HDI树脂油墨塞孔工艺研究

2018-09-29李宣

科技创新与应用 2018年27期

李宣

摘要：文章是从实际生产过程中出现的爆板分层等品质问题入手，结合HDI板制作中的常规树脂塞孔工艺与技术出发，采用微切片，X-射线能谱仪等为观察手段，重点对树脂油墨塞孔工艺过程中埋孔的孔口处树脂残留以及孔内气泡水份等残留造成的品质问题进行研究与分析并给出相应的对策与建议

关键词：HDI；树脂塞孔；埋孔；气泡；残留；爆板

中图分类号：TS871 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0093-03

Abstract： The paper starts with the quality problems of explosion plate such as delamination in the actual production process， combines the conventional resin plug hole process and technology in the manufacture of HDI plate， and adopts microslicing and X-ray energy dispersive spectrometer as the observation means. The quality problems caused by resin residue at the orifice and bubble moisture in the pore during the process of resin ink plug are studied and analyzed， and the corresponding countermeasures and suggestions are given.

Keywords： HDI； resin plug hole； burying hole； bubble； residue； exploding plate

1 概述

HDI为High Density Interconnection的缩写，即高密度互连，自二十世纪九十年代以来电子产品越来越追求轻、薄、短、小化，同时高度化集成的设计都对PCB的可靠性要求越来越高，而HDI板微小埋孔的数量越来越多，当埋孔机械钻孔做完除胶和电镀铜后，需要将孔内做塞孔处理，主要有两个原因：（1）由于板子尺寸限制，布线密度的增加，使得布线空间受到限制，在埋孔塞孔后且电镀填平后，可在埋孔上方继续布线或打孔，增加板面布线空间从而提高板面的利用效率；（2）由于埋孔是在板内的，为了防止药水进入产生开短路等品质问题影响板子可靠性，所以必须将孔完全封闭。目前业界关于HDI埋孔塞孔的方法主要有两种：树脂油墨塞孔法和半固化片直接填胶法。塞孔的品质对于后续PCB的可靠性有直接影响。由于半固化片直接填胶法塞孔时板厚一般较薄，常规FR4材料很少出现品质问题，所以本文主要从实际生产出发对HDI板埋孔塞孔方法即树脂油墨塞孔法中出现问题后，对后续PCB品质的影响进行研究与讨论，并根据研究提出相应的改善方案和制作建议。

2 实验

2.1 实验材料及设备

实验涉及的仪器及材料为：钻机，PTH线及PTH药水，电镀线及电镀药水，塞孔机，研磨机，X-RAY打靶机，棕化线及棕线药水，压合机，烘箱，LDI图形转移，蚀刻线及蚀刻药水，切片研磨机，X-射线能谱仪等。

2.2 实验方法

树脂油墨塞埋孔工艺是HDI板塞埋孔用得较多的一种工艺方法，其原理同丝网印刷，只是将丝网改成了铝片，在铝片网上按PCB设计的埋孔的对应位置一对一钻孔，再通过给丝印机的刮刀一定的压力和速度，将调和好的专用树脂油墨通过铝片网中预先钻好的孔中压入孔内，然后经过烘烤使孔内的树脂完全凝固下来，最后使用机械磨刷去除孔边溢出的树脂，即为树脂塞孔全过程。图1为树脂塞孔过程示意图。

为了测试树脂塞孔深度对PCB板品质的影响，实验中我们使用不同的参数以达到不同的树脂塞孔深度，图2为塞孔后的效果示意图，然后对每个不同深度的板分开做好标记去做可靠性分析测试，测试各个塞孔深度对于品质的影响，具体流程如下：

钻埋孔？陴孔金属化？陴树脂塞孔？陴烘板？陴树脂磨板？陴线路转移？陴棕化？陴压合？陴测试

3 树脂塞孔过程中存在的问题对后工序品质影响的分析与讨论

由于目前HDI板的埋孔数目越来越多，很多单个WORKING PANEL中孔数已达到万级甚至十万级以上，实际生产过程中，刮刀进行一次塞孔操作，在数量如此众多的埋孔中，由于铝片网各个位置的压力不同，刮刀的压力也不尽相同，不可能保证每个孔都塞得饱满而无缺陷，本文将针对树脂塞孔中出现的缺陷而导致的PCB的品质问题进行探讨与分析，并提出相应的改善建议和措施。

3.1 孔口处树脂残留

我们对爆板的问题板进行切片分析可知，爆板问题的位置是在埋孔的孔口处（热应力测试的条件为浸入288℃的锡炉中，停留时间10S，循环三次），如图3，采用X-射线能谱仪（EDX）对埋孔孔边的元素组成进行光谱分析，结果显示如表1所示：孔边C、Si两种元素的原子数分数分别为28.55%、1.39%，由硅元素所占比例可知，孔边残留有未除尽的树脂油墨，从而我们推测PCB爆板的罪魁祸首是树脂残留的油墨，由于油墨的存在导致PP胶與孔口的铜箔结合力不好，在过波峰焊或回流焊时由于温度较高，导致分层出现。而孔口处多余树脂的产生主要是因为热固性树脂在完全固化后硬度较高，树脂磨板机中的磨刷硬度和密度不足于完全去除孔口溢出的树脂，最终导致爆板问题的产生。

3.2 埋孔内气泡残留

为了增加油墨的粘性和流动度，调制树脂油墨时需要加入溶剂进行搅拌，在搅拌的过种中会伴随一些微小气泡的产生，业界常用的方法是采用真空脱泡消除产生的气泡，由于人为因素和各种操作问题，没有将树脂油墨中的气泡完全去除，导致有气泡残留。从理念上来说对于一个WORKING PANLE而言，由于埋孔的数量如此较多，不可能保证每个埋孔都能完全去除气泡，我们只能通过不断的优化控制参数尽可能的去降低气泡产生的机率和比例，希望在未来的技术中可以做到100%去除，这是我们努力的终极目标。图4为埋孔截面图。从图可以看出，之所以出现爆板分层是因为孔内气泡的残留。为什么埋孔内会有气泡的产生：一是在丝印或铝片塞孔过程中产生，由于塞孔过程中参数设置不合理或人为操作等原因导致孔内气体未能全部排出从而产生气泡；二是树脂油墨与溶剂在搅拌时产生的气泡。

3.3 埋孔内水份残留

水分的残留对于PCB来说有很大的品质隐患，不仅仅对压合工序，对后续图形转移，阻焊等都有很大影响，对于压合来说，水分的残留更是爆板问题产生主要因素之一。PCB制作过程中有很多次的DI水洗，也有很多次的药水浸蚀，所以孔内水分残留的机率很大，另外一方面，调制塞孔用的树脂油墨时选用的溶剂本身就含有水，很容易残留在孔内。当埋孔内水分残留较多时，在过波峰焊或回流焊时由于高温作用，水分子会剧烈运动，形成气压，如果孔内还有气泡及钻孔裂纹等品质缺陷存在，就会使问题变得更严重，最终导致爆板的产生，水的饱和蒸汽压随温度的变化如图5所示。因此，在PCB生产过程中对于水分的去除显得尤为重要，特别对于压合工序来说更应重点管控。

4 结束语

根据以上实验得出塞孔后，树脂的填塞度在90%～100%的效果最好，为避免后续的品质问题，塞孔的填满度是一个需要重点控制的参数。

如塞孔太满即塞孔度>100%，塞孔后大量的树脂残留在孔外，高温固化后很难将所有固化后坚硬的树脂完全除掉，这就给树脂残留创造了条件；如塞孔度<90%，塞孔不饱满即孔内部分空间没有被树脂填满，这就给气泡残留创造了机会，因此想要达到较好的塞孔效果，塞孔的填满度显得尤为重要。

4.1 针对HDI孔口处树脂残留

为了尽可能地减少或杜绝此品质问题发生后导致的HDI板的耐热性能下降，首先生产时一定要严格按时更换磨刷，并且要严格地控制磨板机参数，从而有效的控制或减少板子在温度较高的环境中出现爆板现象。

4.2 针对HDI埋孔内气泡残留

对于孔内产生气泡的问题建议如下控制：搅拌塞孔油墨时一定要在较小的力度下缓慢操作，在真空环境完成排气后，最少将要塞孔的油墨静放13小时以上再开始使用，合理恰当地控制烤板时间和温度，对有效地排除残留在孔内的气泡有很大的帮助作用。

4.3 针对HDI埋孔内水份残留

建议合理控制塞孔后板子的烤板时间以及烤板温度，尤其在选择塞孔油墨时尽可能的选一些添加溶剂较少的油墨，从根源上解决并减少水分的产生。

参考文献：

[1]张怀武，何为，胡文成，等.现代印制电路原理与工艺[M].北京：机械工业出版社，2010：1-10.

[2]何雪梅.半挠性印制电路板制作技术与工艺研究[D].成都：电子科技大学，2013：1-10.