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        5G功放板填孔覆蓋鍍層耐熱性能研究

        2023-05-13 06:44:04傅立紅
        印制電路信息 2023年4期
        關(guān)鍵詞:鍍銅基板鍍層

        傅立紅

        (廣東依頓電子科技股份有限公司,廣東 中山 528445)

        0 引言

        5G 功放板是一種貼裝在5G 主板表面,經(jīng)過(guò)內(nèi)置射頻天線(xiàn)和高頻電磁波在空氣中向遠(yuǎn)處傳播信號(hào),輔助5G 主板將信號(hào)放大的印制電路板(printed circuit board,PCB)。PCB 基板需要具備優(yōu)良的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性,要求高頻率信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失非常小且穩(wěn)定。

        選擇一款 PCB,基板為碳?xì)錁?shù)脂(hydrocarbon resin,PCH)類(lèi)熱固性高速材料S7136。S7136在10 GHz的高頻下具有較低的介電損耗(Df=0.003)和較低的介電常數(shù)(Dk=3.36),是一款電性能優(yōu)越的國(guó)產(chǎn)高頻高速材料,其玻璃化溫度(Tg)≥280 ℃(差示掃描量熱法);熱分解溫度(Td)為390 ℃;Z方向的熱膨脹系數(shù)(coefficient oLead-free reflowf thermal expansion,CTE)為50×10-6/℃;剝離強(qiáng)度0.8 N/mm(35 μm銅箔)。材料的可加工性與其他碳?xì)洳牧舷嗤?,相比普通的FR4 材料較難,尤其在鉆孔、沉銅、防焊、機(jī)加工等工序有其特別工藝管控要求。

        該P(yáng)CB 產(chǎn)品有填孔覆蓋電鍍(plate over filled via,POFV)設(shè)計(jì),為保證POFV 鍍層與樹(shù)脂間的高可靠性能,本文針對(duì)POFV處樹(shù)脂與銅鍍層分離的問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)研究,重點(diǎn)介紹該板在高溫下POFV處的樹(shù)脂與銅分離問(wèn)題的解決方法。

        1 POFV鍍層與樹(shù)脂分離現(xiàn)象描述

        1.1 測(cè)試條件

        無(wú)鉛回流(lead-free reflow,IR)參數(shù):最高溫度(260±5)℃,過(guò)程溫度在255 ℃以上保持20~30 s,過(guò)程溫度在217 ℃以上保持120~150 s,IR為5次。

        1.2 外觀(guān)接受標(biāo)準(zhǔn)

        無(wú)起泡,無(wú)阻焊膜剝落。

        1.3 切片接受標(biāo)準(zhǔn)

        (1)不同網(wǎng)絡(luò)板材與鍍銅無(wú)裂紋、分層。

        (2)同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的板材裂紋和分層可接受,但不能擴(kuò)展到同網(wǎng)絡(luò)的外部,不允許鍍銅裂紋。

        (3)POFV 位不可出現(xiàn)填孔樹(shù)脂表面與鍍銅分層或起泡的現(xiàn)象。

        1.4 切片結(jié)果

        取PCB 過(guò)IR 之后的缺陷板做切片進(jìn)行觀(guān)察,在POFV 位處樹(shù)脂填充無(wú)空洞及裂紋,但出現(xiàn)了鍍銅與樹(shù)脂分離的問(wèn)題,如圖1所示。

        圖1 缺陷板橫截面切片

        2 POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂表面分離原因分析

        針對(duì)POFV 鍍層與樹(shù)脂分離的缺陷,采用魚(yú)骨圖對(duì)影響因子進(jìn)行梳理,確認(rèn)可能導(dǎo)致5 個(gè)異常因素的產(chǎn)生,如圖2所示。其中人員操作異??赡軙?huì)使POFV 處的樹(shù)脂面污染,導(dǎo)致填孔樹(shù)脂表面與鍍銅間的結(jié)合力下降,在PCB 過(guò)無(wú)鉛回流焊高溫下發(fā)生分離問(wèn)題。該因素屬于現(xiàn)場(chǎng)管理異常問(wèn)題,未列在本次研究?jī)?nèi)。

        圖2 魚(yú)骨原因分析

        從PCB 流程制作的工藝參數(shù),如填孔樹(shù)脂固化烤板和電鍍通孔(plating through hole,PTH)除膠、填孔樹(shù)脂CTE 特性、磨樹(shù)脂后到第2 次PTH 現(xiàn)場(chǎng)在制PCB 存放時(shí)間管控等3 個(gè)方面進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)測(cè)試方案進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)填孔后樹(shù)脂固化的烤板參數(shù)及樹(shù)脂CTE特性進(jìn)行對(duì)比測(cè)試;其次對(duì)磨樹(shù)脂后到第2次沉銅的存放時(shí)間與第2次PTH除膠時(shí)的參數(shù)做對(duì)比測(cè)試。

        3 流程測(cè)實(shí)驗(yàn)證

        3.1 測(cè)試方案1

        3.1.1 測(cè)試流程

        樹(shù)脂填孔→烤板→磨樹(shù)脂→AOI 檢查→沉銅→VC→測(cè)試。

        3.1.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

        采用不同的填孔樹(shù)脂與烤板參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,見(jiàn)表1。

        表1 不同樹(shù)脂及固化烤板參數(shù)測(cè)試組合與測(cè)試結(jié)果

        3.1.3 結(jié)果及分析

        常規(guī)測(cè)試為過(guò)5 次IR,本實(shí)驗(yàn)采用極限測(cè)試(10 次IR)。由表1 可知,A 樹(shù)脂所做的測(cè)試板在第3次IR 測(cè)試時(shí),100%出現(xiàn)樹(shù)脂與鍍銅分離的問(wèn)題,初步分析為A 樹(shù)脂與此類(lèi)基板CTE 嚴(yán)重不匹配,需要進(jìn)一步對(duì)不同樹(shù)脂CTE 進(jìn)行對(duì)比分析。條件2 與4 使用B 供應(yīng)商的填孔樹(shù)脂,配合2 種固化烤板條件。條件4的烤板條件分為2段,在前段增加低溫區(qū),方便水分或溶劑揮發(fā),在高溫固化段延長(zhǎng)30 min,讓填孔樹(shù)脂固化更充分。條件2在極限測(cè)試時(shí)耐熱性的表現(xiàn)較差,說(shuō)明優(yōu)化烤板條件,提高樹(shù)脂的固化程度對(duì)改善POFV 鍍層與樹(shù)脂分離有一定作用。

        3.1.4 不同物料CTE特性對(duì)比測(cè)試

        為了更準(zhǔn)確地了解各種物料的CTE 在同一水準(zhǔn)下的真實(shí)差異,確認(rèn)異常原因,繼續(xù)對(duì)A 和B填孔樹(shù)脂及基板在同一測(cè)試條件下做各種物料的CTE對(duì)比測(cè)試。

        (1)填孔樹(shù)脂CTE 測(cè)試取樣。取A 與B 樹(shù)脂各50 g 左右,放在1 塊銅板的表面,然后平放入立式烤箱中,烘烤80 ℃/1 h+100 ℃/1 h+150 ℃/1.5 h,完成烤板后在磨水晶切片的研磨機(jī)上磨成如圖3所示的小方塊,從基板一起取樣送實(shí)驗(yàn)室用熱機(jī)械分析(thermomechanical analysis,TMA)法測(cè)量樹(shù)脂CTE值。

        圖3 樹(shù)脂固化后做CTE測(cè)試樣品

        (2)不同樹(shù)脂與S7136 基板CTE 對(duì)比測(cè)試。測(cè)試不同物料的CTE結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同物料熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果

        由圖可知,A 樹(shù)脂CTE 為3.77%,B 樹(shù)脂CTE為1.60%,S7136 基板CTE 為1.46%。A 樹(shù)脂較B樹(shù)脂的CTE 值較高,說(shuō)明2 種樹(shù)脂CTE 特性差異較大;B 樹(shù)脂CTE 與S7316 基材的CTE 數(shù)值接近。根據(jù)不同樹(shù)脂與S7136 基材CTE 的測(cè)試對(duì)比,結(jié)合3.1.2的測(cè)試方案中IR 測(cè)試結(jié)果(采用A 樹(shù)脂所做PCB 出現(xiàn)了較嚴(yán)重的POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂表面分離的問(wèn)題,B 樹(shù)脂所做的PCB 基本沒(méi)有問(wèn)題)進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)PCB 制作中的填孔樹(shù)脂與基板的CTE 特性相同或相近,可避免POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂之間發(fā)生分離的問(wèn)題。

        3.2 測(cè)試方案2

        研究PTH 流程前不同停留時(shí)間(72、120、168 h),以及不同除膠參數(shù)(普通Tg除膠參數(shù)及Tg除膠參數(shù))對(duì)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離的影響,設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下。

        3.2.1 測(cè)試流程

        磨樹(shù)脂→AOI 檢查→沉銅前停留時(shí)間→沉銅除膠參數(shù)→VCP→測(cè)試。

        3.2.2 測(cè)試條件及方案

        除膠參數(shù)分普通Tg除膠參數(shù)與高Tg除膠參數(shù),停留時(shí)間分3種情況,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 測(cè)試因子組合與結(jié)果

        3.2.3 方案2測(cè)試結(jié)果

        在第2次沉銅前,停放在72及120 h以?xún)?nèi)的測(cè)試板過(guò)10 次IR 均未出現(xiàn)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離的情況;168 h 的測(cè)試板過(guò)5 次IR 時(shí)未出現(xiàn)問(wèn)題,繼續(xù)跟進(jìn)到第8 次IR 時(shí),POFV 鍍層處樹(shù)脂與銅分離。普通Tg與高Tg除膠參數(shù)有輕微差異,說(shuō)明對(duì)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離也有少許的影響,沉銅前停放時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)分離影響越大,因此需要對(duì)停留時(shí)間進(jìn)行管控。

        填孔樹(shù)脂是一種熱固性的高分子化合物,在填孔前以支鏈狀態(tài)存在,經(jīng)高溫后,分子鏈中的反應(yīng)基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),完成固化成型。由于在高溫下填孔樹(shù)脂的固化反應(yīng)不能達(dá)到100%,固化后的填孔樹(shù)脂依然存在極性分子,長(zhǎng)時(shí)間裸露在空氣中會(huì)吸附空氣中的水分子,形成結(jié)晶水,沉銅后填孔樹(shù)脂表面上鍍上一層銅,封住了IR 高溫下填孔樹(shù)脂中吸附的水分子汽化的路徑,當(dāng)水汽所產(chǎn)生的壓力大于填孔樹(shù)脂與鍍銅的結(jié)合力時(shí),會(huì)發(fā)生填孔樹(shù)脂與鍍銅分離的問(wèn)題。

        結(jié)果顯示,不同除膠參數(shù)對(duì)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離有部分影響。沉銅除膠是通過(guò)高錳酸鉀藥水對(duì)填孔樹(shù)脂進(jìn)行咬蝕,使填孔樹(shù)脂表面形成均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu),可提高填孔樹(shù)脂與鍍銅之間的結(jié)合力。在鍍銅前加強(qiáng)對(duì)填孔樹(shù)脂表面除膠,理論上可增加填孔樹(shù)脂表面蜂窩的形成,進(jìn)一步提高POFV鍍層的耐熱可靠性能。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離的原因分析,并針對(duì)性地進(jìn)行測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)論如下。

        (1)影響POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離的主要因素是所選填孔樹(shù)脂的CTE 特性與基板CTE 特性的匹配性,在選擇物料時(shí),2 種物料的CTE 應(yīng)盡量保持相近,可有效解決此類(lèi)問(wèn)題。

        (2)填孔后的樹(shù)脂固化烤板參數(shù)、磨樹(shù)脂后到電鍍通孔的停留時(shí)間、電鍍通孔過(guò)程中除膠條件等對(duì)POFV 鍍層與填孔樹(shù)脂分離有少許影響,需通過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)的管控方案對(duì)流程進(jìn)行管控,保證品質(zhì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

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