高導(dǎo)熱厚銅HDI板制作技術(shù)研發(fā)

翟青霞 周文濤 李金龍 朱 拓（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

高導(dǎo)熱厚銅HDI板制作技術(shù)研發(fā)

Paper Code: S-032

翟青霞 周文濤 李金龍 朱 拓
（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

電源設(shè)備用PCB一般要求具備良好的散熱性，所以其所用材料的導(dǎo)熱性及銅厚都較高。而隨著電源設(shè)備的小型化、多功能化發(fā)展，高密度互連的電源板設(shè)計(jì)也逐步被客戶所采納，于是出現(xiàn)了高導(dǎo)熱材料、厚銅與高密度互連設(shè)計(jì)相結(jié)合的組合型電源PCB產(chǎn)品。這種發(fā)展給PCB制造商帶來(lái)新市場(chǎng)的同時(shí)，也帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文著重研究了利用高導(dǎo)熱厚銅材料，制作高散熱性高密度互連PCB的方法，對(duì)此類特殊材料及組合設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了解決辦法。

高導(dǎo)熱材料；散熱；高密度互連；背鉆

1 背景

電源設(shè)備因其必須具備良好的散熱性和大電流承載型，所以一般設(shè)計(jì)為≥102.9 μm的厚銅層，但高密度互連特性也逐步出現(xiàn)在多功能電源模塊PCB之中，高密度互連設(shè)計(jì)務(wù)必會(huì)犧牲PCB一部分散熱性能，所以，高導(dǎo)熱材料的出現(xiàn)，又很好的彌補(bǔ)了這一缺陷。高散熱厚銅HDI設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，因其具備組合型產(chǎn)品的技術(shù)難度，給PCB制造商帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。因高導(dǎo)熱材料一般具有高Tg，良好的耐熱沖擊性，加之厚銅設(shè)計(jì)，尤其增加了壓合、鉆孔等工序的制作難度。本文通過(guò)介紹一款14層內(nèi)層137.2 μm厚銅高導(dǎo)熱HDI板的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)研發(fā)，引導(dǎo)高導(dǎo)熱材料厚銅HDI板的設(shè)計(jì)和制造。

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文涉及的14層高導(dǎo)熱板材HDI板應(yīng)用于高功率電源方面，故對(duì)可靠性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率等性能有較嚴(yán)格的要求，因此在選材和制作工藝方面需要特別注意。利用不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，測(cè)試和制作多種高導(dǎo)熱類型材料，驗(yàn)證了材料和結(jié)構(gòu)的可制作性。

表1 高導(dǎo)熱材料HDI印制板主要參數(shù)特點(diǎn)

3 技術(shù)原理簡(jiǎn)介

3.1 材料測(cè)試選擇

目前行業(yè)內(nèi)常用的高導(dǎo)熱材料有陶瓷、鋁基板等，導(dǎo)熱PP主要是改性環(huán)氧樹(shù)脂。此項(xiàng)目的開(kāi)展是基于14層厚銅產(chǎn)品，應(yīng)用于嵌入式電源，需充分考慮材料的可加工性，如高層數(shù)、多次壓合、激光鉆孔、背鉆，同時(shí)需要滿足高導(dǎo)熱性。

將現(xiàn)有調(diào)查到的高導(dǎo)熱材料性能參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 不同材料的性能參數(shù)對(duì)比表

上表數(shù)據(jù)可以看出，B材料的熱導(dǎo)率可以達(dá)到與金屬基板等同，又具有極好的耐熱性。故使用B材料作為高導(dǎo)熱材料加工產(chǎn)品。

3.2 工藝流程設(shè)計(jì)

因?yàn)榇水a(chǎn)品涉及到單面增層，部分背鉆孔的設(shè)計(jì)與盲孔的層數(shù)交叉，故必須使用多次壓合的方式，以保證各層的線路設(shè)計(jì)。此次流程設(shè)計(jì)為3次壓合：

4 難點(diǎn)分析及解決方法

4.1 壓合排版設(shè)計(jì)

4.1.1 難點(diǎn)描述

（1）由于芯板基銅厚度較厚（均為137.2 μm）且半固化片陶瓷粉填料比例達(dá)到60%以上，相對(duì)于FR-4高溫下流動(dòng)性差，若排版方式不當(dāng)，容易造成粘結(jié)片不能有效填充厚銅區(qū)域，壓合后出現(xiàn)填膠不良。如圖3所示。（2）不同的熱膨脹系數(shù)：該高導(dǎo)熱材料的熱膨脹系數(shù)0.0175%（高于Tg時(shí)）＞銅0.0017%＞鋼0.0005%，可以看出，高導(dǎo)熱材料的熱膨脹系數(shù)居高；另一方面，該結(jié)構(gòu)所用粘結(jié)片樹(shù)脂含量高，如不能合理管控，就會(huì)出現(xiàn)層偏等異常。

4.1.2 改善方案

（1）該材料半固化片含高比例陶瓷粉填料，相對(duì)于FR4流動(dòng)性差，但其本身還是屬于環(huán)氧樹(shù)脂體系，為保證其流動(dòng)性和樹(shù)脂填充性，要求在70 ℃ ～ 130 ℃之間保持升溫速率為（3～3.5）℃/min，適當(dāng)延長(zhǎng)冷壓時(shí)間，冷壓時(shí)降溫速率也應(yīng)低于5 ℃/min，以釋放內(nèi)應(yīng)力，具體參數(shù)依據(jù)所填銅的厚度和線路的結(jié)構(gòu)設(shè)定；

（2）采用多段壓力加壓設(shè)計(jì)，對(duì)于多層厚銅板，尺寸為457 mm×610 mm時(shí)，壓力可以提高到3.10 Mpa，具體需依據(jù)實(shí)際情況做調(diào)整；

（3）因?yàn)榇水a(chǎn)品使用銅箔與半固化片的壓合方式，故壓力均勻性和輔助材料的緩沖能力很重要，排板時(shí)層間加新牛皮紙作為緩沖層，緩沖壓力，并促進(jìn)填膠；

（4）使用先鉚合后熔合的方式預(yù)疊板，且排版時(shí)在墊鋼層間加新牛皮紙防滑；

4.1.3 改善效果

改善效果見(jiàn)圖1圖2。

圖1 填膠良好圖

圖2 層偏量合格圖（56μm）

4.2 激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 問(wèn)題描述

高導(dǎo)熱材料樹(shù)脂無(wú)機(jī)陶瓷填料比例很高（60%以上），激光鉆孔過(guò)程中穿透能力明顯下降，造成激光盲孔底部樹(shù)脂殘留。內(nèi)層開(kāi)路、盲孔脫墊問(wèn)題頻發(fā)。

4.2.2 改善對(duì)策

針對(duì)此類高無(wú)機(jī)填料材料，普通FR4產(chǎn)品激光盲孔制作參數(shù)已不能滿足其能量需求，必須優(yōu)化參數(shù)，以保證盲孔底部樹(shù)脂反應(yīng)完全，以下為高導(dǎo)熱材料優(yōu)化參數(shù)對(duì)比。

表3 普通FR4與高導(dǎo)熱材料激光鉆孔參數(shù)對(duì)比表

4.2.3 改善效果

高導(dǎo)熱材料激光鉆孔加工能量需明顯增強(qiáng)，圖3是優(yōu)化參數(shù)后激光盲孔制作效果。

圖3 改善后激光鉆盲孔觀測(cè)圖

4.3 機(jī)加工披鋒、斷刀問(wèn)題改善

4.3.1 難點(diǎn)描述

因材料本身陶瓷粉填料比例高，硬度大，且內(nèi)層含10層以上的137.2 μm厚銅層，機(jī)加工（含鉆孔、銑PTH槽、銑set外形、銑外圍等）時(shí)對(duì)刀具的磨損很?chē)?yán)重，控制不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)爆孔、披鋒等異常。嚴(yán)重時(shí)銅皮會(huì)卷到刀具上并會(huì)出現(xiàn)斷刀。

4.3.2 改善方案

機(jī)加工時(shí)選用金剛石涂層的刀具，適當(dāng)調(diào)整刀具壽命如孔數(shù)、銑程序等。具體改善方法如下：

（1）蓋板、墊板：使用酚醛材料；（2）孔限設(shè)置：盡量避免設(shè)置孔限高于100孔，以避免基體材料疲勞破壞導(dǎo)致斷刀；（3）鉆孔使用分步鉆的方式，具體依實(shí)際板厚來(lái)決定分2步或3步；（4）過(guò)程中注意監(jiān)控鉆頭品質(zhì)，若出現(xiàn)涂層崩缺，則不能繼續(xù)使用，因?yàn)榇瞬牧蟽?nèi)部的陶瓷填料存在顆粒大小不一，分布不一致的情況（如圖10），鉆頭鉆至陶瓷顆粒聚集位置或異常大顆粒位置時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鉆頭刃口崩缺。

4.3.3 改善效果

改善后效果如圖4。

圖4 機(jī)加工問(wèn)題改善效果圖

4.4 除鉆污方法

4.4.1 難點(diǎn)描述

因高導(dǎo)熱板材陶瓷填料比例高，質(zhì)硬（硬度堪比固化的水泥），常規(guī)的等離子活化無(wú)法對(duì)處理，普通的高Tg參數(shù)化學(xué)除鉆污一次（正常情況下控制除鉆污速率在0.3 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2）無(wú)法將鉆污處理干凈。

4.4.2 改善方案

此材料特殊，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)其除鉆污速率應(yīng)在1 mg/cm2～ 1.2 mg/cm2之間，采用兩次除鉆污的方式，能夠更有效的除掉含陶瓷料比例較高的高導(dǎo)熱材料的鉆污。具體除鉆污速率受層壓結(jié)構(gòu)及板厚影響會(huì)有差異。改善方式和效果見(jiàn)表4，各項(xiàng)指標(biāo)均符合IPC標(biāo)準(zhǔn)。

表4 改善除鉆污方式及效果表

4.3.3 改善效果

改善效果見(jiàn)圖6。

4.5 折斷板問(wèn)題改善

4.5.1 難點(diǎn)描述

圖6 改善除鉆污后效果圖

因高導(dǎo)熱板材陶瓷填料比例高，材料質(zhì)硬且介厚較薄，不足以支撐137.2 μm基銅，故芯板加工時(shí)極易斷板。并且在銑set外形后，尤其是沉銅、板電、蝕刻、阻焊工序會(huì)出現(xiàn)斷板的情況。

4.5.2 改善方案

（1）設(shè)計(jì)時(shí)，基于線路設(shè)計(jì)將連接位加大，以保證銅皮可以支撐如此厚重的板。以下僅針對(duì)外層線路寬度設(shè)計(jì)示例，見(jiàn)圖7。執(zhí)行該改善措施后，該產(chǎn)品完成阻焊后未見(jiàn)斷板。

圖7 外層連接位寬度改善前后對(duì)比圖

（2）給連接位內(nèi)層增加假銅設(shè)計(jì)，以假銅來(lái)提高連接位的強(qiáng)度，盡量減少純基材層的寬度，防止折斷板。假銅設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 連接位添加假銅設(shè)計(jì)示意圖

5 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)合格，此款14層高導(dǎo)熱材料HDI印制板達(dá)到IPC-6012C相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)表5。

6 總結(jié)

通過(guò)以上的研究探索，可以將此類高導(dǎo)熱的HDI板制作技術(shù)總結(jié)如下：

表5 各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表

（1）材料的選擇：綜合比較性能與價(jià)格，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，選擇熱導(dǎo)率高且耐熱性高的材料。

（2）設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)，可以按照“分→總”的形式進(jìn)行，即，先設(shè)計(jì)不同層別的制作流程，最后將各分流程進(jìn)行匯總。

（3）工藝難點(diǎn)改善總結(jié)：

①壓合采用調(diào)整升溫速率和降溫速率，增大壓力，使用新牛皮紙等緩沖墊相結(jié)合的方式制作，以保證填膠性能；

②高導(dǎo)熱材料激光鉆盲孔，相比FR-4材料需要適當(dāng)增加脈寬、能量，增多發(fā)射次數(shù)，避免盲孔低殘膠等問(wèn)題；

③機(jī)加工過(guò)程中，鉆孔使用金剛石涂層的鉆頭，同時(shí)將孔限調(diào)低，在鉆孔過(guò)程中監(jiān)控鉆頭的損耗情況；

④去鉆污時(shí)應(yīng)控制除鉆污速率為1 mg/cm2～ 1.2 mg/cm2之間；

⑤設(shè)計(jì)階段圖形的連接位在空間允許的情況下，將銅寬度加至最大，采用內(nèi)層添加假銅設(shè)計(jì)，以保證其足夠的支撐力，防止折斷板。

[1]祝大同. 高導(dǎo)熱性樹(shù)脂開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的新進(jìn)展(1)——對(duì)散熱基板材料制造新技術(shù)的綜述[J]. 印制電路信息,2012/10.

[2]祝大同. 高導(dǎo)熱性樹(shù)脂開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的新進(jìn)展(2)——對(duì)高導(dǎo)熱性基板材料制造新技術(shù)的綜述[J]. 印制電路信息, 2012/11.

[3]林金堵,梁志立,鄔寧彪,龔永林,陳培良. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù).[M]. 第三版. 上?！肅PCA,PCI,2013.

[4]陸彥輝,何為,周?chē)?guó)云,陳苑明. 高頻高速印制板材料導(dǎo)熱性能的研究進(jìn)展[J]. 印制電路信息, 2011/12.

[5]陸玉婷,王俊,衛(wèi)雄,龍小明,游俊. 高層盲孔厚銅板制作探討[J]. 印制電路信息. 2011/04.

[6]葉應(yīng)才,何淼,黃海蛟. 厚銅板可靠性保證的控制方法研究[J]. 印制電路信息. 2011/Z1.

翟青霞，工學(xué)碩士，研發(fā)部主管，主要負(fù)責(zé)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)/新客戶導(dǎo)入工作。

Research and development of high thermal conductivity and heavy copper material HDI PCB technology

ZHAI Qing-xia ZHOU Wen-tao LI Jin-long Zhu Tuo

Power unit with excellent heat sink is the trend in future, so the PCB used in power unit should use high thermal and heavy copper laminate. As electrical power units continue to have much more powerful features within smaller size, electrical power PCB with High Density Interconnection is scheduled. To satisfy the higher heat sink and Higher Density, the PCB design including High Density Interconnection high thermal and heavy copper laminate is generated. This paper focuses on the research of the heavy copper material with high heat, puts forward proposals for such special material and combination design of product processing problems.

High Thermal laminate; Heat Dissipation; HDI; Back Drill

TN41

A

1009-0096（2015）03-0184-07