陳市偉 黃 學(xué)

［競陸電子（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300］

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）制造中，樹脂塞孔工藝通常選用樹脂油墨印刷的方式，將需要填塞的各類型孔進(jìn)行填充并烘烤固化，以達(dá)到塞孔的目的。對(duì)于各種盲埋孔設(shè)計(jì)，采用樹脂塞孔填充之后，有利于層壓真空環(huán)境下的樹脂填膠及流動(dòng)，可避免半固化片（prepreg，PP）填孔膠不足導(dǎo)致的孔口凹陷問題及壓合缺膠皺褶。在樹脂塞孔后進(jìn)行覆蓋電鍍，即填孔覆蓋電鍍（plating over filled via，POFV）工藝。對(duì)高密度導(dǎo)通孔進(jìn)行塞孔加工，有利于規(guī)避因孔內(nèi)異物堵孔及阻焊油墨塞孔不良導(dǎo)致的腐蝕藥水殘留，提升散熱效果。

在樹脂塞孔工藝過程中，不同類別的產(chǎn)品會(huì)發(fā)生不同的制程問題，如高厚徑比孔的樹脂塞孔產(chǎn)生裂紋，樹脂塞孔研磨過程中鍍覆孔拐角露銅，以及樹脂擴(kuò)散入非支撐孔等。其中，解決樹脂擴(kuò)散入非支撐孔問題的方法有：①在樹脂塞孔研磨后增加二次鉆孔流程［1］；②改變?nèi)浊疤幚韥碜柚箻渲瑪U(kuò)散；③在塞孔研磨后增加不同的清潔方式。本文采用高錳酸鉀浸泡清潔處理，該方案最具經(jīng)濟(jì)性，且可量化生產(chǎn)。

1 樹脂油墨擴(kuò)散

1.1 塞孔過程網(wǎng)版擠壓擴(kuò)散

塞孔過程網(wǎng)版擠壓擴(kuò)散的原因?yàn)榫W(wǎng)版與板子接觸，鏟刀擠壓過程中，油墨在網(wǎng)版下面擴(kuò)散。該現(xiàn)象屬于塞孔工藝的正常情況。擴(kuò)散入孔則主要因塞孔與非支撐孔距離過近，過程中網(wǎng)版下墨面油墨受鏟刀擠壓后在PCB 板面上擴(kuò)散，未及時(shí)清潔擦拭導(dǎo)致固體油墨入孔，如圖1所示。

圖1 塞孔油墨粘網(wǎng)擴(kuò)散

對(duì)于此類問題，一般通過在塞孔過程中以固定頻率清潔擦拭下墨面網(wǎng)版來加以管控。將距離較近的非支撐孔改為二次鉆孔的方案也可解決該問題［1］，但對(duì)于孔位精度要求較高的產(chǎn)品，會(huì)出現(xiàn)二次定位疊加偏差，衍生孔偏及后制程成型尺寸不良。增加二次鉆孔流程也會(huì)導(dǎo)致制造成本上升，因此需進(jìn)一步研究更具經(jīng)濟(jì)性的解決方案。

1.2 烘烤過程樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象

樹脂擴(kuò)散發(fā)生在烘烤過程中。觀察發(fā)現(xiàn)，塞孔烘烤后，銅面的顏色發(fā)生變化。有樹脂的銅面周圍，有油脂性揮發(fā)物會(huì)順著塞孔前銅面磨刷及烤箱氣流的方向覆蓋銅面；沒有樹脂的銅面僅有黃銅色氧化。

1.3 烘烤過程樹脂擴(kuò)散分析

經(jīng)流程分析發(fā)現(xiàn)，樹脂油墨擴(kuò)散主要受塞孔前PCB 的前處理方式影響。樹脂油墨會(huì)隨著溫度的升高而逐漸降低其黏性。溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，黏度降低至200 Pa·s，如圖2 所示。樹脂油墨在重力作用下順著磨刷方向產(chǎn)生的微細(xì)溝槽擴(kuò)散延伸，如圖3所示。

圖2 樹脂油墨黏度隨溫度升高變化曲線

圖3 磨刷后的銅面微細(xì)溝槽（電子顯微鏡×500）

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同的塞孔前銅面處理方式對(duì)樹脂擴(kuò)散方向及擴(kuò)散距離有直接影響，見表1。

表1 塞孔前銅面處理方式與樹脂塞孔油墨擴(kuò)散方向及距離的關(guān)系

1.4 樹脂擴(kuò)散入非支撐孔分析

1.4.1 外觀分析

蝕刻后通過采用自動(dòng)化光學(xué)檢測（automated optical inspection，AOI）側(cè)45°檢驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)非支撐孔殘銅現(xiàn)象，對(duì)成品外觀側(cè)45°檢驗(yàn)也可發(fā)現(xiàn)非支撐孔孔內(nèi)殘銅，如圖4（a）所示。

圖4 非支撐孔殘銅

1.4.2 切片及X射線能譜儀元素分析

通過對(duì)異常板做微切片及X 射線能譜儀分析（energy dispersive X-ray analysis，EDXA）元素分析可知，非支撐孔殘銅位置孔壁殘留銅厚與鍍通孔銅厚相符，孔內(nèi)殘銅的孔壁EDXA 元素成分與樹脂成分吻合，說明孔壁表面上殘留較多的樹脂抗蝕物質(zhì)，如圖4（b）和圖4（c）所示。

1.4.3 塞孔工藝流程分析

（1）產(chǎn)品及塞孔資料：2 500 目（約5.5 μm）絲網(wǎng)，塞孔孔徑為0.2 mm，塞孔縱橫比為4.5，塞孔距非支撐孔0.6 mm。

（2）塞孔的工藝流程：垂直連續(xù)電鍍（vertical continuous plating，VCP）→樹脂塞孔→熱烘烤→研磨→外層線路→蝕刻→AOI。

（3）POFV 流程與常規(guī)樹脂塞孔流程：①POFV樹脂塞孔。VCP→樹脂塞孔→熱烘烤→研磨→金屬化孔（plating through hole，PTH）→蓋孔電鍍→外層線路→圖形電鍍→堿性蝕刻→AOI。②常規(guī)樹脂塞孔。VCP→樹脂塞孔→熱烘烤→研磨→外層線路→蝕刻→AOI。

結(jié)論：POFV 流程中AOI 未發(fā)現(xiàn)非支撐孔殘銅；常規(guī)樹脂塞孔流程發(fā)現(xiàn)非支撐孔殘銅問題。POFV 流程中的PTH+蓋孔電鍍制程可清除擴(kuò)散入孔的樹脂成分殘留。

以上分析及驗(yàn)證表明，樹脂在熱烘過程中，隨著溫度升高、黏度降低而擴(kuò)散溢出部分，不同的銅面處理可對(duì)擴(kuò)散有一定的抑制作用，粗化銅面可最大限度地縮短樹脂擴(kuò)散的距離。對(duì)于塞孔與非支撐孔距離＜1 mm，以及部分密集塞孔且塞孔孔徑≥0.35 mm 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，出墨量較大，樹脂擴(kuò)散溢出更多，因此無法有效解決樹脂擴(kuò)散入孔的問題。

2 改善方案測試驗(yàn)證

2.1 針對(duì)樹脂油墨擴(kuò)散入孔而產(chǎn)生抗蝕殘銅的問題

本文研究了塞孔前不同的銅面處理方式對(duì)樹脂擴(kuò)散的影響，并驗(yàn)證了3 種不同的改善方法：①研磨后增加等離子清洗處理；②過堿性去膜線處理；③研磨后增加PTH 的高錳酸鉀除膠處理。等離子清洗采用3 段式清潔程式，處理時(shí)間37 min，可有效去除非支撐孔內(nèi)的樹脂油墨，經(jīng)蝕刻后檢驗(yàn)確認(rèn)非支撐孔內(nèi)無殘銅問題。過堿性去膜線測試，無法有效去除非支撐孔內(nèi)的樹脂殘留，蝕刻后仍有非支撐孔殘銅問題。龍門PTH 除膠槽高錳酸鉀浸泡10 min，80 ℃，可有效去除非支撐孔內(nèi)樹脂殘留，經(jīng)蝕刻后檢驗(yàn)確認(rèn)非支撐孔內(nèi)蝕刻干凈，無銅殘留。見表2。

表2 3種銅面處理方式參數(shù)情況

經(jīng)以上驗(yàn)證，確定等離子清潔及龍門PTH 高錳酸鉀浸泡清潔的方案均可去除樹脂油墨擴(kuò)散入孔的樹脂殘留。

2.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

以日產(chǎn)能和成本作為主要對(duì)比指標(biāo)，對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。其中，等離子清洗12 h 可產(chǎn)出540 片（panel，PNL），但其5～8 kW 的高能耗+37 min 的處理時(shí)長，每片均攤成本較高；龍門PTH 除膠槽浸泡清潔12 h可產(chǎn)出3 000 PNL，每掛架處理時(shí)長僅需10 min，龍門PTH 線設(shè)定單獨(dú)除膠程序，具備批量快速生產(chǎn)能力，且每批均攤成本低。見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

2.3 不同型號(hào)樹脂油墨熱烘后的樹脂毛細(xì)擴(kuò)散對(duì)比

采用相同塞孔處理工藝流程對(duì)不同樹脂油墨型號(hào)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其樹脂擴(kuò)散情況有明顯不同。見表4。

表4 不同型號(hào)樹脂油墨擴(kuò)散對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)PHP-9000、TP-2900S、IR-81、TFM150 這4 種型號(hào)的樹脂油墨，樹脂塞孔烘烤后無明顯樹脂擴(kuò)散問題。

3 結(jié)論

本文經(jīng)過以上分析及驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

（1）對(duì)于正片塞孔工藝流程設(shè)計(jì)且存在塞孔與非支撐孔距離≤1 mm 的產(chǎn)品，需監(jiān)控并管制樹脂塞孔熱烘后出現(xiàn)樹脂毛細(xì)擴(kuò)散的現(xiàn)象。對(duì)于POFV 工藝，其蓋孔電鍍前有PTH 流程，不會(huì)出現(xiàn)樹脂塞孔熱烘后的樹脂毛細(xì)擴(kuò)散問題。

（2）對(duì)于樹脂塞孔工藝在烘烤過程中發(fā)生的樹脂毛細(xì)擴(kuò)散問題，可采用塞孔研磨后高錳酸鉀浸泡除膠的方式清潔處理，可有效去除擴(kuò)散在非支撐孔內(nèi)的樹脂殘留，也可采用等離子清潔的方式。

（3）對(duì)于塞孔距非支撐孔較遠(yuǎn)（＞1.5 mm）的設(shè)計(jì)，采用塞孔前處理粗化銅面的方式，阻止樹脂油墨擴(kuò)散，控制范圍約為1 mm。

（4）經(jīng)驗(yàn)證，部分型號(hào)的樹脂油墨在熱烘后無明顯樹脂擴(kuò)散問題，可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品特性需求，選擇對(duì)應(yīng)的樹脂油墨型號(hào)及相應(yīng)的工藝處理流程，以規(guī)避此類樹脂塞孔烘烤后樹脂擴(kuò)散的問題。