高階深微盲孔加工方法研究

劉夢茹

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

（廣東省高端通訊印制電路板工程技術研究開發中心，廣東 東莞 523127）

0 前言

隨著高端通信產品不斷提出高頻高速、大容量傳輸的要求，印制電路板（PCB）采用深微盲孔設計產品正在逐漸增加，其連接層會達到L1～4、L1～5甚至更高[1][2]。L1～Ln之間的深微盲孔能夠提高系統HDI板的制作效率，大大增加板的密度。L1～Ln深微盲孔是指一次跨層鉆孔到制定層的盲孔，后經過一次性電鍍進行金屬化導通，完成層間導通互聯，高階深微盲孔由于其跨多層，厚徑比高，其盲孔加工和電鍍成為行業內的技術難題[3][4]。

二氧化碳（CO2）激光器與其他激光器相比，有著較高的轉換效率，可以為許多非金屬材料所吸收。同時，CO2激光器還可以進行大功率輸出。如與其他技術配合得當，可以實現100孔/秒高速打孔[5][6]。鑒于上述優點，配有CO2激光器的鉆機現已普遍應用于PCB的盲孔制作。但是，由于CO2激光能量受脈沖周期、脈沖波形、脈沖寬度、PCB表面處理工藝、激光發射器狀態、激光孔的類別/結構、PCB介質層材質、厚度、包括環境溫度、濕度等因素的影響，孔底樹脂殘留、孔形異常、孔底銅箔擊穿、孔壁玻璃絲布突起等一系列品質問題隨之而來[7][8]。例如，在表面開大窗的PCB上加工微盲孔時，若CO2激光的能量很高，材料內部吸收熱量產生高溫，來不及與空氣中O2燃燒或逸出的介質，便會在“底銅” 表面形成炭化殘留物?；蛘哂捎跓崃康木奂療g嚴重形成腰鼓形盲孔，甚至引起內部銅層溫度過高導致內部銅層與內部介質層分離缺陷。而當CO2激光能量密度很低時，則會造成璃纖布切不斷，或熔頭凸出，在后面微盲孔的孔金屬化工序中，易造成孔壁粗糙度、電鍍不良，這種不良的電鍍層在后續的加工或使用過程中易出現斷裂或脫落現象，造成嚴重的電氣導通不良問題[9][10]。

為了更好地解決PCB盲孔加工過程中的品質問題，本文對三種不同的激光盲孔工藝進行對比研究，并對盲孔加工質量及可靠性測試結果進行對比分析，以期為高階深微盲孔的制作提供技術參考。

1 深微盲孔加工工藝

激光直接成孔，即采用合適的Mask直徑、激光能量、脈沖寬度及脈沖次數，燒蝕盲孔位置[如圖1（a）所示]；激光擴孔工藝，即二氧化碳激光光束在需要加工盲孔的位置沿著一定的軌跡進行掃描，依次加工出若干個微盲孔，直至所加工出的微盲孔布滿盲孔所圍設的整個表面的面積，將整個盲孔燒蝕出來[如圖1（b）所示]；機械孔深+激光鉆孔工藝，即用機械鉆孔鉆到指定電路層的上一層介質，以避免鉆得機械盲孔過深，使機械盲孔底部與指定電路層余留一定的安全距離，再在上述機械盲孔中，用激光鉆孔，除去指定電路層上方的介質，從而使盲孔剛好到達指定電路層[如圖1（c）所示][11][12]。

圖1 三種激光盲孔加工工藝示意圖

2 試驗部分

2.1 原材料及儀器設備

原材料：PCB樣板（基本信息如表1所示）、電鍍藥水（垂直直流電鍍藥水DOW HV-101A/B，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、加速劑、整平劑、光亮劑等）。

表1 PCB的結構信息表

儀器設備：激光鉆孔采用三菱激光鉆機、日立激光鉆機、shcmoll背鉆機、垂直直流電鍍線、漂錫爐、四線測試儀。

2.2 實驗過程

2.2.1 制板工藝流程

開料→開料烘板→內層干膜前處理→內層DI曝光→內層蝕刻→內層沖孔→配套中心→棕化→棕化烘烤→層壓→X-ray1→銑板邊→層壓減銅→盲孔蝕銅→背鉆盲孔→ 超聲波水洗→激光鉆孔→鉆孔1（需樹脂塞孔的通孔與背鉆孔）→去毛刺→鉆孔烘板→等離子體→盲孔AOI→去鉆污→垂直沉銅→板面電鍍→點鍍干膜→圖形電鍍2→蝕刻褪膜→檢孔→樹脂塞孔烘板→貼膠帶→垂直真空塞孔→陶瓷磨板→外層AOI→X-ray2→鉆孔→去毛刺1→鉆孔烘板1→等離子體1→去鉆污1→垂直沉銅1→板面電鍍1→外層前處理→外層曝光→圖形電鍍→外層堿性蝕刻→外層AOI1→正常流程。

2.2.2 盲孔可靠性測試

依據IPC-6012標準對深微盲孔進行熱應力、無鉛回流焊、冷熱沖擊、溫熱循環測試評價盲孔的可靠性，要求熱測試前后的低阻（四線測試）變化小于10%，且切片觀察有無盲孔分層裂紋，具體測試條件與測試標準如表4所示。

2.2.3 低阻測試結果

依據IPC-6012標準，在可靠性測試前后采用四線測試測深微孔孔鏈（20個為一組）的低阻值，要求阻值變化小于10%。

3 分析與討論

3.1 高階深微盲孔加工效果

本文設計L1～4高階深微盲孔，0.30 mm、0.35 mm兩種孔徑，0.267 mm、0.291 mm兩種深度，采用激光直接成孔、激光擴孔、機械+激光鉆孔三種工藝，調整合適的參數進行加工，采用直流電鍍0.6 A/dm2、270 min后，取切片用以觀察孔型、下上徑比、孔壁銅厚等，如圖2、圖3所示。

結合圖2、圖3可測量盲孔的下上徑比、孔底銅厚，其測量數據如表2所示。從切片圖與銅厚測量數據可知，采用三種工藝加工而成的盲孔，

圖2 孔徑0.30 mm時深微盲孔的加工切片效果圖

圖3 孔徑0.35 mm時深微盲孔的加工切片效果圖

表2 高階深微盲孔可靠性測試條件與標準表

表3 高階深微盲孔切片下上徑比及孔銅厚度表

表4是基于圖2、圖3以及表2的測量結果對三種深微盲孔加工工藝優劣的比較，從表4中的對比數據可以直觀發現機械+激光鉆孔效果最優，激光直接成孔次之，激光擴孔最差，但均能滿足一般的應用對盲孔孔型、孔壁質量、下上徑比及孔底銅厚的整體要求。

表4 三種高階深微盲孔加工工藝對比表

3.2 深微盲孔低阻測試結果

三種深微盲孔加工工藝加工形成的盲孔進行熱應力、無鉛回流焊、冷熱沖擊、溫熱循環測試前后側盲孔孔鏈電阻值，結果見表5所示，所有阻值變化均小于10%，滿足IPC標準要求。

表5 高階深微盲孔低阻測試結果

3.3 深微盲孔可靠性測試結果

對三種深微盲孔加工工藝加工形成的盲孔進行熱應力、無鉛回流焊、冷熱沖擊、溫熱循環測試后進行垂直剖孔，顯微鏡觀察孔壁質量情況。切片結果顯示三種深微盲孔加工工藝加工形成的盲孔均無裂紋及分層現象，滿足IPC標準要求。

4 結論

本文通過對比深微盲孔三種加工方式的孔型質量、下上徑比以及可靠性測試結果，得出以下結論：

（1）采用激光直接成孔、激光擴孔、機械+激光鉆孔三種工藝方式均能加工出符合標準的深微盲孔，通過熱應力、回流焊、冷熱沖擊、溫熱循環測試，盲孔孔鏈電阻變化均小于10%，切片無分層裂紋現象，達到可靠性品質要求。

（2）從盲孔孔壁質量、下上徑比、孔底銅厚結果來看，機械+激光鉆孔工藝最優，激光直接成孔工藝次之，激光擴孔工藝雖能達到品質要求，但是偏下限。