5G功放板填孔覆蓋鍍層耐熱性能研究

傅立紅

（廣東依頓電子科技股份有限公司，廣東 中山 528445）

0 引言

5G 功放板是一種貼裝在5G 主板表面，經(jīng)過內(nèi)置射頻天線和高頻電磁波在空氣中向遠(yuǎn)處傳播信號(hào)，輔助5G 主板將信號(hào)放大的印制電路板（printed circuit board，PCB）。PCB 基板需要具備優(yōu)良的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，要求高頻率信號(hào)在傳輸過程中的損失非常小且穩(wěn)定。

選擇一款 PCB，基板為碳?xì)錁渲╤ydrocarbon resin，PCH）類熱固性高速材料S7136。S7136在10 GHz的高頻下具有較低的介電損耗（Df=0.003）和較低的介電常數(shù)（Dk=3.36），是一款電性能優(yōu)越的國(guó)產(chǎn)高頻高速材料，其玻璃化溫度（Tg）≥280 ℃（差示掃描量熱法）；熱分解溫度（Td）為390 ℃；Z方向的熱膨脹系數(shù)（coefficient oLead-free reflowf thermal expansion，CTE）為50×10-6/℃；剝離強(qiáng)度0.8 N/mm（35 μm銅箔）。材料的可加工性與其他碳?xì)洳牧舷嗤?，相比普通的FR4 材料較難，尤其在鉆孔、沉銅、防焊、機(jī)加工等工序有其特別工藝管控要求。

該P(yáng)CB 產(chǎn)品有填孔覆蓋電鍍（plate over filled via，POFV）設(shè)計(jì)，為保證POFV 鍍層與樹脂間的高可靠性能，本文針對(duì)POFV處樹脂與銅鍍層分離的問題進(jìn)行了專項(xiàng)研究，重點(diǎn)介紹該板在高溫下POFV處的樹脂與銅分離問題的解決方法。

1 POFV鍍層與樹脂分離現(xiàn)象描述

1.1 測(cè)試條件

無鉛回流（lead-free reflow，IR）參數(shù)：最高溫度（260±5）℃，過程溫度在255 ℃以上保持20～30 s，過程溫度在217 ℃以上保持120～150 s，IR為5次。

1.2 外觀接受標(biāo)準(zhǔn)

無起泡，無阻焊膜剝落。

1.3 切片接受標(biāo)準(zhǔn)

（1）不同網(wǎng)絡(luò)板材與鍍銅無裂紋、分層。

（2）同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的板材裂紋和分層可接受，但不能擴(kuò)展到同網(wǎng)絡(luò)的外部，不允許鍍銅裂紋。

（3）POFV 位不可出現(xiàn)填孔樹脂表面與鍍銅分層或起泡的現(xiàn)象。

1.4 切片結(jié)果

取PCB 過IR 之后的缺陷板做切片進(jìn)行觀察，在POFV 位處樹脂填充無空洞及裂紋，但出現(xiàn)了鍍銅與樹脂分離的問題，如圖1所示。

圖1 缺陷板橫截面切片

2 POFV 鍍層與填孔樹脂表面分離原因分析

針對(duì)POFV 鍍層與樹脂分離的缺陷，采用魚骨圖對(duì)影響因子進(jìn)行梳理，確認(rèn)可能導(dǎo)致5 個(gè)異常因素的產(chǎn)生，如圖2所示。其中人員操作異?？赡軙?huì)使POFV 處的樹脂面污染，導(dǎo)致填孔樹脂表面與鍍銅間的結(jié)合力下降，在PCB 過無鉛回流焊高溫下發(fā)生分離問題。該因素屬于現(xiàn)場(chǎng)管理異常問題，未列在本次研究?jī)?nèi)。

圖2 魚骨原因分析

從PCB 流程制作的工藝參數(shù)，如填孔樹脂固化烤板和電鍍通孔（plating through hole，PTH）除膠、填孔樹脂CTE 特性、磨樹脂后到第2 次PTH 現(xiàn)場(chǎng)在制PCB 存放時(shí)間管控等3 個(gè)方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)測(cè)試方案進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)填孔后樹脂固化的烤板參數(shù)及樹脂CTE特性進(jìn)行對(duì)比測(cè)試；其次對(duì)磨樹脂后到第2次沉銅的存放時(shí)間與第2次PTH除膠時(shí)的參數(shù)做對(duì)比測(cè)試。

3 流程測(cè)實(shí)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案1

3.1.1 測(cè)試流程

樹脂填孔→烤板→磨樹脂→AOI 檢查→沉銅→VC→測(cè)試。

3.1.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

采用不同的填孔樹脂與烤板參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，見表1。

表1 不同樹脂及固化烤板參數(shù)測(cè)試組合與測(cè)試結(jié)果

3.1.3 結(jié)果及分析

常規(guī)測(cè)試為過5 次IR，本實(shí)驗(yàn)采用極限測(cè)試（10 次IR）。由表1 可知，A 樹脂所做的測(cè)試板在第3次IR 測(cè)試時(shí)，100%出現(xiàn)樹脂與鍍銅分離的問題，初步分析為A 樹脂與此類基板CTE 嚴(yán)重不匹配，需要進(jìn)一步對(duì)不同樹脂CTE 進(jìn)行對(duì)比分析。條件2 與4 使用B 供應(yīng)商的填孔樹脂，配合2 種固化烤板條件。條件4的烤板條件分為2段，在前段增加低溫區(qū)，方便水分或溶劑揮發(fā)，在高溫固化段延長(zhǎng)30 min，讓填孔樹脂固化更充分。條件2在極限測(cè)試時(shí)耐熱性的表現(xiàn)較差，說明優(yōu)化烤板條件，提高樹脂的固化程度對(duì)改善POFV 鍍層與樹脂分離有一定作用。

3.1.4 不同物料CTE特性對(duì)比測(cè)試

為了更準(zhǔn)確地了解各種物料的CTE 在同一水準(zhǔn)下的真實(shí)差異，確認(rèn)異常原因，繼續(xù)對(duì)A 和B填孔樹脂及基板在同一測(cè)試條件下做各種物料的CTE對(duì)比測(cè)試。

（1）填孔樹脂CTE 測(cè)試取樣。取A 與B 樹脂各50 g 左右，放在1 塊銅板的表面，然后平放入立式烤箱中，烘烤80 ℃/1 h+100 ℃/1 h+150 ℃/1.5 h，完成烤板后在磨水晶切片的研磨機(jī)上磨成如圖3所示的小方塊，從基板一起取樣送實(shí)驗(yàn)室用熱機(jī)械分析（thermomechanical analysis，TMA）法測(cè)量樹脂CTE值。

圖3 樹脂固化后做CTE測(cè)試樣品

（2）不同樹脂與S7136 基板CTE 對(duì)比測(cè)試。測(cè)試不同物料的CTE結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同物料熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖可知，A 樹脂CTE 為3.77%，B 樹脂CTE為1.60%，S7136 基板CTE 為1.46%。A 樹脂較B樹脂的CTE 值較高，說明2 種樹脂CTE 特性差異較大；B 樹脂CTE 與S7316 基材的CTE 數(shù)值接近。根據(jù)不同樹脂與S7136 基材CTE 的測(cè)試對(duì)比，結(jié)合3.1.2的測(cè)試方案中IR 測(cè)試結(jié)果（采用A 樹脂所做PCB 出現(xiàn)了較嚴(yán)重的POFV 鍍層與填孔樹脂表面分離的問題，B 樹脂所做的PCB 基本沒有問題）進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)PCB 制作中的填孔樹脂與基板的CTE 特性相同或相近，可避免POFV 鍍層與填孔樹脂之間發(fā)生分離的問題。

3.2 測(cè)試方案2

研究PTH 流程前不同停留時(shí)間（72、120、168 h），以及不同除膠參數(shù)（普通Tg除膠參數(shù)及Tg除膠參數(shù)）對(duì)POFV 鍍層與填孔樹脂分離的影響，設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下。

3.2.1 測(cè)試流程

磨樹脂→AOI 檢查→沉銅前停留時(shí)間→沉銅除膠參數(shù)→VCP→測(cè)試。

3.2.2 測(cè)試條件及方案

除膠參數(shù)分普通Tg除膠參數(shù)與高Tg除膠參數(shù)，停留時(shí)間分3種情況，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 測(cè)試因子組合與結(jié)果

3.2.3 方案2測(cè)試結(jié)果

在第2次沉銅前，停放在72及120 h以內(nèi)的測(cè)試板過10 次IR 均未出現(xiàn)POFV 鍍層與填孔樹脂分離的情況；168 h 的測(cè)試板過5 次IR 時(shí)未出現(xiàn)問題，繼續(xù)跟進(jìn)到第8 次IR 時(shí)，POFV 鍍層處樹脂與銅分離。普通Tg與高Tg除膠參數(shù)有輕微差異，說明對(duì)POFV 鍍層與填孔樹脂分離也有少許的影響，沉銅前停放時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)分離影響越大，因此需要對(duì)停留時(shí)間進(jìn)行管控。

填孔樹脂是一種熱固性的高分子化合物，在填孔前以支鏈狀態(tài)存在，經(jīng)高溫后，分子鏈中的反應(yīng)基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，完成固化成型。由于在高溫下填孔樹脂的固化反應(yīng)不能達(dá)到100%，固化后的填孔樹脂依然存在極性分子，長(zhǎng)時(shí)間裸露在空氣中會(huì)吸附空氣中的水分子，形成結(jié)晶水，沉銅后填孔樹脂表面上鍍上一層銅，封住了IR 高溫下填孔樹脂中吸附的水分子汽化的路徑，當(dāng)水汽所產(chǎn)生的壓力大于填孔樹脂與鍍銅的結(jié)合力時(shí)，會(huì)發(fā)生填孔樹脂與鍍銅分離的問題。

結(jié)果顯示，不同除膠參數(shù)對(duì)POFV 鍍層與填孔樹脂分離有部分影響。沉銅除膠是通過高錳酸鉀藥水對(duì)填孔樹脂進(jìn)行咬蝕，使填孔樹脂表面形成均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可提高填孔樹脂與鍍銅之間的結(jié)合力。在鍍銅前加強(qiáng)對(duì)填孔樹脂表面除膠，理論上可增加填孔樹脂表面蜂窩的形成，進(jìn)一步提高POFV鍍層的耐熱可靠性能。

4 結(jié)論

通過對(duì)POFV 鍍層與填孔樹脂分離的原因分析，并針對(duì)性地進(jìn)行測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下。

（1）影響POFV 鍍層與填孔樹脂分離的主要因素是所選填孔樹脂的CTE 特性與基板CTE 特性的匹配性，在選擇物料時(shí)，2 種物料的CTE 應(yīng)盡量保持相近，可有效解決此類問題。

（2）填孔后的樹脂固化烤板參數(shù)、磨樹脂后到電鍍通孔的停留時(shí)間、電鍍通孔過程中除膠條件等對(duì)POFV 鍍層與填孔樹脂分離有少許影響，需通過制定標(biāo)準(zhǔn)的管控方案對(duì)流程進(jìn)行管控，保證品質(zhì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。