齊國棟 李望德 張良昌
(廣州杰賽科技股份有限公司,廣東 廣州 510310)
在印制電路板加工過程中,金屬化槽孔在經過熱風整平后,出現較大比例孔壁分離/起泡,導致印制板互連失效問題,直接影響到PCB板可靠性。一旦流出至PCB下游,將會導致客戶投訴及巨額索賠。本文從金屬化槽孔內、外層圖形資料設計、槽孔粗糙度、沉銅前烘板進行DOE試驗,驗證出導致金屬化槽孔孔壁分離影響因子,并制定相應改善措施。
1.1 金屬化槽孔孔壁分離不良特征
通過收集金屬化槽孔孔壁分離不良案例發現,孔壁分離集中在板厚≥2.0 mm,且均為獨立金屬化槽孔,見圖1所示。
圖1 槽孔與孔壁分離不良
1.2 原因分析
金屬化槽孔孔壁分離是孔壁銅與基材產生分離,分析產生原因:
在熱風整平過程中(熱處理),由于孔銅壁與基材的熱膨脹系數不一致而產生拉扯力,加上基材內存在的水氣/樹脂溶劑揮發物,熱漲后對孔壁產生膨脹應力,而孔壁銅與基材間的結合力無法抵抗以上兩種力,從而導致孔壁銅與基材分離。要達到改善金屬化槽孔孔壁分離,主要是從增加槽孔孔壁銅與基材間結合力及去除基材內存在的水氣/樹脂溶劑揮發物方面去調整。分析影響槽孔孔壁銅與基材分離原因在生產制程中的因素有:基材粗糙度、沉銅前烘板、內層環寬大小、外層槽孔環寬大小。
2.1 試驗板加工流程
設計出四層板加工流程,具體加工流程如下:
開料→內層→層壓→鉆孔(定位孔)→銑槽→烘板→除膠沉銅→板鍍→外圖→鍍銅錫→蝕刻→阻焊后烘→熱風整平
2.2 試驗板材料
此次試驗內層芯板選用常規板材(FR-418 μm S1141Tg140);生產中出現金屬化槽孔孔壁分離的板厚集中在2.0 mm~3.0 mm,此次試驗板板厚分別按:0.8 mm、1.6 mm、3.5 mm來設計試驗板圖形:
(1)試驗板內依次銑出槽孔:
1.0×2.0~7.0 mm、2.0×4.0~9.0 mm、3.0×6.0~11.0 mm、4.0 ×8.0~13.0 mm槽孔,X方向每個槽孔分布有50個,每個槽孔排2排。
(2)內層文件:內層資料按5個槽孔為一組,每組按相應槽孔大小和環寬設計。
(3)外層文件:外層資料按相應槽孔大小和環寬設計,5組不同大小焊環為一組(1塊板共計2400個槽孔)。內外層環寬匹配如表1。
3.1 試驗因子與水平
3.2 試驗方案
根據試驗因子與水平搭配(見表2所示),共有24種方案(見表3所示),每個方案1塊試板。
3.3 試驗板判定標準
試驗板完成熱風整平后,交由質量工程師確認槽孔有無孔壁分離(見表4所示)。
4.1 沉銅前不同除膠與除膠后基材粗糙對比
從圖2來看,等離子除膠表面均勻、干凈光潔;濃硫酸除膠后基材較粗糙,且表面粗糙度不一致。濃硫酸除膠5 min、10 min后玻璃纖維束間出現明顯空洞,存在除膠過度。
表1 試驗板槽孔方案
表2 試驗因子與水平
表3 試驗板結果
表4 試驗板判定標準
圖2 不同除膠后基材粗糙狀況
4.2 試驗板結果
試驗板完成熱風整平后,由質量工程師對試驗板結果進行分類統計。
4.2.1 DOE(正交試驗設計)試驗結果分析
(1)從DOE主效應圖及交互作用圖可以確定,影響金屬化槽孔孔壁分離顯著因子為是否烘板;
(2)沉銅前不同除膠方式對金屬化槽孔孔壁分離影響不大,且沉銅前使用濃硫酸除膠存在除膠過度,故不建議使用濃硫酸除膠。
4.2.2 對出現孔壁分離的試驗板進行了分類統計
(1)“沉銅”前烘板與不烘板結果對比見表5所示;
(2)按板厚來分類見表6所示;
(3)不同板厚、不同槽孔直徑不良比例見表7所示;
(4)內、外層資料制作不同環寬對金屬化槽孔孔壁分離結果的影響(表8統計槽孔分離百分比)。
表5 烘板與不烘板對比
表6 板厚的區別
表7 不同板厚、槽孔直徑比較
表8 不同板厚、環寬的比較
(1)在“沉銅”前增加“烘板”流程可以改善槽孔孔壁分離缺陷;
(2)從不良數據可以看出,板厚對金屬化槽孔孔壁分離影響較大,與槽孔直徑并無明顯規律;
(3)在板厚在3.5 mm條件下,內、外層環寬大小對改善金屬化槽孔孔壁分離不明顯;在板厚≤1.6 mm條件下,內、外層環寬對金屬化槽孔孔壁分離一定有影響。在未經過“烘板”的條件下,要達到改善金屬化槽孔孔壁分離,最佳內、外層環寬要求:內層單邊環寬≥0.38 mm、外層單邊環寬≥0.25 mm。
從試驗結果可以得出,金屬化槽孔孔壁分離產生主要原因是基材內存在水氣/樹脂溶劑揮發物熱漲后對孔壁產生膨脹應力,而孔壁銅與基材結合力不足抵抗相應膨脹應力,導致產生槽孔孔壁分離。
通過試驗驗證出金屬化槽孔、表面處理為熱風整平工藝時,在“沉銅”工序前增加“烘板”流程,對孔壁分離可以起到改善作用。