高頻高速高多層板製作技術

1.1 產品結構特點

本款高頻高速高多層印製板產品。

 

1.2 製作技術研究

1.2.1 板材的選擇

高頻是指信號頻率≥300 MHz（即波長≤1 m）的頻帶，其中又有趨高頻（≈1 GHz）、高頻（1 GHz ～3 GHz）和超高頻（≥5 GHz）之分，另外，頻率≥1 GHz的電磁波通常又被稱為微波[2]。印製板的許多性能是由基材決定的，用於高頻高速的印製板基材必須採用符合高頻特性的基板材料。高頻基材的基本特性要求主要有以下幾點：

（1）介電常數（Dk）要小而且很穩定，通常是越小越好，信號的傳輸速率與材料介電常數的平方根成反比，高介電常數容易造成信號傳輸延遲；

（2）介質損耗（Df）要小，這主要影響到信號傳輸的品質，介質損耗越小，信號損耗也越小。

（3）銅箔表面粗糙度要小，以避免電流集膚效應引起的阻抗不匹配和信號損耗。

（4）其它要求：吸水性要低，水的介電常數是70，基板吸水會升高其介電常數，從而導致阻抗變化，影響信號傳輸；銅箔剝離強度降低，不可因銅箔低粗糙度而降低；尺寸穩定性、耐熱性、耐化學性、抗衝擊強度以及可加工性等亦必須良好[1]。

因此，高頻高速高多層印製板專案在選擇材料時需要考慮以上幾個方面，綜合評定，表2為不同廠家材料性能指標對比表。

 

從板材介電常數、介質損耗、Tg值（玻璃化溫度）、耐金屬離子遷移性、耐吸濕性、可加工性、成本等方面進行綜合評估，最終選擇C材料研發本款高頻高速高多層印製板產品。

1.2.2 工藝流程設計

依據本款高頻高速高多層印製板產品的結構特點，結合PCB實際生產工藝，最終確定製作工藝流程

1.2.3 樹脂塞孔製作

（1）問題描述。

樹脂塞孔工藝近些年來在PCB行業裡面的應用越來越廣泛，尤其在一些高集成度、高密度的印製板產品上更是備受青睞。人們希望使用樹脂塞孔來解決一系列使用油墨塞孔或者壓合填樹脂所不能解決的問題或存在的缺陷[3]。然而，樹脂塞孔工藝因為樹脂本身的特性、印製板結構特點方面的緣故，在製作上需要克服許多的困難，方能取得良好的樹脂塞孔品質。

本款高頻高速高多層印製板產品，設計層數18層，完成板厚2.65 mm，樹脂塞孔設計最高層數為L1-L18層，孔徑設計有0.25 mm、0.5 mm多組，縱橫比最高達11:1。高厚徑比、多種孔徑設計的PCB，由於大、小孔塞孔所需的壓力不同，採用多刀塞的常規塞孔工藝，一方面，極易出現小孔孔口凹陷、孔內空洞、氣泡，大孔冒油等塞孔不均勻問題（圖3）；另一方面，也因此極易造成後續樹脂研磨不淨（圖4），當出現研磨不淨時，一般需返磨1～2次（加上正常磨板次數總共2～3次），研磨次數過多不僅嚴重影響磨板產能，還會導致板面變形、銅厚不足、孔口銅破損等品質問題。

（2）改善措施。

樹脂塞孔前對印製板進行烘乾處理，保證孔內無水分，防止因孔內水分導致後續出現孔銅和樹脂分離現象，造成品質隱患；樹脂使用前對其進行攪拌脫泡處理，消除樹脂內部氣泡，降低樹脂黏度，為高厚徑比樹脂塞孔創造條件；使用真空塞孔機進行樹脂塞孔，確保高縱橫比小孔樹脂塞孔飽滿，杜絕孔內氣泡，提高樹脂塞孔品質；樹脂塞孔後，砂帶磨板前先利用分段烘烤的方式對樹脂進行預固化，具體烘烤參數為：80 ℃固化20 min、100 ℃固化20 min、130 ℃固化20 min、150 ℃固化30 min，防止樹脂與孔銅之間出現分離、樹脂產生裂縫等品質問題，同時也因為樹脂未完全固化，為打磨樹脂創造了有力條件，避免研磨不淨而多次返磨造成的板面變形、銅厚不足等問題。圖5為樹脂塞孔合格圖，孔口平整，孔內無氣泡、空洞，無樹脂裂開等。圖6為樹脂研磨合格圖。

2.2.4 壓合製作

（1）問題描述。

分層爆板對於PCB產品而言，是一種非常常見也是非常嚴重的一種缺陷[5]。隨著近些年電子元件無鉛焊接技術的倒入，分層爆板問題出現得更為頻繁，特別在高密度互連板產品上表現得尤為突出。

本款印製板產品設計為2次壓合的18層高密度互連設計，使用高頻板材，有L1-L8、L11-L18、L1-L18等多組樹脂塞埋孔設計，且樹脂埋孔位孔數密集，孔邊與孔邊間距小，最小僅為0.26 mm，導致孔與孔之間綁定力小，加上樹脂本身與半固化片層結合力差，經過高溫後樹脂埋孔密集區發生分層爆板。如圖7，樹脂埋孔密集區，相鄰兩銅層之間的半固化片半固化片發生爆板分層。

（2）改善措施。

造成樹脂埋孔密集區分層爆板的成因眾多複雜，我們從材料選擇、PCB設計、加工過程（包括壓合、鑽銑等機加工及過程吸濕管理等）幾個方面對造成分層爆板的原因及解決方案進行歸納總結。

對於樹脂埋孔密集區分層爆板，首要考慮因素為塞孔油墨和板材Tg和CTE的匹配性，如果二者的Tg值和CTE相差較大，在相同的受熱時間和溫升速度下，會先後到達各自的Tg溫度區間並發生不同程度的膨脹而導致爆板，故改善方案是根據高頻板材的Tg和CTE選擇合適的塞孔樹脂。

塞孔樹脂與半固化片層的結合力有限，埋孔密集區半固化片層含膠量不足，樹脂殘留研磨不淨，則會更加導致層間結合力不良造成後續分層爆板。改善樹脂塞孔工藝，磨板前先預固化，使樹脂在未完全固化條件下得到充分打磨，有效避免樹脂殘留；重新設計半固化片片疊合結構，樹脂塞孔密集區採用高含膠量半固化片，確保壓合流膠充足，保證產品耐熱性。

密集孔區及板邊位置鑽銑不良，由於機械應力的影響，也容易導致分層爆板。密集孔區使用全新鑽咀、塗樹脂鋁片蓋板，減少鑽孔疊板數，採用跳鑽方法，鑽孔後增加烘板，改善機械鑽孔過程對印製板孔結構的破損，減小機械應力的影響；減少孔板工具孔的數量，控制成型銑刀的壽命和疊板塊數。

印製板在生產流程中經濕制程易吸收水汽，後續遇到高溫則會使水汽揮發出來在銅層下聚集膨脹，產生較大壓力，而樹脂和半固化片層、銅層的結合力弱，易發生剝離，從而發生爆板，因此在印製板製作過程需要重點加強吸濕管控。

經過上述一系列、全面的系統分析和工藝革新，樹脂埋孔密集區爆板問題得到較大改善。

2.2.5 密集散熱孔區製作

（1）問題描述。

本印製板產品屬於高頻高速高密度互連板產品，定位於高頻高速，以及高層數、高密度、高精度和高集成度結構設計，由於其承載的高功能及高密度結構特點，散熱問題絕不能忽視。一方面，高密度、高精度及高集成度設計，相比于普通多層板，其電子元器件的安裝密度急劇增加；另一方面，產品的高頻高速、高功能化，要求其承載的功率也越大。小空間、大功率不可避免地產生熱量聚集，對PCB的可靠性造成極大隱患。基於本印製板產品的結構特點及高頻高速性能，採用高密集孔散熱設計。散熱孔設計為高密集金屬化孔，其效果相當於一個細銅導管沿PCB厚度方向從其表面穿透，使發熱元件的熱量向PCB背面迅速傳導給其它散熱層。

高密集散熱孔工藝原理較為簡單，然而在實際生產過程中針對其品質保證絕非易事。板邊設計為高密集散熱孔區，密集孔孔徑為0.50 mm，孔數1000余個，孔間距為1.2 mm，按照常規方法鑽孔，由於鑽孔密度大、孔間距小，鑽孔間隔時間很短，鑽屑（主要為半固化片層、絕緣樹脂層粉屑）不能及時排出，同時鑽頭產生的熱量亦不能及時散去，導致鑽屑發生融化、粘附在孔壁上，經冷卻形成大量膠渣，嚴重影響鑽孔的孔壁品質，且當粘附的鑽屑量較大時即出現孔堵塞，這種孔堵塞用高壓水洗很難洗去，對後續生產及PCB產品的可靠性造成極大隱患。

（2）改善措施。

採用全新鑽頭鑽孔，避免返磨鑽頭因長度不夠、刀口磨損、排屑不良等導致鑽孔孔壁粗糙，熱量集中等問題；調整鑽機吸塵吸壓由0.014 MPa 至0.02 MPa，增大鑽孔排屑量；採用塗樹脂蓋板代替普通鋁片蓋板，利用蓋板表面功能樹脂吸熱熔融的特性，及時吸收鑽咀鑽孔過程中產生的熱量，降低鑽頭溫度，並潤滑鑽咀，減少鑽汙，提高鑽孔品質。

設計跳鑽工藝生產高密集區小孔，增加鑽頭散熱時間及粉塵排屑時間，減輕孔位密集區連續鑽孔造成的孔屑堵塞、熱量集中、孔壁粗糙等問題。具體設計方案如圖10，常規鑽孔設計為按照孔的排列順序依次鑽孔，即按照最短路徑鑽孔，順序為：1→2→3→4→5→6→12→11→10→9→8……。跳鑽設計為密集孔區錯開鑽孔，順序為：1→19→2→20→3→21→4→22→5→23→6……，跳鑽距離設計為3.5 mm，每隔2孔進行跳鑽，使得臨近孔位不會連續受到鑽頭的高速切削、摩擦、拉扯，隔段時間再鑽旁邊的孔，避免臨近的孔依次鑽孔時由於間距太近、間隔時間短，出現熱量及熱應力集中、鑽屑熔融堵孔等問題。

 

2.2.6 背鑽製作

（1）問題描述。

高速高頻信號的傳輸回路，主要依靠印製板上的線路和圖形等銅面完成，當銅面被通孔所“戳破”時，將造成回路的破損與電流繞道而產生信號擾亂。

 

當信號從印製板頂層傳輸到某一內層時，如果用通孔實現電氣連接就會產生一個多餘的過孔短柱（stub）。高速信號由過孔進入內層，遇到stub時分成兩部分，一部分沿stub進入底層後反射回來，一部分沿正常路徑進入內層線路，由於兩股信號相位上的差異，導致信號在某個頻點發生干涉，形成諧振。這些諧振明顯地增大了諧振頻率附近的插入損耗，對信號傳輸造成嚴重損傷。stub越長，產生的電容就越大，從而導致一個更低的諧振頻率，將極大地影響著信號的傳輸品質[8]。解決這個問題有三個辦法，降低板材厚度；將高速信號佈置在底層；或者使用背鑽。所謂背鑽，就是用一個直徑大於孔徑的鑽頭將不需要的金屬化孔壁鑽掉，從而去除stub。

 

目前，背鑽孔是成本較低的能夠滿足高頻、高速印製板性能的製作方法。但實際實施過程中，受背鑽自身結構特點、機械鑽機制程能力以及工藝流程設計等方面的影響，易出現孔內銅絲、堵孔、斷鑽等品質問題，需專門跟進改善。

 

使用“前工序→全板電鍍→外層圖形→圖形電鍍（鍍錫）→外層蝕刻→背鑽→下工序”常規工藝，容易產生孔內披鋒、銅絲等問題。鑽孔時，一方面，由於孔壁的電鍍銅相對於表面覆銅基材的壓延銅結合力稍弱，鑽孔時鑽斷口附近的孔銅容易脫落，造成孔內披鋒、銅絲；另一方面，孔內銅厚，一般要求最小厚度≥20 μm，由於銅箔具有較好的延展性，鑽孔過程中不容易被切斷，易造成孔內披鋒問題[10]。此外，背鑽頭的角度選取不當、背鑽加工參數不匹配也容易導致孔內披鋒的產生。

 

（2）改善方案。

 

選取合適角度的背鑽頭，並找出與其相匹配的加工參數，避免由於角度不當、轉速不夠、剪切力不足等導致孔內披鋒的產生；改用“前工序→全板電鍍→外層圖形→圖形電鍍（鍍錫）→背鑽→外層蝕刻（退錫）→下工序”的流程實施背鑽，將“背鑽”設置在“外層蝕刻”之前，利用蝕刻藥水去除孔內銅絲、披鋒，並利用高壓水洗等水洗段，沖洗乾淨孔內鑽汙，防止堵孔。

 

 

2 產品和測試結果

通過所述生產工藝及關鍵技術，開發出了本款高頻高速高多層產品。

經各項性能檢測，測試結果合格，並達到到IPC-6012C相關標準。

3 總結

本文以一款整體18層，採用高頻板材，具有多組背鑽、高縱橫比樹脂塞孔、高密集散熱孔結構設計的高頻高速高多層印製板產品為例，介紹了高頻高速高多層印製板製作過程中的板材選擇、樹脂塞孔、壓合、高密集度鑽孔、背鑽等常見技術難點，通過推出一些新工藝、新方法，有效解決了這些技術難題，所述希望能夠為廣大PCB研究者提供一定的參考。