崔正丹 胡軍輝

（深圳市百柔新材料技術有限公司，廣東 深圳 518100）

0 前言

目前5G商用過程中對終端電子消費類（智能手機、穿戴式設備等）、大數(shù)據(jù)處理與傳輸通信設備（含服務器，交換機等），自動駕駛毫米波硬件（激光雷達等）帶來巨大的發(fā)展空間。作為電子設備基礎件的印制電路板（PCB）同步快速發(fā)展與產(chǎn)品升級。

隨著PCB朝著高速化以及高密度化的趨勢發(fā)展，給PCB材料以及制造工藝帶來挑戰(zhàn)與機遇。在高速材料方面，基材樹脂體系采用聚苯醚（PPE）、聚四氟乙烯（PTFE）等，給PCB機械加工以及樹脂塞孔工藝帶來挑戰(zhàn)（見圖1所示）；同時PCB高密化趨勢使得BGA（球珊陣列）VIP（Via in Pad）設計成為主流[1]， BGA 節(jié)距(pitch)設計由1.0 mm減小至0.80 mm甚至0.65 mm； PCB機械通孔孔徑變得越來越小，由0.20 mm向0.15 mm轉(zhuǎn)變，高端通信PCB領域?qū)訑?shù)設計不斷增加，通孔厚徑比進一步提升，最大厚徑比（AR）甚至達到40:1；同時為保障過孔高速信號的完整性，背鉆技術被廣泛應用[2]。背鉆技術以及加上高厚徑比孔結(jié)構(gòu)的技術趨勢，給通孔以及背鉆孔的樹脂塞孔工藝帶來挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在塞孔后樹脂填塞飽滿度以及樹脂裂紋缺陷（見圖2所示）、樹脂與銅結(jié)合力等方面。

圖1 高厚徑比樹脂塞孔截面

圖2 塞孔樹脂裂紋截面

PCB樹脂塞孔工藝領域，采用真空樹脂塞孔工藝成為主流，應對高厚徑比PCB產(chǎn)品具有較好的填塞性能與產(chǎn)品良率。雖然樹脂塞孔空洞與凹陷等填塞完整性問題在塞孔設備和工藝等不斷優(yōu)化背景下已經(jīng)取得較大進步。但樹脂塞孔材料以及高厚徑比條件下出現(xiàn)樹脂裂紋比例越來越高，給高端通信PCB產(chǎn)品可靠性帶來較大的品質(zhì)隱患，越來越受到PCB制造商的重視。

樹脂塞孔裂紋問題涉及工藝過程條件、材料CTE（熱膨脹系數(shù)）匹配以及樹脂材料特性等方面，對于樹脂塞孔裂紋問題，目前解決此的手段與方法并不多。本文從樹脂固化機理、樹脂CTE匹配、塞孔固化參數(shù)以及厚徑比等方面出發(fā)，對塞孔樹脂在工藝過程中產(chǎn)生的裂紋機理進行分析與驗證，并提出改善方向。

1 樹脂塞孔過程分析

樹脂塞孔的工藝過程：樹脂塞孔工藝過程分為前處理（含預烤）、樹脂填塞（絲印、真空鋁片）、固化烘烤、樹脂研磨[部分需要POFV（塞孔）Cap電鍍]。

樹脂裂紋產(chǎn)生的時間點為固化烘烤過程中，烘烤過程只是裂紋出現(xiàn)的時間節(jié)點，但裂紋在固化過程中產(chǎn)生的裂紋根本原因卻與塞孔樹脂材料、固化工藝、PCB基材、塞孔厚徑比等有密切的關聯(lián)。塞孔工藝過程如下。

1.1 樹脂塞孔前PCB預烤

塞孔前預烤目的是保障基材水分的去除以及PCB基板的尺寸穩(wěn)定性（應力釋放）。對于去除水分而言，PCB基材樹脂由于官能團存在極性基團，對H2O具備一定的吸附能力，同時PCB制造過程有內(nèi)層蝕刻、棕化藥水等水處理過程，會吸附一定量的水分，對于PCB壓合后以及孔結(jié)構(gòu)形成后，在水分的條件下樹脂也將達到水分的吸附平衡，因此PCB產(chǎn)品的樹脂類型或擴散系數(shù)不一，放置的時間不一，吸水量也會存在差異，根據(jù)Fickian吸附平衡公式[3]見式（1）。

其中，Mt在某個時間內(nèi)樹脂材料的吸水率；M∞達到吸附平衡后的吸水率；l為擴散的厚度；t為材料在環(huán)境中放置時間（見圖3所式）。

在PCB內(nèi)產(chǎn)品吸水率可簡化為式（2）。

從式（2）中可看出，達到吸水平衡與PCB產(chǎn)品厚度l以及時間t以及材料的水分擴散系數(shù)D有關聯(lián)；從圖4中可看出不同PCB厚度產(chǎn)品在不同時間內(nèi)水分吸附率差異較大。

圖3 吸附平衡示意圖

圖4 PCB基材在不同時間的吸水率[3]

隨著吸附時間增加其水吸附逐漸達到平衡。不同樹脂體系對于水分的吸附存在差異，需采用不同的烘烤參數(shù)進行烘烤。如果水分吸附較多在PCB基材中，在真空狀態(tài)下塞孔時，如果預烤過程未有效除去水分，后續(xù)將存在風險；同時PTH（鍍通孔）過程中通孔玻纖位置容易給水分殘留留下通道，電鍍銅覆蓋整體孔表面不致密或空洞存在容易殘留水分，導致塞孔爆孔。同時水分對于裂紋產(chǎn)生而言基本無影響，但烘烤段水分沒有被樹脂封住，固化過程中水汽對樹脂的產(chǎn)生較大壓力也能成為樹脂裂紋的“幫兇”，但此類樹脂裂紋可以觀察到從孔壁端發(fā)源。

1.2 塞孔填塞過程

如圖5過程所示，塞孔時在刮刀的外力作用下油墨達到孔口后，塞孔樹脂在下油面沿孔壁快速向下流動，此時較為關鍵點在于樹脂流動，在孔內(nèi)有下油不暢或下油面單面出現(xiàn)下油不暢（下油量不足），樹脂油墨從冒油面開始冒油時就會出現(xiàn)包覆，在通孔內(nèi)部就易出現(xiàn)空洞。同時當有水氣或者真空度不夠有空氣氛存在，產(chǎn)生空洞的概率明顯提升。同時當塞孔填塞過程有氣泡帶入或者水分在真空狀態(tài)下由PCB基材或孔內(nèi)冒出也就容易產(chǎn)生空洞；塞孔樹脂填塞過程只會影響到樹脂的填塞率以及空洞凹陷等，對于裂紋形貌在此階段無法表現(xiàn)出來。因此塞孔過程是對樹脂塞孔品質(zhì)影響主要在于空洞凹陷等，控制的關鍵在于塞孔氣泡與樹脂中水分的控制。

圖5 樹脂塞孔填塞過程示意圖

1.3 固化過程

固化過程為樹脂裂紋產(chǎn)生的關鍵過程，是樹脂由粘態(tài)液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的階段，此時塞孔樹脂（一般為雙酚A類環(huán)氧樹脂單體結(jié)構(gòu)）在溫度熱源的條件下，通過固化劑（胺類固化劑）進行分子的固化交聯(lián)。常見的環(huán)氧樹脂系與固化劑（離子型開聚合反應）機理式如圖6。

圖6 環(huán)氧樹脂固化反應式[4]

由于環(huán)氧樹脂與固化劑的交聯(lián)固化反應為放熱反應，塞孔樹脂在烘烤熱流提供的溫度條件下，當達到固化溫度時固化反應開始，單體開始交聯(lián)固化，此過程相對較短，固化反應的起始溫度與固化劑的在樹脂中的含量比例與種類有較大的關系；需要找到合適的固化溫度與時間窗口，才能確定好樹脂的固化參數(shù)。如果需要確定最優(yōu)的烘烤參數(shù)，就必須了解不同塞孔樹脂配方的固化動力學過程，進而獲得塞孔樹脂的固化起始溫度，固化峰值溫度以及固化度模型，進而獲得固化的最佳參數(shù)，減小樹脂在固化收縮時的應力進而可減少裂紋的產(chǎn)生。對于塞孔樹脂而言，一方面是找準樹脂固化的最佳窗口，另一方面是找準合適的溫度升溫梯度，以保證PCB孔內(nèi)外溫度差盡可能小。

如果固化劑在孔內(nèi)的分布不均勻在固化的過程中也會出現(xiàn)固化步調(diào)不一致的問題；在微觀上固化劑在內(nèi)部的分布濃度差異也會導致整個體系不同微觀局部之間出現(xiàn)固化溫度的差異，在孔的立體結(jié)構(gòu)上Z方向的不均必定導致樹脂較大應力的產(chǎn)生，進而容易導致產(chǎn)生裂紋。

1.4 樹脂研磨（POFV化銅與電鍍）

樹脂研磨為機械外力下，去除表面及孔口的殘留樹脂，并對孔口或正面塞孔樹脂進行整平與磨刷，此過程一般對銅面的效果以及樹脂的研磨的均一度產(chǎn)生影響，對于樹脂塞孔裂紋缺陷來講無影響，不做描述。

2 塞孔樹脂裂紋產(chǎn)生機理分析

樹脂裂紋產(chǎn)生的根本原因目前行業(yè)內(nèi)均比較認可樹脂由于在固化過程的應力產(chǎn)生，當內(nèi)部樹脂本身分子間的內(nèi)聚力無法超過固化收縮應力時，樹脂發(fā)生斷裂。應力的產(chǎn)生原因以及過程如何？在孔結(jié)構(gòu)填塞中的樹脂是哪些因素造成樹脂固化的不均一性以及應力是本文探討的重點。

2.1 固化溫度差異機理

當PCB產(chǎn)品在烘箱內(nèi)進行烘烤固化時，產(chǎn)品進入塞孔烘箱進行升溫時，由于塞孔后產(chǎn)品表面溫度與塞孔后孔中心溫度在起始階段存在一定的溫差（T0-T1）；當溫度達到樹脂的固化溫度區(qū)間時，孔口樹脂最先開始固化，孔中心樹脂由于溫度差異未開始進行固化，由于孔口樹脂固化時釋放熱量快速反應開始與完成而孔中間未開始固化或完全固化，同時隨著固化時間的推移其收縮應力逐步增大（F1＜F2＜F3＜F4）,最終在樹脂的收縮應力下將樹脂在孔內(nèi)進行拉斷而出現(xiàn)裂紋。此種機制的通孔產(chǎn)生的裂紋分布在接近孔中間，同時裂紋形態(tài)主要是在孔中間的橫向裂紋（具體過程如圖7所示）。按照此種烘烤時產(chǎn)品需要進行烘烤參數(shù)優(yōu)化，在樹脂固化溫度的窗口前需要進行低于固化溫度的預烤階段，盡可能平衡或消除T0與T1的溫度差；同時選擇合適的最佳固化點溫度與時間窗口，減小樹脂固化過程收縮應力，同時需進一步提升溫度進行終固化。

圖7 固化溫度差異導致樹脂裂紋示意圖

2.2 樹脂填塞垂流入孔固化劑分布差異機理

塞孔樹脂為高分子混合物包含填料、固化劑與主體樹脂，其樹脂存在一定的黏度與觸變性；塞孔樹脂在入孔過程中由于在擠壓過程中固化劑的流動并不會完全隨主體樹脂均一的擠壓入高厚徑比微孔，由于在孔口存在擠壓壓力，樹脂進行貫孔時由于樹脂的流動特性，在微觀上樹脂中的固化劑與樹脂在微孔兩側(cè)壓力的作用下呈現(xiàn)不一致的現(xiàn)象（見圖8所示）。其分布沿著下油面逐漸減少的趨勢，因此裂紋的發(fā)生區(qū)域基本在孔口較遠的位置發(fā)生，但其一般也不會發(fā)生在冒油面的孔口位置，主要是由于溫度差異機制占主體，孔口溫度較于孔中間高可補償樹脂固化帶來的負面影響。此機制再加上固化溫度差異機制，以上兩種機制是造成高厚徑比樹脂塞孔裂紋的主要原因。

圖8 固化劑分布差異機制示意圖

2.3 樹脂材料CTE匹配

高多層PCB材料中含內(nèi)層銅、樹脂以及孔銅，三者在傳熱以及CTE上存在差異，因此不同材料在熱變化條件下必然在熱脹冷縮的過程中出現(xiàn)CTE的匹配問題。高速材料的CTE在Tg前后的變化較大，在背鉆孔的交界存在基材樹脂、銅、塞孔樹脂三種材料 ，在溫度差異下，樹脂CTE匹配成為關鍵。當CTE產(chǎn)生的應力大于樹脂內(nèi)聚力，樹脂裂紋由此產(chǎn)生。同時由于銅厚不一樣，通孔銅厚也會成為影響裂紋的重要因素，在CTE不匹配的狀態(tài)下，通孔銅厚越厚，其導熱系數(shù)與導熱效果越佳，孔壁處塞孔樹脂越容易提前啟動固化模式，導致樹脂內(nèi)部間存在較大樹脂固化收縮應力，容易產(chǎn)生樹脂內(nèi)部縱向裂紋。由于銅與樹脂的CTE差異，也是銅與樹脂在孔壁處產(chǎn)生裂紋的主要原因。

3 樹脂裂紋產(chǎn)生機理測試驗證

基于以上對于塞孔樹脂裂紋的機理分析，通過采用測試板，對樹脂裂紋發(fā)生比率進行統(tǒng)計，并從測試中了解裂紋發(fā)生的規(guī)律并佐證裂紋發(fā)生機理，測試信息如下：

（1）PCB材料：L公司高Tg材料（Tg175 ℃ DSC）CTE α1/α2×10-6=50/250×10-6；（2） PCB設計：H=4.0 mm±0.3 mm；B=0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm；C=0.25 mm、0.45 mm（A=0.45 mm，0.65 mm）；T=1.0mm、2.0 mm，3.0 mm；孔銅厚度：Min 18 μm；（3）樹脂塞孔工藝：采用H公司真空樹脂塞孔（兩面塞孔）；固化參數(shù)：100 ℃、50 min，+120 ℃、60 min、+150 ℃、30 min；110 ℃、60 min，+150℃、60 min；（4）油墨種類：用5種樹脂油墨進行對比，代號分別為A、B、C、D、E；（5）數(shù)據(jù)測量：所有裂紋缺陷采用切片量取觀測，樣本容量464孔數(shù)，缺陷比例按照孔數(shù)進行計算。

3.1 不同烘烤參數(shù)驗證

考察4.0 mm板厚，0.2 mm通孔孔徑（最?。㏄CB通孔條件下，5種油墨在不同烘烤參數(shù)下的裂紋表現(xiàn)，對比兩種烘烤參數(shù)，第一種烘烤參數(shù)（1）設置100 ℃×50 min+120 ℃×60 min+150 ℃×30 min；樹脂固化溫度前，進行低溫段100 ℃進行起步固化，減少PCB產(chǎn)品在塞孔孔內(nèi)外的溫度差異；同時在樹脂固化溫度點附近進行長時間固化，最后再補充150℃進行最終固化；烘烤參數(shù)（2）110 ℃×60 min+150 ℃×60 min，起步溫度直接接近固化點溫度110 ℃后，直接進行150 ℃終固化（見圖9所示）。 從測試5種油墨數(shù)據(jù)來看，烘烤參數(shù)1條件下的通孔裂紋比例全部低于烘烤參數(shù)2，也可從側(cè)面驗證固化參數(shù)對于樹脂裂紋產(chǎn)生的機理，起步溫度越高或者起步溫度越接近于樹脂固化溫度點，在PCB產(chǎn)品進入烘烤設備后其通孔孔內(nèi)外的溫度差異就越明顯，對于孔表面與孔中心兩處的固化時間差就越大，整個PCB通孔通道內(nèi)孔內(nèi)外樹脂的收縮應力越大，裂紋產(chǎn)生的比例越高。因此在進行高厚徑比樹脂塞孔裂紋改善時，結(jié)合不同塞孔樹脂固化溫度與PCB通孔厚徑比進行烘烤參數(shù)設計。以樹脂固化參數(shù)進行調(diào)整為方向改善裂紋問題時，以樹脂固化開始前孔內(nèi)外的溫度差異盡可能小為原則，同時合理設置樹脂固化溫度點。

圖9 不同樹脂油墨在烘烤參數(shù)條件下的樹脂裂紋比例

3.2 不同通孔與背鉆孔徑測試

本次測試考察板厚4.0 mm，A塞孔樹脂在不同通孔孔徑0.2～0.5 mm下的裂紋規(guī)律；孔徑的不同意味著傳導熱量的面積不一以及對于貫孔時孔中間的固化劑分布（或者可認為局部樹脂體密度）存在差異性。按照機理中分析，在相同板厚條件下通孔孔徑越大對于以上傳熱效果與樹脂中固化劑與填料在孔中間的分布將更加均一，其裂紋的發(fā)生比率將越低（見圖10所示）。

從圖10中的數(shù)據(jù)可看出，隨著通孔孔徑的增加其裂紋的比例逐漸減小?？自酱笃溷~層外徑越大傳熱面積越大，越有利于固化時孔內(nèi)外溫度的均一性，同時孔越大樹脂在刮刀的壓力下進行通孔填塞時由于樹脂的貫孔量較大，樹脂更易流入孔內(nèi)對于樹脂入孔時在孔口的壓力降減小，樹脂入孔的流暢度增加，更易入孔，最終表現(xiàn)為孔內(nèi)外的局部密度（固化劑的分布）將更加均勻，不會加劇孔內(nèi)外固化時的不同步現(xiàn)象。多次測試驗證到，A-E的5種樹脂均存在此類現(xiàn)象，即樹脂在當孔徑達到0.5 mm時不存在裂紋，在孔內(nèi)存在一定量時樹脂固化時的收縮應力就不足以導致樹脂裂紋的產(chǎn)生。本次測試中0.5 mm（厚徑比8:1）通孔均未出現(xiàn)裂紋。

圖10 不同通孔孔徑0.2 mm～0.5 mm裂紋發(fā)生比例（板厚4.0 mm）

同時對于背鉆孔而言，由于背鉆孔的形態(tài)存在臺階狀，并且存在金屬與非金屬化部分，因此背鉆孔出現(xiàn)的裂紋形式也較為復雜，因此本次實驗也設計不同背鉆孔孔徑以及背鉆深度進行樹脂塞孔裂紋的考察，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 背鉆孔不同孔徑及深度裂紋比例

從圖11數(shù)據(jù)可看出背鉆孔背鉆深度對于背鉆孔裂紋形態(tài)有一定的影響，然后裂紋的產(chǎn)生基本都集中在背鉆孔金屬與非金屬化交界處。對于背鉆孔裂紋的產(chǎn)生同樣存在這兩個問題，由于背鉆孔背鉆部分沒有銅進行傳熱，通孔部分有金屬銅進行傳熱，導致越靠近臺階位置兩者的差異固化時間差異最為明顯，固化的收縮應力在此處也最為集中，此處是最容易發(fā)生樹脂裂紋之處；同時背鉆孔位置的體積大，而通孔樹脂端的體積小因此在同步進行樹脂固化膨脹或收縮時，此處也是受力的集中點，從背鉆深度越深，發(fā)生樹脂裂紋的比例越大此規(guī)律也佐證此觀點。由于背鉆孔不同深度時其裂紋發(fā)生比例也有一定的差異，背鉆深度越深其裂紋的比例越大。

3.3 不同樹脂材料CTE驗證

由于考慮到樹脂材料固化時與銅、PCB基材CTE匹配問題，本次測試驗證在同基材上不同樹脂油墨的樹脂裂紋表現(xiàn)規(guī)律，我們選取5種不同CTE樹脂油墨進行測試，具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 五種不同塞孔樹脂CTE數(shù)據(jù)

由于樹脂塞孔后PCB基材、塞孔樹脂以及銅層存在一定的CTE差異，材料之間CTE的不匹配將導致存在材料之間的作用力，也是固化時產(chǎn)生裂紋的潛在因素。因此我們設計5種不同的樹脂配方,對于通孔分別進行驗證，測試結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出隨著塞孔樹脂CTE的降低，其裂紋比例逐漸降低，從分析可看出樹脂在孔內(nèi)與銅接觸，銅的CTE約為0.0014%，其塞孔樹脂與銅CTE匹配的差異越大，其界面的作用力越強，由于PCB板材的CTE在α1時較低，而固化參數(shù)基本在90 ℃～150 ℃，塞孔樹脂CTE越低，與整體板材之間的拉應力越小，對于樹脂塞孔裂紋產(chǎn)生的概率越小。

圖12 不同塞孔樹脂CTE裂紋發(fā)生比例

4 結(jié)論

本文對樹脂塞孔裂紋的機理進行了分析及測試驗證，結(jié)論如下。

（1）塞孔樹脂裂紋產(chǎn)生的主要機理：高厚徑比通孔內(nèi)外固化時間、溫度差以及樹脂貫孔時固化劑分布差異，兩者相互結(jié)合導致樹脂裂紋的產(chǎn)生；（2）對于厚徑比越大的微孔孔中間與孔表面的固化時間差異越大，產(chǎn)生樹脂裂紋比例越高；（3）烘烤參數(shù)以及樹脂本身為產(chǎn)生裂紋的關鍵要素，可針對不同厚徑比PCB，通過優(yōu)化烘烤固化參數(shù)可降低塞孔裂紋的比例；（4）背鉆孔發(fā)生裂紋的主要形態(tài)為背鉆孔臺階處橫向裂紋，樹脂材料CTE匹配以及背鉆孔金屬化與非金屬化部分導熱差異是發(fā)生背鉆孔裂紋發(fā)生的主要原因，樹脂材料CTE越低其樹脂裂紋發(fā)生比例越低。后續(xù)關于塞孔樹脂裂紋問題，將從塞孔樹脂的固化動力學方向?qū)渲墓袒^程進行研究，獲取塞孔樹脂最佳的工藝固化窗口，同時對于PCB高厚徑比過孔在樹脂填塞狀態(tài)下的傳熱進行導熱模型建立，為解決PCB行業(yè)塞孔樹脂裂紋優(yōu)化工藝烘烤參數(shù)提供思路與方向。