HDI埋孔（0.6 mm ～ 1.0 mm厚度）采用半固化片填充的關(guān)鍵因素淺析

陳志勇（瀚宇博德科技（江陰）有限公司，江蘇 江陰 214429）

HDI埋孔（0.6 mm ～ 1.0 mm厚度）采用半固化片填充的關(guān)鍵因素淺析

陳志勇
（瀚宇博德科技（江陰）有限公司，江蘇 江陰 214429）

HDI埋孔用樹(shù)脂塞孔流程長(zhǎng)成本高，文章通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)流程、縮短生產(chǎn)周期、并降低制作成本的角度出發(fā)，對(duì)HDI板埋孔(0.6mm ～ 1.0mm厚度)采用半固化片填充的工藝技術(shù)及實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)提出一些見(jiàn)解。

高密度互連板；內(nèi)埋孔；半固化片

1 前言

中低階HDI PCB產(chǎn)品（1N1/2N2/3N3）內(nèi)層埋孔（Buried hole）是常態(tài)性的設(shè)計(jì)應(yīng)用，內(nèi)埋孔的塞孔工藝常見(jiàn)的有壓合半固化片直接半固化片填膠、電鍍后樹(shù)脂塞孔、線路后壓合前樹(shù)脂塞孔三種。目前壓合半固化片填膠方式，業(yè)界大多數(shù)于芯板厚度較薄的，板厚僅敢控制于0.6 mm（24 mil）已下，高厚比例的訂單讓給樹(shù)脂塞孔，高成本的制程很難免除。本文是要提供 PCB業(yè)界一個(gè)可以提高HDI板芯層到1.0 mm（40 mil）以下，直接壓合半固化片填膠，且可確保高良率高可靠度的量產(chǎn)工藝技術(shù)，有效降低HDI工序成本。

2 HDI產(chǎn)品各種內(nèi)埋孔填膠不同工藝流程的分析與比較

2.1 電鍍后樹(shù)脂塞孔工藝，流程如下

前工序→芯層機(jī)械鉆孔→沉銅、板電→樹(shù)脂塞孔→砂帶磨板→線路影像→壓合→后工序

樹(shù)脂塞孔是業(yè)界比較熟悉工藝流程，以白榕生老師所介紹的日本野田采山榮化學(xué)PHP-900系列樹(shù)脂油墨塞孔技術(shù)為其代表，推廣到整個(gè)HDI領(lǐng)域；雖近年來(lái)各廠家許多新樹(shù)脂油墨的推出降低了塞孔油墨成本，但采用印刷機(jī)或滾涂機(jī)樹(shù)脂填膠之后，再用機(jī)械重刷磨除表面溢膠的工序，仍讓總體樹(shù)脂塞孔的工序成本偏高；后續(xù)，因?yàn)橹厮⒛ブ瞥淌沽慨a(chǎn)批量板，尺寸R值分布加大問(wèn)題，以及若不慎發(fā)生刷材掉砂的異常時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響線路良率也是缺點(diǎn)之一。

2.2 形成線路后樹(shù)脂塞孔工藝，流程如下

前工序→芯層機(jī)械鉆孔→沉銅、板電→線路形成→棕、黑化→樹(shù)脂塞孔→表面余膠黏除→壓合→后工序

此為線路前樹(shù)脂塞孔的變形工藝，可以減少重刷磨的成本，業(yè)界有少許HDI企業(yè)采用。制作完內(nèi)埋孔層線路，棕/黑化完成后進(jìn)行塞孔流程，再用覆蓋膜設(shè)備滾送黏除表面塞孔處凸出過(guò)量的樹(shù)脂油墨，之后直接壓合制程。此工藝雖可避開(kāi)刷磨的流程成本，同時(shí)降低打磨造成線路開(kāi)路的報(bào)廢率，但此流程對(duì)于棕/黑化絨毛地刮傷及壓合前環(huán)境臟污沾染于樹(shù)脂上，爆板的質(zhì)量問(wèn)題有不良影響，牽涉到總體環(huán)境清潔管理「人」的問(wèn)題，無(wú)錫T廠就曾因?yàn)閴汉宪囬g的重新規(guī)劃，造成連續(xù)3個(gè)月的批量性爆板客訴問(wèn)題，人員及環(huán)境的管理，是PCB企業(yè)不容易克服的議題，華通計(jì)算機(jī)于2010年開(kāi)始已改回電鍍后樹(shù)脂塞孔工藝取代此工藝，金像電子及健鼎電子目前則持續(xù)有采用此流程。

圖1 埋孔由壓合半固化片填膠與樹(shù)脂塞孔的成本比較

2.3 壓合PP直接填膠，流程如下

前工序→核心層機(jī)械鉆孔→沉銅、板電→線路影像→壓合→后工序

內(nèi)埋孔芯層厚度0.6 mm以下中、薄板領(lǐng)域業(yè)界HDI廠多已成熟的直接采用壓合填膠，因?yàn)榇斯に嚵鞒套疃?、成本最低。然而X-N-X結(jié)構(gòu)HDI內(nèi)埋層厚度居于0.6 mm ～ 1.0 mm卻是占比例最大的產(chǎn)品，許多廠家測(cè)試一直無(wú)法能整個(gè)量產(chǎn)百分百有效的克服壓合后凹陷程度，使能突破干膜的貼合能力質(zhì)量正常的門(mén)坎，加上PN材料的變遷，使得此低成本流程無(wú)法擴(kuò)大使用。圖1所列表格是采用0.2 mm孔徑內(nèi)埋孔，由壓合半固化片填膠替代樹(shù)脂塞孔的成本比較。每平方米都可以至少降低流程成本64.59元～75.35元，假設(shè)HDI產(chǎn)能為2.8萬(wàn)m2尺/月，可以有每個(gè)月降低超過(guò)成本150萬(wàn)人民幣的重大效益。因此，即便是購(gòu)買高轉(zhuǎn)速機(jī)械鉆孔機(jī)或冷熱壓機(jī)，都可以在很短的時(shí)間內(nèi)有回收投資。

壓合PP填膠有高耐熱性的優(yōu)點(diǎn)，板材Z軸膨脹系數(shù)3.5%（50 ℃ ～ 260 ℃），而銅的膨漲系數(shù)17× 10-6/℃，樹(shù)脂油墨143×10-6/℃（≥Tg）。樹(shù)脂塞孔流程PCB層構(gòu)含三種材料，整個(gè)客戶SMT組裝過(guò)程中，XYZ熱膨脹系數(shù)變異多。直接壓合PP填膠，除了減少了塞孔油墨樹(shù)脂的變因，且PP膠于埋孔處和層間PP層同質(zhì)膠連，就如同建筑過(guò)程樓層與柱子中整體灌澆混凝土水泥的狀況，可以有效增加材料的強(qiáng)固性；圖2是Y公司量產(chǎn)由樹(shù)脂塞孔改壓合填膠實(shí)際出貨爆板DPPM統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。初始樹(shù)脂塞孔工序因?yàn)橛性S多機(jī)率性的塞孔微瑕疵，壓合前沒(méi)有增加脫機(jī)烘烤，容易藏匿水氣壓入板材內(nèi)造成948D×10-6的爆板問(wèn)題；經(jīng)工序改善壓合前增加立式烤箱烘烤，雖有效改善使缺陷降到0.018%，但更有效的是采用直接壓合PP填膠的工藝，一個(gè)季度內(nèi)降到0.0032%。

圖2 壓合PP填膠爆板

3 HDI內(nèi)埋芯層板厚0.6 mm ～ 1.0 mm壓合PP直接填膠工序的關(guān)鍵條件

這里就不說(shuō)明太多壓合制程PP半固化片流動(dòng)性、黏度等學(xué)理的量化分析的數(shù)據(jù)，直接說(shuō)明工藝條件如何才能完滿壓合PP填膠的關(guān)鍵要點(diǎn)，符合「量產(chǎn)技術(shù)」的直接應(yīng)用性，只有PCB量產(chǎn)上可控的工法、參數(shù)或條件，才可以很快地進(jìn)行實(shí)質(zhì)應(yīng)用與逐步驗(yàn)證，產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的利潤(rùn)。

以下即為0.6 mm ～ 1.0 mm厚內(nèi)埋孔壓合PP直接填膠的制作的控制重點(diǎn)要項(xiàng)。

3.1 0.2 mm（8 mil）埋孔鉆孔

1080PP的玻璃纖維經(jīng)緯紗束直徑約0.05 mm，0.2 mm鉆孔經(jīng)過(guò)電鍍后埋孔直徑約剩0.178 mm（7 mil）以下，此埋孔橫面截面積規(guī)格是0.3 mm鉆孔的40%，0.25 mm鉆孔的60%，如此小的橫截面才有足夠的支撐力道，讓壓合填膠流膠過(guò)程玻璃纖維不會(huì)向下沉限，造成孔面凹陷效應(yīng)不良的質(zhì)量問(wèn)題。

3.2 埋孔塞孔改善

異物的孔塞會(huì)造成PP流膠的阻滯，鉆孔后須先用高壓吹孔機(jī)或者高壓水刀去除大部分粉塵，去毛刺線的超音波震蕩也是必要工序，電鍍線產(chǎn)生的銅渣問(wèn)題也需加以改善控制。

3.3 棕化后壓合前埋孔孔內(nèi)水氣去除

壓合前棕化工序，水平傳動(dòng)設(shè)備對(duì)小孔徑埋孔吹孔效果有限，非常容易藏水未烘干，壓入PP內(nèi)會(huì)造成信賴度爆孔不良，必須于棕化處理后增加脫機(jī)烤板去水氣的工序，一般采用80 ℃、30 min條件以上即能夠有效去除埋孔水氣。

3.4 壓合PP填膠材料選擇建議

業(yè)界近年無(wú)鉛焊料趨勢(shì)，材料為了提高耐熱性朝含填充材高Td材料發(fā)展。其實(shí)，用一般性無(wú)填充材的FR-4材質(zhì)直接壓合PP填膠HDI PCB都可以耐受無(wú)鉛焊接12次循環(huán)以上的熱沖擊；如果要采用高Td點(diǎn)含填料的PN材料，必須選定填料顆粒形狀圓潤(rùn)的Al2O3填充材質(zhì)， 一般的SiO2填充材因菱角分明會(huì)阻滯真空壓合過(guò)程中，孔口流膠的速度造成填膠的不良。半固化片膠含率的須選擇中含膠率或高含膠率的型號(hào)，才能確保埋孔周邊能有足夠厚的樹(shù)脂層（Butter Coat），免于玻璃纖維貼附銅面造成的爆板問(wèn)題。

3.5 壓合機(jī)選擇及壓合參數(shù)

3.5.1 連續(xù)銅箔纏繞式的電熱壓合機(jī)

例如Adara電熱壓機(jī)是采用連續(xù)銅箔導(dǎo)電發(fā)熱，如圖3。壓機(jī)與PCB間的熱傳遞是以上下銅箔發(fā)熱直接對(duì)接觸的材料加熱，迭板的每工作片受熱時(shí)間和溫度完全均勻一致，是壓合PP填膠的最佳設(shè)備選擇。但是，由于鋁板耗材硬度低于PCB，因此鋁板的使用管理控制是一大議題，全廠固定排版尺寸是一個(gè)有效方向，但基材成本高又常受詬病，是否選用此類型電熱壓機(jī)就見(jiàn)人見(jiàn)智了。歐系、韓系PCB多采電熱壓機(jī)系統(tǒng)，原芬蘭Aspocomp和臺(tái)灣敬鵬合資的蘇州公司，就是完全以Adara電熱壓機(jī)百分百用壓合PP填膠工藝生產(chǎn)用于Nokia手機(jī)的HDI板，造就出高高可靠的手機(jī)主板。

3.5.2 傳統(tǒng)鋼板迭合熱壓機(jī)

PP固化片有效流膠溫度約介于80 ℃ ～ 130 ℃之間，要讓傳統(tǒng)壓機(jī)內(nèi)上、中、下層所有工作片，壓合填膠質(zhì)量均勻優(yōu)化，必須將真空壓合的有效流膠時(shí)間使用到最大化， 需要設(shè)定讓熱盤(pán)啟始溫度低于100 ℃以下。多數(shù)PCB為了壓合產(chǎn)能最大化問(wèn)題，熱盤(pán)多保持140 ℃待溫，但是，這樣的啟始溫度，整個(gè)壓鍋外層迭板受溫過(guò)高，流膠時(shí)間太短，流膠填入埋孔處尚未撫平即已固化，會(huì)造成大比例性的填膠凹陷的質(zhì)量問(wèn)題。因此傳統(tǒng)壓機(jī)需改裝建成冷熱同機(jī)（冷機(jī)負(fù)責(zé)快速降熱盤(pán)溫度增加壓合產(chǎn)能）加上冷壓機(jī)的配置，才能符合相關(guān)PP填埋孔制程設(shè)計(jì)的需求。

圖3 連續(xù)銅箔導(dǎo)電迭合示意圖

4 質(zhì)量問(wèn)題及其改進(jìn)方法

4.1 埋孔上方凹陷過(guò)深

針對(duì)壓合填膠關(guān)鍵因子如沒(méi)有完整條件配合，壓合填膠后，埋孔上方常會(huì)有一定比例的凹陷問(wèn)題，凹陷程度超出干膜的貼合填覆能力，造成干膜的貼附不良而產(chǎn)生大比例的內(nèi)層線路開(kāi)路報(bào)廢，或外層二銅電鍍的滲鍍性問(wèn)題。此質(zhì)量現(xiàn)象可由整合工藝條件及方法有效的克服。

4.2 眉毛效應(yīng)

壓合埋孔若因壓合工藝參數(shù)條件不良，例如單獨(dú)熱壓機(jī)無(wú)強(qiáng)制降溫功能，為了產(chǎn)能稼動(dòng)率，直接采用一般性140 ℃ 啟始高溫進(jìn)行壓合PP填膠，靠近高溫?zé)岜P(pán)的工作片，由于流膠時(shí)間過(guò)短，外部和內(nèi)部環(huán)氧樹(shù)脂膠固化時(shí)間點(diǎn)差，于埋孔孔銅的轉(zhuǎn)角處造成PP細(xì)致的層流結(jié)構(gòu)，組裝受熱過(guò)程會(huì)發(fā)生“眉毛效應(yīng)”的板材裂縫、爆板問(wèn)題，如圖4所示。

4.3 特性阻抗的優(yōu)化調(diào)整

改變工藝方法進(jìn)行內(nèi)埋孔壓合PP填膠，相對(duì)的環(huán)氧樹(shù)脂膠的損失率可以經(jīng)多次驗(yàn)證，確認(rèn)芯層板厚和1080PP壓合后厚度的新關(guān)系式，由設(shè)計(jì)單位針對(duì)特性阻抗線寬設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)整的搭配，以符合客戶的特性阻抗需求；另外，內(nèi)埋孔孔數(shù)多寡和半固化片epoxy膠的損失率對(duì)于壓合后PP層厚度的差異敏感度不高，拿壓合過(guò)程中板邊正常的流膠量來(lái)填入埋孔區(qū)已是綽綽有余。

圖4 眉毛效應(yīng)切片示意圖

5 技術(shù)的推廣與結(jié)論

內(nèi)埋層0.6 mm以下的板厚，業(yè)界采壓合PP填膠的工藝已行之有年。然而，更厚的板厚要想施行相同工藝，質(zhì)量上長(zhǎng)久來(lái)被埋孔凹陷、內(nèi)埋線路開(kāi)路等質(zhì)量不良的門(mén)坎所阻礙，設(shè)備上因?yàn)閭鹘y(tǒng)壓機(jī)熱傳均勻性問(wèn)題、銅箔傳熱型電熱壓機(jī)未能廣用、及材料上因無(wú)鉛焊料需求PN材料大量替掉一般FR-4材質(zhì)，且PN材料因成本問(wèn)題廣采SiO2型態(tài)填充材，造成質(zhì)量問(wèn)題一直無(wú)法改善突破。經(jīng)過(guò)了敬鵬電子八年和個(gè)人兩年以上的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，已確認(rèn)此工法條件的可信度，相信此可以縮短工序（產(chǎn)品交期）并有效降低生產(chǎn)流程成本和能符合信賴度耐熱性需求的工藝，多方的正向誘因，必然可快速推動(dòng)此技術(shù)的廣用性。

做為HDI PCB產(chǎn)業(yè)的制造者，了解內(nèi)埋孔壓合直接填膠的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用方法，此篇提供相關(guān)量產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，還需要同業(yè)不斷的去實(shí)踐驗(yàn)證這樣的工藝能力，改善相關(guān)的工藝問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更低成本HDI PCB產(chǎn)品的制作。

陳志勇，從事HDI PCB產(chǎn)品研發(fā)及制程開(kāi)發(fā)領(lǐng)域16年經(jīng)驗(yàn)，熟悉各HDI專用設(shè)備的原理和HDI制程設(shè)計(jì)及可靠性控制的經(jīng)驗(yàn)，有2N2 HDI廠及Any-layer HDI的建廠經(jīng)驗(yàn)。

The key factors of HDI buried hole (thickness 0.6 mm ～ 1.0 mm) filled with prepreg

CHEN Zhi-yong

HDI buried hole with resin plugging process is long and the cost is high. By optimizing the production processes, shortening the period, and reducing the manufacture cost, this paper points out a technology to HDI buried hole (0.6mm～1.0mm thickness) filled with prepreg.

HDI; Buried Hole; Prepreg

TN41

A

1009-0096（2014）07-0032-04