李香华 樊锡超 凌大昌 邹金龙
（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）
随着无线基站、储存、云计算以及终端消费类产品不断地进行大量的数据交换,使得电子产品通信频率越来越高,通信产品不断地朝着高频率、高速化、高密度的趋势发展,这些趋势给印制电路板（PCB）加工及制作不断带来机遇和挑战。在制作5G通讯用PCB时在压合加工和树脂塞孔工艺带来新的技术难度；
同时为向图形高密度发展,BGA（球栅阵列）节距（pitch）发展越来越小,BGA节距由1.0 mm减少至0.7 mm；
机械钻孔孔径由0.25 mm转向0.2 mm,甚至更小的0.15 mm,于是就有了选择填孔覆盖电镀（POFV）技术。
在POFV工艺在生产高厚径比（20:1）树脂填孔时出现裂纹和气泡,选择“真空塞孔”技术解决此问题,但PCB在后续加工过程中存在树脂与铜结合力不足,造成“密集区树脂塞孔连接盘脱落”成为痛点（见图1所示）,造成下游公司无法安装零配件。
图1 BGA连接盘脱落示意图
本文主要探讨树脂油墨和板材的CTE（热膨胀系数）匹配度、烤板工艺、图形设计以及后续加工参数对树脂塞孔连接盘脱落的影响因素。
树脂塞孔连接盘脱落产生机理分析和工艺加工过程原理进行阐述和说明。POFV工艺主要包含：前处理（含磨板及烘烤）→树脂油墨塞孔（真空塞孔）→烤板固化→树脂研磨→沉铜板电（覆盖铜）→图形蚀刻。
（1）前处理磨板及烘烤：磨板主要作用是通过“陶瓷＋高切削不织布”磨刷打磨PCB,去除铜结晶、树脂孔堵塞等板面异物,为树脂塞孔提供一个铜洁净的基础环境,与本文所要探讨的树脂塞孔连接盘脱落无关联性,因此不做详细说明。树脂塞孔前烘烤主要目的是去除板内水分及从外界吸收的水汽,使PCB基材应力释放且保证板材尺寸稳定,保障PCB基材在一个低热膨胀状态下与树脂结合。PCB在沉铜板电镀铜后摆放在生产车间,板材吸收空气中的水分,当PCB置于温度超过100 ℃的环境下（如回流焊、热风整平温度等制程）,水分子转化成水蒸气,迅速使基板体积膨胀增大。水蒸气向上热冲击力到达覆盖铜与树脂结合力临界点时,覆盖铜层受力发生扭曲形变脱离树脂,造成覆盖铜与树脂分层或严重时覆盖铜的树脂脱落分离。
（2）树脂油墨真空塞孔：树脂油墨是高分子化合物包含填料、固化剂与主体树脂,具有一定黏稠性和触变性。真空树脂塞孔过程是先在抽真空机搅拌30分钟,把油墨搅拌均匀,控制油墨黏度值以及去除树脂油墨中气泡。架好塞孔用的铝片、网版、塞孔垫板及调试好设备后,在真空状态和压力下,将树脂油墨在塞孔刮刀和真空双重作用下,把树脂灌入与塞孔铝片相对应需树脂塞孔的金属导通孔内。PCB材料中包含树脂油墨、PP板材及电镀铜,三者在传热及CTE上存在差异,因此不同材料在热胀冷缩环境下发生不同的形变。树脂油墨、PP板材与电镀铜CTE匹配度差异越大,在受热冲击后会产生不同方向（X/Y/Z方向）剧烈膨胀,造成树脂塞孔连接盘上的树脂受力不匀分离,严重情况下导致孔环浮离,最终导致连接盘脱落。
（3）烤板固化：树脂油墨塞入孔内时属于黏稠状具有一定的流动性,需要在高温（150 ℃及以上）烘干使树脂固化。高多层板厚度高达3.5 mm,产品进入烤箱烘烤时,因孔口温度相比孔内中心树脂温度高,孔口边树脂先固化后逐步向孔内中心,造成孔内与孔中心材料释放热应力时间长短不一致,随着固化时间的推移其收缩应力逐步增大,最终造成树脂、PP板材与铜三者CTE匹配度差异拉大造成同层分离,树脂塞孔连接盘脱落。
（4）图形蚀刻（图形设计）：PCB在蚀刻过程中把客户不需要的铜去除掉,在铜与铜、铜与基材分离过程中,剩余的铜得到应力释放过程。影响被覆盖的铜（树脂塞孔连接盘）与基材的附着力与覆盖铜面积的大小相关,覆盖铜面积越大,覆盖铜与基材结合力越强；
因此在图形设计时,PCB厂家普遍会把连接盘图形设计面积加大,增加铜与基材结合力。
2.1 试验设计方案
基于上文分析树脂塞孔连接盘脱落的产生机理,进行DOE试验设计和效果验证,通过试验和数据统计分析不良率,找出影响树脂塞孔连接盘脱落真正因子,根据真因进行改善或优化。DOE试验信息如下：
（1）PCB材料：高Tg材料（Tg175 ℃）,热膨胀系数0.004%～0.021%；
（2）树脂塞孔后烤板参数：150 ℃、90 min,分段烤板130 ℃、30 min加150 ℃、60 min；
（3）树脂油墨类型：选择两家公司相同类型油墨,代号分别为A、B；
（4）图形设计：连接盘直径大小设计放大后为0.2 mm、0.3 mm。
根据以上不同影响因素设计,设计3因子2水平的试验（见表1所示）,全因子试验组合为8组,每种试验方案设计2块板,每块板设计BGA连接盘数量为30个,共计480个连接盘。试验采用评分原则对本次试验组合进行评比,采用不良率的方式进行对比,不良率越低,实验效果越好。
表1 树脂塞孔连接盘脱落试验设计表
2.2 试验结果
通过以上不同品牌油墨、烤板参数和连接盘设计大小进行正交实验设计得知：实验方案四和实验方案八,通过优化烤板参数和BGA连接盘图形设计预放大增加可以解决树脂塞孔连接盘脱落不良率为0（见表2所示）,成功解决了高多层通讯板树脂塞孔连接盘脱落问题。
表2 树脂塞孔Pad脱落试验设计及结果表
（1）不同品牌相同类型树脂油墨特性相似,同时烤板后与PP板材、铜的CTE匹配度相近,因此对密集BGA区连接盘脱落影响率相对较低。
（2）树脂油墨真空塞孔后烤板固化主要受孔内外树脂油墨温度不一致,热膨胀体积随着固化时间推移而增大；
相同参数烤板固化（烤板参数150 ℃、90 min）树脂塞孔连接盘脱落不良率比分段烤板固化（烤板参数130 ℃、30 min＋150 ℃、60 min）高。
（3）树脂塞孔Pad图形设计预放大后面积越大,铜与树脂结合力越强；
相同条件下,0.3 mm连接盘脱落不良率相比0.2 mm连接盘明显低；
在设计图形时,连接盘放大应保证最小间距,导入动态补偿,在满足客户成品需求前提下做最大的补偿,保证树脂塞孔连接盘抓基材面积较大。