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【摘要】本文介绍了一种二阶HDI系统板的制作工艺,以一款十层的二阶HDI系统板为例对其制作难点进行分析和讲解,并针对制作难点提出来解决方法,突出了制作过程中的具体控制技巧。为同行业生产该类HDI板提供一定的参考依据,提升HDI技术水平起到抛砖引玉的作用。
【关键词】二阶HDI; 镭射; 填孔电镀
一、 前言
随着消费电子产品轻薄化、一体化、多功能化的发展趋势,其对PCB板的要求越来越高。HDI应用范围已经不再局限于手机、数码相机、数码摄像机等,新兴消费电子产品催生更多的HDI应用,如电子阅读器、智能手机、上网本、GPS、MID、汽车音响等都在使用HDI。而常规的通埋孔和一阶盲孔已无法满足新型电子产品功能升级的需求,3G和智能手机等由于具备可扩展性和更丰富的应用,正逐渐演变为手机的主流。不但如此,HDI的应用还涉及到系统板领域,该类HDI系统板既具有HDI板的特点(如布线密度大、有盲孔等),也具有系统板的特点(如板厚、孔小、铜厚要求高等),故也有系统HDI板的称法。
该类板的结构复杂、流程长、生产环境要求高,因此制作难度较大,对设备、物料、人员操作技能等方面有更高的要求。
二、二阶HDI的制作工艺
1. 一般二阶HDI盲孔的互连技术
二阶HDI的第一和第三层的互连方式有如下几种,如图1所示:
(1)错位互连法
外层盲孔与次层盲孔不连接在一起。此类工艺比较简单,普通层压法即可完成,且该种设计可靠性好,风险性低,但因错位设计占据一定的空间,还是不能做到真正“空间节约”。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔→沉铜电镀→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔→沉铜电镀→图形转移(完成二阶)。
(2)树脂塞孔互连法
次外层设计的盲孔孔径较小,外层压合时,已电镀好的内层盲孔被树脂填满,到外层镭射时,外层盲孔设定的孔径比次外层的稍大,用较大能量直接把外层棕化后的铜箔和PP烧蚀,再进行电镀导通。此方法的缺点是树脂塞孔难度大、可靠性相对较低。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔(钻小孔径)→沉铜电镀→树脂塞孔、磨板→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔(钻大孔径)→沉铜电镀→图形转移(完成二阶)。
(3) 填铜叠孔盲互连法
次外层盲孔制作时,把该孔直接用电镀铜填满,再压合镭射下一层,层层叠加,实现层间互连。电镀填孔互连法既可减少工艺流程,也能确保更高的可靠性和更优良的电气性能。因此电镀塞孔法是比较理想的二阶盲孔制作方法,为现行业最常用的电镀填孔互连法。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔→电镀填孔→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔→电镀填孔(根据需求)→图形转移(完成二阶)。
(4) 跨层互连法
次外层的盲孔制作时,不经过激光打孔,而是在次外层铜箔上蚀刻开窗。到外层镭射时,直接打通上下两层的介质层,再进行电镀导通。其要求镭射的上孔径要大于开窗直径。目前行业里面这种方法比较少用,因涉及到板子涨缩问题及电镀能力,要求涨缩管控非常到位,有较好的电镀能力方能实现。但如果此种方法成熟,可以实现很大的成本节约。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→次外层蚀刻开窗→外层层压→棕化镭射钻孔→电镀→图形转移(完成二阶)。
以上工艺流程除了错位互连法相对简单外,其余三种均有一定的制作难度和优劣性。我们这款二阶HDI系统板是采用第三种互连法完成盲孔与盲孔对接的,其工艺流程长、制作难度较大。
2. 工艺流程
该款二阶HDI系统板的具体工艺流程如下:
芯板(A、B)下料/烘板→内层线路制作(L4-5&L6-7)→酸性蚀刻、去膜(L4-5&L6-7)→AOI(L4-5&L6-7)→棕化、叠合→压合成次外层(C)→X-ray、铣边框(L3-8)→钻埋孔(L3-8)→化学沉铜、埋孔电镀(L3-8 )→树脂塞孔、磨板(L3-8 )→次外层线路制作(L3-8)→酸性蚀刻、去膜(L3-8)→AOI(L3-8)→棕化、叠合→压合成次外层板(D) →次外层X-ray、铣边框(L2-9)→减铜棕化(L2-9)→镭射(L2-9)→化学沉铜、填孔电镀(L2-9)→次外层线路制作(L2-9)→酸性蚀刻、去膜(L2-9)→AOI(L2-9)→棕化、叠合→压合成外层板(E)→外层X-ray、铣边框→减铜、棕化→镭射、钻通孔→化学沉铜、填孔电镀→树脂塞孔、磨板→线路制作→酸性蚀刻、去膜→AOI→阻焊、文字→化金→成型→测试→外观检验→包装入库。
其压合结构图如下,图2所示:
从以上工艺流程可以看出,该款二阶HDI系统板的流程长,需要经过多次制作的制程有线路、压合、电镀等,要做两次镭射。它对这些制程的操作和设备要求相对较高,存在一定的制作难度。
三、二阶HDI板的制作难点及控制对策
该板成品板厚2.5mm,线宽间距为4mil/4mil,部分层阻抗线宽为3mil,外层最小孔径0.3mm,纵横比7.6:1,盲孔孔径0.1mm,镭射孔层间介电层使用1080(68%),采用盲孔与盲孔对接。须经五次线路、三次电镀(其中两次做填孔电镀)、三次压合和两次镭射。
1 . 制作难点分析与控制对策
该板的制作难点主要在镭射、线路电镀和树脂塞孔等工序,还有对层间对准度和涨缩控制也是十分关键的,其难点主要有以下四种情况,针对该板的难点我们制定了相应的对策,以保证此板生产顺利。
(1) 外层板厚达2.5mm,各工序操作时易擦花
该板完成外层压合后板厚约2.3mm,拼版尺寸为:612mm×355mm,2piece/panel,布线密度大,线条细(4mil线为主,局部3mil线)。由于板厚和拼版的特殊性,各工序在制作时易出现设备、操作类擦花,各类水平线、电镀线等出现掉板、卡板的风险也较大。 控制对策
①制作前各水平线检查行辘运转情况,有异常及时报修,安排“人随板走”,谨防堵板;
②制定相应的管控措施,防止或减少擦花问题的出现,如取板每次只准拿一块板等;
③采取一定的辅助保护措施,如板子与板子之间隔胶片或隔格插架等。
(2) 纵横比大,对PTH和电镀深镀能力要求高
此板完成外层压合后的孔径小(最小0.3mm),板厚较厚(2.3mm),铜厚要求较高(孔铜最小25μm,平均28μm,盲孔填充率≥90%),其通孔纵横比接近8:1,由于外层也有盲孔,对PTH和电镀的深镀能力也是一个考验,同时也是一个“冲突”(盲孔与高纵横比的通孔同时存在)。PTH前去毛刺问题相对棘手,此板也很容易出现粉尘、异物塞孔等问题。
控制对策
①为防止小孔出现孔塞,钻孔后增加除毛刺、高压清洗等流程,再做镭射;
②调整PTH和电镀药水参数至最佳控制范围,同时根据FA的制作情况来优化电镀参数,分两条电镀线分别进行盲孔和通孔电镀;
③采用水平PTH和VCP电镀线等较先进的设备制作。
(3) 外层有0.8mm的非塞树脂PTH孔(金属孔),易出现孔损问题
由于外层需要树脂塞孔(客户要求防水等级7级以上),而有部分大孔(PTH孔)是不用做树脂塞孔的,按照之前以往制作经验:0.5mm以上的大孔在树脂研磨时如不能保证一次性磨干净残留树脂,则极有可能出现孔口铜厚偏薄和无铜等问题。故0.5mm以上的PTH孔一般都是走绿油塞孔工艺(客户有特别要求除外)。那么该板有0.8mm及以上的PTH孔在树脂研磨过程中存在出现孔口磨损、无铜等问题的风险。
控制对策
①增加预固化流程,磨净板面残留树脂后再固化;
②通过试验来设定合适的磨板参数,保证一次性研磨干净。如无法保证一次性研磨干净则返磨时要求“分段”、“翻面、换向”放板。
③做首板确认孔口和板面铜厚情况,合格后再进行批量制作。
(4) 盲孔与盲孔对接,对位精准度和板子涨缩控制难度大
此板是采用盲孔与盲孔对接、电镀铜填充盲孔的方式来实现第一层与第三层的互连,其除了对填盲孔有较高的要求外,还对线路、镭射、压合等制程的对位精度和涨缩控制等有很高的要求。如何控制板子涨缩偏大或无规则性变化等是一个十分关键的问题,因为它所涉及到的控制点较多,如板材、菲林底片、无尘房温湿度和压合参数等多方面因素。
控制对策
①选择合适的工程拼版(小拼板)和稳定性较好的板材,准确做好芯板涨缩系数的预防(根据前期制作经验),每层次均量测板子的实际涨缩情况;
②根据板材供应商提供要求对压板程式进行优化;
③做好各工序烤板、磨板及菲林等管控工作,如严禁不烤板、返磨和拉扯菲林等;
④加强线路暗房、压合等无尘车间温湿度管控,确保在工艺管控范围内;
⑤镭射、线路等制作必要时可选用性能较优的设备(如Mitsubishi CO2激光钻孔机和LDI激光直接成像曝光机等)。
2. 主要难点制程制作详述
针对该款二阶HDI系统板在线路、电镀和树脂塞孔等制程的制作,我们做了重点跟进,以确保生产顺利。现对其作如下讲叙:
(1) 线路开短路、对位精准度的控制
对于表观性的开短路(如铜面垃圾、曝光不良等)其实还是比较容易解决的,主要是好找入口点,一般可以通过加强前处理效果、改善无尘房环境和调整曝光参数等方法来改善。而且对于4mil/4mil等级线路的制作我司积累了较为成熟的经验,故对于此类异常的解决在此就不作讲述。
主要难点是类似电镀填孔dimple过大和对位精准度差等引起的开短路是比较棘手的。如何保证对位的精准度呢?(电镀填孔dimple过大后面有讲解)下面简单介绍一下如何保证盲孔与内层线路图形的对准度。利用激光钻孔机能自动测量靶标数据,并根据数据结果自动缩放程式的功能,我们将激光对位靶标设计在激光孔底部所在的层别,这些靶标的相对位置变化能真实的反映内层线路图形的涨缩,激光成孔过程大致分三步:
第一步:根据X-RAY打出孔粗定位,烧出设置在激光孔底部所在层别的激光对位靶标;
第二步:测量激光对位靶标间的距离值与设计理论值相比较,然后计算该实物板的涨缩值;
第三步:根据该实物板的实际涨缩值进行钻孔程式的自动缩放,然后激光钻孔并记录涨缩值。
由于LDI技术消除了传统成像可能带来的缺陷,具有很好的导体图形完整性,因而就有很好的生产性和高生产率。多层板内层层间对准度是由各层尺寸稳定性(或对位度)来决定的,但是传统底片成像的底片尺寸稳定性是造成多层板层间对位偏差的主要原因。激光直接成像是直接于“在制板”上成像的,因而消除了底片成像技术产生的只存偏差问题。因此选用LDI激光直接成像曝光机来生产该板是可以取得很好的对位精准度效果的,参见图3:
(2) 电镀深镀能力和盲孔dimple的控制
确保盲孔孔形的良好
二阶HDI板对盲孔孔形的要求比较高,盲孔的孔形直接影响到盲孔的电镀品质与产品可靠性。而盲孔孔径的微小化,对盲孔孔形提出了更高的要求。良好的盲孔是呈现倒梯形,且95%≥下孔径/上孔径≥70%。
盲孔孔壁要有一定斜度,有利于药水流入盲孔内,而盲孔下孔径不可太小,否则就会影响底部互连效果和可靠性。因此,要得到较好的电镀填孔品质首先就是先要保证镭射后的孔形、孔壁质量正常。如果盲孔孔型不好,如存在较大over hang或under cut,甚至出现“腰鼓形”的盲孔,那么则很难保证盲孔填孔的效果。
电镀药水和电镀参数的控制
这里有一个十分重要的的问题需要解决,那就是通孔与盲孔共存,如何保证通孔的深镀能力和盲孔的填充效果?我们知道,要保证通孔的深镀能力一般是采用“低铜高酸”的酸性镀铜药水,而要在保证盲孔的填充效果是要采用“高铜低酸”的酸性镀铜药水,虽然目前有许多电镀添加剂在向着具有“兼顾二者”的方向发展,但是毕竟实现起来不是那么容易。 而如果采用“填盲孔后再钻通孔、电镀”的流程则会增加许多成本,而且也不能保证较好的品质。因此,我现在采用在VCP电镀线(填孔电镀药水体系)进行盲孔填孔电镀,然后再在垂直龙门式电镀线(通孔电镀药水体系)进行通孔电镀,这样就保证了两种孔类的镀铜要求。
其实,采用这种电镀方式也存在一个问题,那就是面铜厚度的控制。因为这款板是4mil/4mil等级线路的板,根据我司DES线的蚀刻能力,只有保证面铜厚度在40μm以内才能保证蚀刻工序顺利制作(否则可能会出现线宽不合格等问题)。故需要在做完填孔电镀后根据实测面铜厚度,增加砂带磨板流程,既能保证面铜的控制要求,也有利于对盲孔的dimple控制。
要想达到理想的填充效果必须对电镀药水的成分控制得十分精准,如酸性电镀铜中的硫酸铜、硫酸、Cl-、加速剂、抑制剂和载体等成分须严格按照工艺要求进行有效管控。而电镀设定参数不当或设备影响也是很容易出现填孔异常的,直接影响填充效果,甚至出现填孔异常,如填孔空洞、dimple过大等。参见图片4:
为降低盲孔电镀的风险采用VCP或水平设备进行电镀效果比较好。这类设备在运转时较传统龙门式电镀线有更多的优势,利用喷管或水刀喷流的压力,将盲孔内的气泡赶出,增大盲孔内药水流动交换,进而使盲孔化学铜品质得到保证。通孔电镀时要检查龙门式电镀线的震动、摇摆等运行情况,适当加强一些,同时采用“小电流长时间”的方式来保证小孔深镀效果良好。
(3) 树脂塞孔及磨板的控制
本制程主要需要解决的问题是树脂研磨的效果,确保不出现孔损问题。业界及我司均是采用常规树脂塞孔、树脂磨板的工艺方法和流程,一般是用树脂油墨将需要填塞的孔填满,然后将塞满树脂的印制板进行热固化,使树脂硬化。再将固化后的印制板通过树脂磨板机进行研磨,将孔外及铜面残留的树脂除掉,从而得到平整的板面质量。
其制作流程如下:
树脂塞孔→热固化→树脂磨板→下制程
由于固化后的树脂油墨变得十分坚硬,需要较大的切削量才能将多余或残留部分的树脂油墨除去,而大的切削量又会导致未塞树脂的金属孔出现切削过度而破损(铜厚薄的更容易出现破损)。因此我们想出一个解决此问题的新流程:
树脂塞孔→预固化→树脂磨板→固化→下制程
由于增加预固化流程在树脂磨板的前面,树脂油墨没有完全固化,树脂磨板时就不需要很大的切削量即可将多余或残留的树脂油墨除去,即磨板压力和速度等参数方面均可在原来的基础上做一些调整(压力减小、速度加快等),再在树脂磨板时采用换向、翻面等控制手段,即可达到有效防止金属孔破损问题的出现,同时也可大大提升树脂磨板的产能。
需要注意的是在电镀填盲孔后第一次磨板时(根据需要)要严格控制磨板的参数,不能一次性将面铜切削的过多,否则出现孔损的风险就非常大。因为在第一次磨板后还要进行通孔电镀,可以适当增补孔口的铜厚,但是如果孔已经磨损,那就无法弥补了。可参见图片5:
四、可靠性测试
该款二阶HDI系统板我们进行了如下可靠性测试,测试结果均合格。参见表1:
五、结论
通过对该款二阶HDI系统板进行试验和研究,并对各重难点制程做相关流程优化、改善制作过程中出现的问题,我们成功完成了二阶HDI系统板的制作,并通过各项可靠性测试。为后续我们开发高阶HDI系统板提供了一定的参考依据,总结了一些制作经验。但是,由于HDI系统板的结构复杂性和特殊性,我们要进一步提升该类产品的良品率。我们还要投入更大的精力、技术和设备等对其进行研究,以适应市场需求和提升公司技术竞争力。
参考文献:
[1]维库电子市场网《HDI市场趋势分析》2011.6.3;
[2]杨宏强 王洪 骆玉祥 《多阶盲孔板制作中的关键技术研究》 PCBcity 2009.2.16;
[3]林金堵 梁立志 邬宁彪 陈文录 陈培良 现代印制电路先进技术 第二版 中国印制电路行业协会CPCA、印制电路信息杂志社PCI 出版第355~356页;
作者简介:
陈世金(1978年生),男,广东梅州博敏电子股份有限公司工程师、研发主管,主要从事新技术研究及新产品的开发。
【关键词】二阶HDI; 镭射; 填孔电镀
一、 前言
随着消费电子产品轻薄化、一体化、多功能化的发展趋势,其对PCB板的要求越来越高。HDI应用范围已经不再局限于手机、数码相机、数码摄像机等,新兴消费电子产品催生更多的HDI应用,如电子阅读器、智能手机、上网本、GPS、MID、汽车音响等都在使用HDI。而常规的通埋孔和一阶盲孔已无法满足新型电子产品功能升级的需求,3G和智能手机等由于具备可扩展性和更丰富的应用,正逐渐演变为手机的主流。不但如此,HDI的应用还涉及到系统板领域,该类HDI系统板既具有HDI板的特点(如布线密度大、有盲孔等),也具有系统板的特点(如板厚、孔小、铜厚要求高等),故也有系统HDI板的称法。
该类板的结构复杂、流程长、生产环境要求高,因此制作难度较大,对设备、物料、人员操作技能等方面有更高的要求。
二、二阶HDI的制作工艺
1. 一般二阶HDI盲孔的互连技术
二阶HDI的第一和第三层的互连方式有如下几种,如图1所示:
(1)错位互连法
外层盲孔与次层盲孔不连接在一起。此类工艺比较简单,普通层压法即可完成,且该种设计可靠性好,风险性低,但因错位设计占据一定的空间,还是不能做到真正“空间节约”。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔→沉铜电镀→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔→沉铜电镀→图形转移(完成二阶)。
(2)树脂塞孔互连法
次外层设计的盲孔孔径较小,外层压合时,已电镀好的内层盲孔被树脂填满,到外层镭射时,外层盲孔设定的孔径比次外层的稍大,用较大能量直接把外层棕化后的铜箔和PP烧蚀,再进行电镀导通。此方法的缺点是树脂塞孔难度大、可靠性相对较低。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔(钻小孔径)→沉铜电镀→树脂塞孔、磨板→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔(钻大孔径)→沉铜电镀→图形转移(完成二阶)。
(3) 填铜叠孔盲互连法
次外层盲孔制作时,把该孔直接用电镀铜填满,再压合镭射下一层,层层叠加,实现层间互连。电镀填孔互连法既可减少工艺流程,也能确保更高的可靠性和更优良的电气性能。因此电镀塞孔法是比较理想的二阶盲孔制作方法,为现行业最常用的电镀填孔互连法。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→棕化镭射钻孔→电镀填孔→图形转移(完成一阶)→外层层压→棕化镭射钻孔→电镀填孔(根据需求)→图形转移(完成二阶)。
(4) 跨层互连法
次外层的盲孔制作时,不经过激光打孔,而是在次外层铜箔上蚀刻开窗。到外层镭射时,直接打通上下两层的介质层,再进行电镀导通。其要求镭射的上孔径要大于开窗直径。目前行业里面这种方法比较少用,因涉及到板子涨缩问题及电镀能力,要求涨缩管控非常到位,有较好的电镀能力方能实现。但如果此种方法成熟,可以实现很大的成本节约。
工艺流程:芯板制作→次外层层压→次外层蚀刻开窗→外层层压→棕化镭射钻孔→电镀→图形转移(完成二阶)。
以上工艺流程除了错位互连法相对简单外,其余三种均有一定的制作难度和优劣性。我们这款二阶HDI系统板是采用第三种互连法完成盲孔与盲孔对接的,其工艺流程长、制作难度较大。
2. 工艺流程
该款二阶HDI系统板的具体工艺流程如下:
芯板(A、B)下料/烘板→内层线路制作(L4-5&L6-7)→酸性蚀刻、去膜(L4-5&L6-7)→AOI(L4-5&L6-7)→棕化、叠合→压合成次外层(C)→X-ray、铣边框(L3-8)→钻埋孔(L3-8)→化学沉铜、埋孔电镀(L3-8 )→树脂塞孔、磨板(L3-8 )→次外层线路制作(L3-8)→酸性蚀刻、去膜(L3-8)→AOI(L3-8)→棕化、叠合→压合成次外层板(D) →次外层X-ray、铣边框(L2-9)→减铜棕化(L2-9)→镭射(L2-9)→化学沉铜、填孔电镀(L2-9)→次外层线路制作(L2-9)→酸性蚀刻、去膜(L2-9)→AOI(L2-9)→棕化、叠合→压合成外层板(E)→外层X-ray、铣边框→减铜、棕化→镭射、钻通孔→化学沉铜、填孔电镀→树脂塞孔、磨板→线路制作→酸性蚀刻、去膜→AOI→阻焊、文字→化金→成型→测试→外观检验→包装入库。
其压合结构图如下,图2所示:
从以上工艺流程可以看出,该款二阶HDI系统板的流程长,需要经过多次制作的制程有线路、压合、电镀等,要做两次镭射。它对这些制程的操作和设备要求相对较高,存在一定的制作难度。
三、二阶HDI板的制作难点及控制对策
该板成品板厚2.5mm,线宽间距为4mil/4mil,部分层阻抗线宽为3mil,外层最小孔径0.3mm,纵横比7.6:1,盲孔孔径0.1mm,镭射孔层间介电层使用1080(68%),采用盲孔与盲孔对接。须经五次线路、三次电镀(其中两次做填孔电镀)、三次压合和两次镭射。
1 . 制作难点分析与控制对策
该板的制作难点主要在镭射、线路电镀和树脂塞孔等工序,还有对层间对准度和涨缩控制也是十分关键的,其难点主要有以下四种情况,针对该板的难点我们制定了相应的对策,以保证此板生产顺利。
(1) 外层板厚达2.5mm,各工序操作时易擦花
该板完成外层压合后板厚约2.3mm,拼版尺寸为:612mm×355mm,2piece/panel,布线密度大,线条细(4mil线为主,局部3mil线)。由于板厚和拼版的特殊性,各工序在制作时易出现设备、操作类擦花,各类水平线、电镀线等出现掉板、卡板的风险也较大。 控制对策
①制作前各水平线检查行辘运转情况,有异常及时报修,安排“人随板走”,谨防堵板;
②制定相应的管控措施,防止或减少擦花问题的出现,如取板每次只准拿一块板等;
③采取一定的辅助保护措施,如板子与板子之间隔胶片或隔格插架等。
(2) 纵横比大,对PTH和电镀深镀能力要求高
此板完成外层压合后的孔径小(最小0.3mm),板厚较厚(2.3mm),铜厚要求较高(孔铜最小25μm,平均28μm,盲孔填充率≥90%),其通孔纵横比接近8:1,由于外层也有盲孔,对PTH和电镀的深镀能力也是一个考验,同时也是一个“冲突”(盲孔与高纵横比的通孔同时存在)。PTH前去毛刺问题相对棘手,此板也很容易出现粉尘、异物塞孔等问题。
控制对策
①为防止小孔出现孔塞,钻孔后增加除毛刺、高压清洗等流程,再做镭射;
②调整PTH和电镀药水参数至最佳控制范围,同时根据FA的制作情况来优化电镀参数,分两条电镀线分别进行盲孔和通孔电镀;
③采用水平PTH和VCP电镀线等较先进的设备制作。
(3) 外层有0.8mm的非塞树脂PTH孔(金属孔),易出现孔损问题
由于外层需要树脂塞孔(客户要求防水等级7级以上),而有部分大孔(PTH孔)是不用做树脂塞孔的,按照之前以往制作经验:0.5mm以上的大孔在树脂研磨时如不能保证一次性磨干净残留树脂,则极有可能出现孔口铜厚偏薄和无铜等问题。故0.5mm以上的PTH孔一般都是走绿油塞孔工艺(客户有特别要求除外)。那么该板有0.8mm及以上的PTH孔在树脂研磨过程中存在出现孔口磨损、无铜等问题的风险。
控制对策
①增加预固化流程,磨净板面残留树脂后再固化;
②通过试验来设定合适的磨板参数,保证一次性研磨干净。如无法保证一次性研磨干净则返磨时要求“分段”、“翻面、换向”放板。
③做首板确认孔口和板面铜厚情况,合格后再进行批量制作。
(4) 盲孔与盲孔对接,对位精准度和板子涨缩控制难度大
此板是采用盲孔与盲孔对接、电镀铜填充盲孔的方式来实现第一层与第三层的互连,其除了对填盲孔有较高的要求外,还对线路、镭射、压合等制程的对位精度和涨缩控制等有很高的要求。如何控制板子涨缩偏大或无规则性变化等是一个十分关键的问题,因为它所涉及到的控制点较多,如板材、菲林底片、无尘房温湿度和压合参数等多方面因素。
控制对策
①选择合适的工程拼版(小拼板)和稳定性较好的板材,准确做好芯板涨缩系数的预防(根据前期制作经验),每层次均量测板子的实际涨缩情况;
②根据板材供应商提供要求对压板程式进行优化;
③做好各工序烤板、磨板及菲林等管控工作,如严禁不烤板、返磨和拉扯菲林等;
④加强线路暗房、压合等无尘车间温湿度管控,确保在工艺管控范围内;
⑤镭射、线路等制作必要时可选用性能较优的设备(如Mitsubishi CO2激光钻孔机和LDI激光直接成像曝光机等)。
2. 主要难点制程制作详述
针对该款二阶HDI系统板在线路、电镀和树脂塞孔等制程的制作,我们做了重点跟进,以确保生产顺利。现对其作如下讲叙:
(1) 线路开短路、对位精准度的控制
对于表观性的开短路(如铜面垃圾、曝光不良等)其实还是比较容易解决的,主要是好找入口点,一般可以通过加强前处理效果、改善无尘房环境和调整曝光参数等方法来改善。而且对于4mil/4mil等级线路的制作我司积累了较为成熟的经验,故对于此类异常的解决在此就不作讲述。
主要难点是类似电镀填孔dimple过大和对位精准度差等引起的开短路是比较棘手的。如何保证对位的精准度呢?(电镀填孔dimple过大后面有讲解)下面简单介绍一下如何保证盲孔与内层线路图形的对准度。利用激光钻孔机能自动测量靶标数据,并根据数据结果自动缩放程式的功能,我们将激光对位靶标设计在激光孔底部所在的层别,这些靶标的相对位置变化能真实的反映内层线路图形的涨缩,激光成孔过程大致分三步:
第一步:根据X-RAY打出孔粗定位,烧出设置在激光孔底部所在层别的激光对位靶标;
第二步:测量激光对位靶标间的距离值与设计理论值相比较,然后计算该实物板的涨缩值;
第三步:根据该实物板的实际涨缩值进行钻孔程式的自动缩放,然后激光钻孔并记录涨缩值。
由于LDI技术消除了传统成像可能带来的缺陷,具有很好的导体图形完整性,因而就有很好的生产性和高生产率。多层板内层层间对准度是由各层尺寸稳定性(或对位度)来决定的,但是传统底片成像的底片尺寸稳定性是造成多层板层间对位偏差的主要原因。激光直接成像是直接于“在制板”上成像的,因而消除了底片成像技术产生的只存偏差问题。因此选用LDI激光直接成像曝光机来生产该板是可以取得很好的对位精准度效果的,参见图3:
(2) 电镀深镀能力和盲孔dimple的控制
确保盲孔孔形的良好
二阶HDI板对盲孔孔形的要求比较高,盲孔的孔形直接影响到盲孔的电镀品质与产品可靠性。而盲孔孔径的微小化,对盲孔孔形提出了更高的要求。良好的盲孔是呈现倒梯形,且95%≥下孔径/上孔径≥70%。
盲孔孔壁要有一定斜度,有利于药水流入盲孔内,而盲孔下孔径不可太小,否则就会影响底部互连效果和可靠性。因此,要得到较好的电镀填孔品质首先就是先要保证镭射后的孔形、孔壁质量正常。如果盲孔孔型不好,如存在较大over hang或under cut,甚至出现“腰鼓形”的盲孔,那么则很难保证盲孔填孔的效果。
电镀药水和电镀参数的控制
这里有一个十分重要的的问题需要解决,那就是通孔与盲孔共存,如何保证通孔的深镀能力和盲孔的填充效果?我们知道,要保证通孔的深镀能力一般是采用“低铜高酸”的酸性镀铜药水,而要在保证盲孔的填充效果是要采用“高铜低酸”的酸性镀铜药水,虽然目前有许多电镀添加剂在向着具有“兼顾二者”的方向发展,但是毕竟实现起来不是那么容易。 而如果采用“填盲孔后再钻通孔、电镀”的流程则会增加许多成本,而且也不能保证较好的品质。因此,我现在采用在VCP电镀线(填孔电镀药水体系)进行盲孔填孔电镀,然后再在垂直龙门式电镀线(通孔电镀药水体系)进行通孔电镀,这样就保证了两种孔类的镀铜要求。
其实,采用这种电镀方式也存在一个问题,那就是面铜厚度的控制。因为这款板是4mil/4mil等级线路的板,根据我司DES线的蚀刻能力,只有保证面铜厚度在40μm以内才能保证蚀刻工序顺利制作(否则可能会出现线宽不合格等问题)。故需要在做完填孔电镀后根据实测面铜厚度,增加砂带磨板流程,既能保证面铜的控制要求,也有利于对盲孔的dimple控制。
要想达到理想的填充效果必须对电镀药水的成分控制得十分精准,如酸性电镀铜中的硫酸铜、硫酸、Cl-、加速剂、抑制剂和载体等成分须严格按照工艺要求进行有效管控。而电镀设定参数不当或设备影响也是很容易出现填孔异常的,直接影响填充效果,甚至出现填孔异常,如填孔空洞、dimple过大等。参见图片4:
为降低盲孔电镀的风险采用VCP或水平设备进行电镀效果比较好。这类设备在运转时较传统龙门式电镀线有更多的优势,利用喷管或水刀喷流的压力,将盲孔内的气泡赶出,增大盲孔内药水流动交换,进而使盲孔化学铜品质得到保证。通孔电镀时要检查龙门式电镀线的震动、摇摆等运行情况,适当加强一些,同时采用“小电流长时间”的方式来保证小孔深镀效果良好。
(3) 树脂塞孔及磨板的控制
本制程主要需要解决的问题是树脂研磨的效果,确保不出现孔损问题。业界及我司均是采用常规树脂塞孔、树脂磨板的工艺方法和流程,一般是用树脂油墨将需要填塞的孔填满,然后将塞满树脂的印制板进行热固化,使树脂硬化。再将固化后的印制板通过树脂磨板机进行研磨,将孔外及铜面残留的树脂除掉,从而得到平整的板面质量。
其制作流程如下:
树脂塞孔→热固化→树脂磨板→下制程
由于固化后的树脂油墨变得十分坚硬,需要较大的切削量才能将多余或残留部分的树脂油墨除去,而大的切削量又会导致未塞树脂的金属孔出现切削过度而破损(铜厚薄的更容易出现破损)。因此我们想出一个解决此问题的新流程:
树脂塞孔→预固化→树脂磨板→固化→下制程
由于增加预固化流程在树脂磨板的前面,树脂油墨没有完全固化,树脂磨板时就不需要很大的切削量即可将多余或残留的树脂油墨除去,即磨板压力和速度等参数方面均可在原来的基础上做一些调整(压力减小、速度加快等),再在树脂磨板时采用换向、翻面等控制手段,即可达到有效防止金属孔破损问题的出现,同时也可大大提升树脂磨板的产能。
需要注意的是在电镀填盲孔后第一次磨板时(根据需要)要严格控制磨板的参数,不能一次性将面铜切削的过多,否则出现孔损的风险就非常大。因为在第一次磨板后还要进行通孔电镀,可以适当增补孔口的铜厚,但是如果孔已经磨损,那就无法弥补了。可参见图片5:
四、可靠性测试
该款二阶HDI系统板我们进行了如下可靠性测试,测试结果均合格。参见表1:
五、结论
通过对该款二阶HDI系统板进行试验和研究,并对各重难点制程做相关流程优化、改善制作过程中出现的问题,我们成功完成了二阶HDI系统板的制作,并通过各项可靠性测试。为后续我们开发高阶HDI系统板提供了一定的参考依据,总结了一些制作经验。但是,由于HDI系统板的结构复杂性和特殊性,我们要进一步提升该类产品的良品率。我们还要投入更大的精力、技术和设备等对其进行研究,以适应市场需求和提升公司技术竞争力。
参考文献:
[1]维库电子市场网《HDI市场趋势分析》2011.6.3;
[2]杨宏强 王洪 骆玉祥 《多阶盲孔板制作中的关键技术研究》 PCBcity 2009.2.16;
[3]林金堵 梁立志 邬宁彪 陈文录 陈培良 现代印制电路先进技术 第二版 中国印制电路行业协会CPCA、印制电路信息杂志社PCI 出版第355~356页;
作者简介:
陈世金(1978年生),男,广东梅州博敏电子股份有限公司工程师、研发主管,主要从事新技术研究及新产品的开发。