶成品需求前提下做最大的補(bǔ)償,保證樹(shù)脂塞孔連接盤(pán)抓基材面積較大。