一種高速印制電路板孔壁分離的原因分析及改善

劉文龍 潘俊健 王立峰 周 黎

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

電子電路技術和電子產品正飛速發(fā)展，5G時代來臨后高頻高速印制電路板（PCB）大規(guī)模應用，此類PCB的特點是高性能、高可靠性、高密度、高層數(shù)、制造工藝復雜。而孔壁分離（hole wall pull away）是此類PCB眾多失效模式中較為常見的一種。與孔壁分離相關的因素有很多，已有諸多PCB技術人員關注并提出相關研究結論，這些因素主要包括：PCB設計（板厚、孔徑、內層銅環(huán)設計）、基材熱膨脹系數(shù)（CTE）過大導致基材與銅之間產生內應力、鉆孔及除膠等PCB流程工藝控制、孔壁除膠后表面形貌等等。

而針對以某些低介電常數(shù)和低介電損耗覆銅板為原材料制作的高速PCB，我們發(fā)現(xiàn)除上述因素會影響孔壁分離外，還存在其他因素。因此文章通過對一種高速PCB孔壁分離現(xiàn)象進行原因分析，提出相應的改善措施，并驗證了改善措施的有效性和可行性。

1 案例狀況

有A產品為一款低介電常數(shù)、低介電損耗覆銅板，其玻璃化轉變溫度（Tg值，DSC測試）在185 ℃以上，主要用于制作高多層高速PCB產品。使用A產品制作一款28層PCB，其部分關鍵流程如下：

鉆孔→烘板→去毛刺→等離子體除膠→化學除膠→化學沉銅→電鍍銅

在PCB在制板電鍍銅后，切片時即發(fā)現(xiàn)小孔（φ0.30 mm）出現(xiàn)孔壁分離。常規(guī)所見的孔壁分離一般為大孔（≥φ3.0 mm）在受到熱沖擊后出現(xiàn)，如果內層沒有銅盤的“錨固作用”則風險更高，同時其形態(tài)特征為孔壁銅層與基材直接分離（如圖1所示）。但該高速PCB未經任何熱處理流程即在小孔中發(fā)現(xiàn)孔壁分離，其形態(tài)特征為靠近孔壁銅層的基材位置有輕微裂縫，即孔壁銅層還“粘附”著少量基材。

圖1 高速PCB小孔孔壁分離圖

2 案例分析

2.1 孔壁分離機理分析

針對該高速PCB出現(xiàn)了與常規(guī)孔壁分離不一樣的特征，在確認覆銅板A產品本身性能及PCB加工過程無異常后，從A產品結構特性及PCB加工流程設計為切入點進行分析。

首先，從分離位置的特征來看，A產品本身耐熱性較佳（高Tg），且PCB加工過程并沒有其他外部作用力促使其內部出現(xiàn)裂縫，因此排除基材內應力或受外部作用力后出現(xiàn)裂縫的可能。

然后結合PCB加工流程設計的特點，設計以下試驗對基材形貌在PCB加工過程中的變化進行考察，以便進一步分析原因。其試驗流程為：

A產品雙面板→蝕刻→掃描電鏡觀測→等離子體除膠（兩種參數(shù)）→掃描電鏡觀測→超聲波清洗→掃描電鏡觀測→化學除膠→掃描電鏡觀測

對A基材進行表面除膠處理，不同除膠方式的除膠量見表1所示?；男蚊苍赑CB加工過程中的變化通過掃描電鏡（SEM）進行觀測，其結果匯總如圖2所示。

圖2 在PCB加工過程中基材形貌的變化圖

表1 A產品在不同除膠方式的除膠量表

從SEM結果來看，等離子體除膠過程將基材中部分樹脂有機物咬蝕掉后，A產品中的填充劑由于粒徑?。―50約為1 μm）、單個填充劑重量輕，等離子體除膠并未將原來包裹填充劑的樹脂完全除掉而出現(xiàn)了“藕斷絲連”的狀態(tài)，因此基材表面就形成了一層“疏松層”。而A產品本身耐化學性較強，化學除膠的除膠量非常小，難以將“疏松層”去除。可以推斷，如果直接在該“疏松層”上進行沉銅的話，則銅層與基材的結合力必然得不到保證。另外，從超聲波后SEM觀測結果來看，在等離子體除膠后進行超聲波清洗是去除“疏松層”的有效方法。

2.2 改善措施及效果確認

為驗證等離子體除膠后進行超聲波清洗是否能有效解決以上孔壁分離問題，使用A產品制作了16層（厚度為2.30 mm）和28層（厚度為4.5 mm）PCB進行驗證，測試板關鍵流程為：

鉆孔→烘板→去毛刺→等離子體除膠（兩種參數(shù)）→超聲波清洗（兩種參數(shù)）→化學沉銅→電鍍銅→無鉛回流焊6次→切片確認是否有孔壁分離或其他異常

無鉛回流焊后切片檢查孔壁是否分離、有否分層爆板和內層互連缺陷等其他異常。結果匯總如表2所示。

表2中，超聲波清洗參數(shù)-1與參數(shù)-2主要差別是走板速度，其走板速度比為2:1，即參數(shù)-1的實際超聲波處理時間僅為參數(shù)-2的一半，相應地超聲波處理效果也更差一些。序號5、7的28層板超聲波處理時間少，出現(xiàn)了孔壁分離，如圖3所示。

圖3 28層測試板回流焊后孔壁分離圖

表2 改善效果確認試驗結果匯總表

表2中，序號6的試驗板在等離子體除膠、超聲波清洗后分別利用SEM進行孔壁形貌觀測，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)在等離子體除膠后，孔壁基材區(qū)域有大量的小粒徑填料黏附在表面，一般的水洗流程并不能將這些填料“疏松層”去除，而通過超聲波清洗則能將這些填料“疏松層”去除且對PCB整體可靠性及其他性能無負面影響。

圖4 超聲波清洗前后孔壁形貌對比圖

從試驗結果來看，通過等離子體除膠后對孔壁進行超聲波清洗，能有效改善A產品高速PCB孔壁分離的問題，而清洗效果的主要影響因素為PCB本身結構（板厚、縱橫比等）及超聲波清洗參數(shù)。因此為保證等離子除膠后遺留在孔壁上的填充劑“疏松層”能徹底去除，形成良好的沉銅層和電鍍銅層，杜絕孔銅分離的風險，則需依據(jù)實際PCB結構及設計與超聲波清洗線情況設定具體參數(shù)。

3 結論

PCB孔壁分離是常見失效模式，其缺陷形態(tài)及產生原因也非常多樣化。高頻高速覆銅板新材料和新加工技術的應用也帶來了新的挑戰(zhàn)和新的失效模式。文章所討論的一種關于高速PCB孔壁分離缺陷，正是由于等離子體除膠后在孔壁基材區(qū)域形成了小粒徑填料“疏松層”，最終在沉銅和電鍍銅后發(fā)生孔壁分離，而通過在等離子體除膠流程后增加超聲波清洗流程，并依據(jù)實際PCB結構和生產線情況設置合適的參數(shù)，可有效解決該類孔壁分離問題且無其他負面影響。