PCB背鉆填孔覆蓋電鍍連接盤的結(jié)合強(qiáng)度研究

韓雪川 李 智 楊中瑞

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

隨著5G 通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)其所用的印制電路板（printed circuit board，PCB）也提出了更高的密集度要求，一般而言，PCB 的背鉆孔位置需要避讓連接盤，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)空間受限，如圖1（a）所示。

圖1 背鉆孔位置設(shè)計(jì)圖形

某客戶提出在背鉆孔位置設(shè)置連接盤的要求，以提升球柵陣列（ball grid array，BGA）區(qū)域的布線密度，且連接盤剝離強(qiáng)度需達(dá)到0.53 N/mm。為此，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)背鉆孔上方制作連接盤與基底的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行研究，如圖1（b）所示。

1 機(jī)理分析

1.1 結(jié)合類型

PCB 主要是由高分子粘結(jié)片與銅箔組成，屬于復(fù)合材料類型。復(fù)合材料界面的結(jié)合類型主要分為以下4 種：①機(jī)械結(jié)合。由表面粗糙而產(chǎn)生機(jī)械錨固（嚙合），靠機(jī)械摩擦力保持表面結(jié)合。② 靜電作用。由界面所帶電荷電性相反，產(chǎn)生靜電引力而保持結(jié)合。③界面擴(kuò)散。由界面組成材料性質(zhì)接近，在原子或分子層級(jí)產(chǎn)生相互擴(kuò)散或溶解，從而保持界面結(jié)合。④ 界面反應(yīng)。組成界面的兩種材料在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一種新的中間物質(zhì)而保持界面結(jié)合。

對(duì)背鉆孔上的連接盤而言，界面結(jié)合類型主要為機(jī)械結(jié)合。

1.2 影響因素分析

界面結(jié)合類型為機(jī)械結(jié)合時(shí)，靠機(jī)械摩擦力而保持結(jié)合，因此其強(qiáng)度主要由界面和界面組成材料決定。界面主要是考慮表面形貌和比表面積，而界面材料主要是考慮材料本身強(qiáng)度。PCB 涉及沉銅電鍍過(guò)程，表面形貌和表面積與界面材料強(qiáng)度相互聯(lián)系、相互影響，從而影響背鉆孔上連接盤的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2.1 表面積與晶粒尺寸關(guān)系：沉銅-形核

機(jī)械結(jié)合時(shí)，表面積越大，機(jī)械嚙合面積越大，結(jié)合強(qiáng)度越高。同時(shí)，在PCB 加工中，表面積大小會(huì)通過(guò)影響沉銅-形核過(guò)程改變沉銅晶粒尺寸，并影響沉銅強(qiáng)度，從而影響結(jié)合強(qiáng)度。

沉銅過(guò)程中，銅離子首先在鈀的催化下還原成銅原子，銅原子在板面上形成銅晶粒，進(jìn)而產(chǎn)生沉銅層。根據(jù)液態(tài)-金屬凝固理論，在液體中均勻形核球形晶胚時(shí)所需的能量為ΔG，計(jì)算式為

式中：ΔG為均勻形核功，J；r為晶胚尺寸，nm；σLα液相L 與晶核α 之間的界面能（單位面積自由能），J/cm3。

非均勻形核時(shí)所需能量為ΔGs，計(jì)算式為

式中：ΔGs為非均勻形核功，J；ΔGV為單位體積固液相自由能之差，J；θ為晶核與表面的接觸角（潤(rùn)濕角），（°）。

非均勻形核與均勻形核的形核功比為

由臨界形核功之比可得：當(dāng)潤(rùn)濕角0°＜θ＜180°時(shí)，ΔGS＜ΔG，并且隨著潤(rùn)濕角的減小而降低。此時(shí)，板面能夠起到降低形核功、增大形核率、減小沉銅晶粒的作用。晶粒越小，強(qiáng)度越高。

因此，在PCB 沉銅過(guò)程中，增加表面積、減小潤(rùn)濕角能夠減小沉銅晶粒尺寸，增大沉銅層強(qiáng)度，從而增大界面結(jié)合強(qiáng)度。

1.2.2 沉銅方式與晶粒尺寸關(guān)系

由上述分析可知，在沉銅過(guò)程中，增加表面積能夠減小沉銅晶粒尺寸，增大界面結(jié)合強(qiáng)度。但是，并非表面積越大，沉銅晶粒尺寸就越小，因?yàn)榫Я３叽绮粌H與形核過(guò)程有關(guān)，還與長(zhǎng)大速度有關(guān)，即沉銅晶粒尺寸取決于形核-長(zhǎng)大的速度比，而長(zhǎng)大速度則與溶液中離子擴(kuò)散速度有關(guān)。

假設(shè)化學(xué)沉銅形核速度為ν1，沉銅界面銅離子擴(kuò)散速度為ν2。①當(dāng)ν1=ν2時(shí)，形核速度等于擴(kuò)散速度，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。②當(dāng)ν1＞ν2時(shí)，形核速度大于擴(kuò)散速度，界面處銅離子濃度將迅速貧化，形成晶粒細(xì)小，沉銅界面較為平整。③當(dāng)ν1＜ν2時(shí)，形核速度小于擴(kuò)散速度，界面處銅離子濃度超出形核所需濃度，長(zhǎng)大速度大于形核速度，晶粒粗大，界面粗糙度增大。

PCB加工時(shí)，不同沉銅方式的擴(kuò)散速度不同，形核與增大速度比不同，最終形成的晶粒尺寸不一，從而影響界面結(jié)合強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證對(duì)比不同的沉銅方式十分必要。

1.2.3 表面形貌與材料強(qiáng)度關(guān)系

界面結(jié)合類型為機(jī)械結(jié)合時(shí)，表面形貌是其中一個(gè)重要的影響因素。對(duì)填孔覆蓋電鍍（plating over filled via，POFV）工藝，表面形貌主要是沉銅前基材寬度、高度和表面凹凸情況，如圖2所示。

圖2 PCB基材表面結(jié)構(gòu)

同種材料，基材高度一定時(shí)，基材寬度過(guò)小則承受拉力減小，斷裂易發(fā)生在基材處，過(guò)大則斷裂易發(fā)生在沉銅處；基材寬度一定時(shí)，高度過(guò)低也不利于界面結(jié)合。因此，合適的寬度和高度蜂窩狀結(jié)構(gòu)才有利于界面結(jié)合。

同時(shí)，基材表面凹凸也會(huì)影響沉銅晶粒尺寸大小。如圖3 所示，3 種表面形成的3 種晶胚，在具有相同的曲率半徑r和潤(rùn)濕角θ時(shí)，形成的晶胚體積大小關(guān)系為凹曲面＜平面＜凸曲面，可見(jiàn)凹曲面能促進(jìn)形核，減小晶粒尺寸。因此，表面形貌中凹曲面所占比例越高，越有利于沉銅過(guò)程中形成細(xì)小晶粒，增加沉銅層強(qiáng)度，進(jìn)而增大界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 表面凹凸與徑胚體積關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)概述

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和板件

實(shí)驗(yàn)PCB 為8 層板，芯板選用高Tg的FR4 材料，銅箔為HTE 銅箔，塞孔樹(shù)脂為市面主流型樹(shù)脂。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程和板面設(shè)計(jì)

進(jìn)行不同結(jié)合面材料、孔盤偏置度與加工方式對(duì)剝離強(qiáng)度和連接盤拉脫強(qiáng)度影響的測(cè)試。

（1）外層圖形設(shè)置A、B、C 3 個(gè)不同區(qū)域，如圖4 所示。其中，A 區(qū)域結(jié)合面材料為基材，B區(qū)域結(jié)合面材料為塞孔樹(shù)脂，C 區(qū)域作為對(duì)照組，結(jié)合面材料為常規(guī)的基材銅。結(jié)合面材料通過(guò)局部面銅蝕刻+表面絲印控制。具體流程為：鉆孔→蝕刻→真空樹(shù)脂塞-阻焊絲印→去鉆污→沉銅→電鍍→蝕刻。

圖4 PCB盤孔偏置的3個(gè)不同區(qū)域

（2）孔盤偏置度根據(jù)位于連接盤控制的孔面積大小，可分為1盤中孔、3/4偏置、1/2偏置及1/4偏置，如圖5所示。

圖5 PCB孔盤偏置示意

（3）蓋覆電鍍加工方式分為3 種：①水平兩次去鉆污+沉銅+全板電鍍；② 垂直去鉆污+沉銅+全板電鍍；③等離子去鉆污（15 min）+水平兩次去鉆污+沉銅+全板電鍍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同結(jié)合面材料孔盤偏置度與加工方式的剝離強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表1。由表1 可知，剝離強(qiáng)度與加工方式相同時(shí)，基材銅＞塞孔樹(shù)脂＞基材。其中，C基材銅和B 塞孔樹(shù)脂均滿足剝離強(qiáng)度＞0.53 N/mm2的要求，A 基材無(wú)法滿足要求。同時(shí)，在塞孔樹(shù)脂的不同加工方式中，均是垂直去鉆污+沉銅的強(qiáng)度最高，且無(wú)鉛5 次回流后降幅最低，說(shuō)明垂直去鉆污+沉銅效果最好。

表1 不同結(jié)合面材料的孔盤偏置度與加工方式的剝離強(qiáng)度對(duì)比

垂直去鉆污+沉銅流程下，3 種結(jié)合面材料孔盤偏置度不同時(shí)，連接盤拉脫強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表2。由表2 可知，連接盤拉脫強(qiáng)度：C 基材銅＞B 塞孔樹(shù)脂＞A 基材。其中，基材銅和塞孔樹(shù)脂不同偏置度均滿足連接盤拉脫強(qiáng)度＞5 N/mm2的要求?；闹挥斜P中孔設(shè)計(jì)時(shí)能滿足連接盤拉脫強(qiáng)度要求，基材與POFV 覆蓋銅的結(jié)合強(qiáng)度低于塞孔樹(shù)脂與覆蓋銅的結(jié)合強(qiáng)度。

表2 垂直去鉆污+沉銅流程下3種結(jié)合面材料孔盤偏置度不同時(shí)的拉脫強(qiáng)度對(duì)比

綜上所述，塞孔樹(shù)脂和基材銅在經(jīng)過(guò)3 種不同方案加工后，均能滿足強(qiáng)度需求：抗剝強(qiáng)度＞0.53 N/mm2；在不同連接盤偏置情況下，拉脫強(qiáng)度＞5 N/mm2的要求。且經(jīng)垂直去鉆污+沉銅流程加工后，塞孔樹(shù)脂與POFV 覆蓋銅的結(jié)合強(qiáng)度最好。

4 結(jié)合強(qiáng)度關(guān)鍵影響因子

由章節(jié)3 分析可得，塞孔樹(shù)脂過(guò)垂直去鉆污+沉銅流程時(shí)結(jié)合性能最好。同時(shí)，進(jìn)一步分析刷板對(duì)去鉆污方式和沉銅方式的影響強(qiáng)弱，回流前后的剝離強(qiáng)度和連接盤拉脫強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同加工方式下回流前后剝離強(qiáng)度

由表3 可知，回流前6、2、1 和5，塞孔樹(shù)脂經(jīng)砂帶/陶瓷刷板+垂直去鉆污+水平沉銅/垂直沉銅結(jié)合力最好，剝離強(qiáng)度＞0.736 N/mm2；回流后1 和6，塞孔樹(shù)脂經(jīng)砂帶+垂直去鉆污+水平沉銅/垂直沉銅結(jié)合力最好，剝離強(qiáng)度＞0.710 N/mm2。拉脫強(qiáng)度結(jié)合回流前后數(shù)據(jù)，1 和6 拉脫強(qiáng)度最大，即砂帶+垂直去鉆污+垂直/水平沉銅效果最好，沉銅方式對(duì)拉脫強(qiáng)度無(wú)明顯影響。

綜上所述，在剝離強(qiáng)度和連接盤拉脫強(qiáng)度不同加工方式下，回流前后具有近乎相同的趨勢(shì)。因此，后續(xù)使用剝離強(qiáng)度來(lái)評(píng)判界面結(jié)合強(qiáng)度，并通過(guò)控制變量法，對(duì)比分析單一加工流程的影響。

4.1 刷板方式-砂帶和陶瓷刷板對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

不同刷板方式的表面粗糙度和表面積見(jiàn)表4。由表4 可知，砂帶和陶瓷刷板后表面積基本相等，砂帶的粗糙度（界面高度差）更大。

表4 不同刷板方式的表面粗糙度和表面積

同刷板方式回流前后抗剝強(qiáng)度和表面形貌如圖6所示。由圖6可知，回流前砂帶的剝離強(qiáng)度和陶瓷刷板的剝離強(qiáng)度基本相同，但回流后砂帶的剝離強(qiáng)度＞陶瓷刷板的剝離強(qiáng)度。砂帶后界面上存在的凹坑或凸起更大，回流漲縮時(shí)大的凹坑或凸起會(huì)阻礙漲縮剪切運(yùn)動(dòng)，防止細(xì)小結(jié)構(gòu)體被剪斷，減小了抗剝強(qiáng)度的降幅。因此，回流后砂帶的抗剝強(qiáng)度更大。

圖6 不同刷板方式回流前后抗剝強(qiáng)度和表面形貌

4.2 去鉆污方式-垂直去鉆污和水平去鉆污對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

不同去鉆污方式的表面粗糙度和表面積見(jiàn)表5。由表5 可知，垂直去鉆污后的表面積和表面粗糙度均大于水平去鉆污。

表5 不同去鉆污方式的表面粗糙度和表面積

不同去鉆污方式回流前后剝離強(qiáng)度和表面形貌如圖7所示。由圖7可知，回流前后垂直去鉆污的剝離強(qiáng)度均大于水平去鉆污。表面形貌是垂直去鉆污后的樹(shù)脂呈現(xiàn)良好的蜂窩狀結(jié)構(gòu)（凹面），水平去鉆污后還留有較多平面狀結(jié)構(gòu)。更大的表面積不僅使機(jī)械結(jié)合面積增加，也有利于沉銅時(shí)形成更細(xì)小晶粒，以增大強(qiáng)度，同時(shí)良好的蜂窩狀結(jié)構(gòu)（凹面）有助于形成更細(xì)小的晶粒，增加沉銅強(qiáng)度。因此，垂直去鉆污后剝離強(qiáng)度更高。

圖7 不同去鉆污方式回流前后剝離強(qiáng)度和表面形貌

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)POFV 工藝，在背鉆孔位置設(shè)置連接盤，研究了不同結(jié)合面材料、孔盤偏置度與加工方式對(duì)剝離強(qiáng)度和連接盤拉脫強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。結(jié)果表明，背鉆孔塞孔后制作連接盤能滿足客戶對(duì)背鉆孔上連接盤結(jié)合強(qiáng)度和連接盤拉脫強(qiáng)度的要求，可實(shí)際應(yīng)用于PCB 加工。結(jié)論如下：

（1）塞孔樹(shù)脂和基材銅背鉆POFV 均能滿足5 次無(wú)鉛回流前后剝離強(qiáng)度（≥0.53 N/mm2）和連接盤拉脫強(qiáng)度（≥5 N/mm2）的使用要求。僅基材無(wú)法滿足要求。

（2）對(duì)塞孔樹(shù)脂與POFV 覆蓋銅的結(jié)合，經(jīng)砂帶+垂直去鉆污+垂直沉銅/水平沉銅結(jié)合強(qiáng)度最高。