劉文龍 潘俊健 王立峰 周 黎

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

電子電路技術(shù)和電子產(chǎn)品正飛速發(fā)展，5G時代來臨后高頻高速印制電路板（PCB）大規(guī)模應(yīng)用，此類PCB的特點(diǎn)是高性能、高可靠性、高密度、高層數(shù)、制造工藝復(fù)雜。而孔壁分離（hole wall pull away）是此類PCB眾多失效模式中較為常見的一種。與孔壁分離相關(guān)的因素有很多，已有諸多PCB技術(shù)人員關(guān)注并提出相關(guān)研究結(jié)論，這些因素主要包括：PCB設(shè)計（板厚、孔徑、內(nèi)層銅環(huán)設(shè)計）、基材熱膨脹系數(shù)（CTE）過大導(dǎo)致基材與銅之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、鉆孔及除膠等PCB流程工藝控制、孔壁除膠后表面形貌等等。

而針對以某些低介電常數(shù)和低介電損耗覆銅板為原材料制作的高速PCB，我們發(fā)現(xiàn)除上述因素會影響孔壁分離外，還存在其他因素。因此文章通過對一種高速PCB孔壁分離現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，提出相應(yīng)的改善措施，并驗(yàn)證了改善措施的有效性和可行性。

1 案例狀況

有A產(chǎn)品為一款低介電常數(shù)、低介電損耗覆銅板，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg值，DSC測試）在185 ℃以上，主要用于制作高多層高速PCB產(chǎn)品。使用A產(chǎn)品制作一款28層PCB，其部分關(guān)鍵流程如下：

鉆孔→烘板→去毛刺→等離子體除膠→化學(xué)除膠→化學(xué)沉銅→電鍍銅

在PCB在制板電鍍銅后，切片時即發(fā)現(xiàn)小孔（φ0.30 mm）出現(xiàn)孔壁分離。常規(guī)所見的孔壁分離一般為大孔（≥φ3.0 mm）在受到熱沖擊后出現(xiàn)，如果內(nèi)層沒有銅盤的“錨固作用”則風(fēng)險更高，同時其形態(tài)特征為孔壁銅層與基材直接分離（如圖1所示）。但該高速PCB未經(jīng)任何熱處理流程即在小孔中發(fā)現(xiàn)孔壁分離，其形態(tài)特征為靠近孔壁銅層的基材位置有輕微裂縫，即孔壁銅層還“粘附”著少量基材。

圖1 高速PCB小孔孔壁分離圖

2 案例分析

2.1 孔壁分離機(jī)理分析

針對該高速PCB出現(xiàn)了與常規(guī)孔壁分離不一樣的特征，在確認(rèn)覆銅板A產(chǎn)品本身性能及PCB加工過程無異常后，從A產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性及PCB加工流程設(shè)計為切入點(diǎn)進(jìn)行分析。

首先，從分離位置的特征來看，A產(chǎn)品本身耐熱性較佳（高Tg），且PCB加工過程并沒有其他外部作用力促使其內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，因此排除基材內(nèi)應(yīng)力或受外部作用力后出現(xiàn)裂縫的可能。

然后結(jié)合PCB加工流程設(shè)計的特點(diǎn)，設(shè)計以下試驗(yàn)對基材形貌在PCB加工過程中的變化進(jìn)行考察，以便進(jìn)一步分析原因。其試驗(yàn)流程為：

A產(chǎn)品雙面板→蝕刻→掃描電鏡觀測→等離子體除膠（兩種參數(shù)）→掃描電鏡觀測→超聲波清洗→掃描電鏡觀測→化學(xué)除膠→掃描電鏡觀測

對A基材進(jìn)行表面除膠處理，不同除膠方式的除膠量見表1所示。基材形貌在PCB加工過程中的變化通過掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀測，其結(jié)果匯總?cè)鐖D2所示。

圖2 在PCB加工過程中基材形貌的變化圖

表1 A產(chǎn)品在不同除膠方式的除膠量表

從SEM結(jié)果來看，等離子體除膠過程將基材中部分樹脂有機(jī)物咬蝕掉后，A產(chǎn)品中的填充劑由于粒徑?。―50約為1 μm）、單個填充劑重量輕，等離子體除膠并未將原來包裹填充劑的樹脂完全除掉而出現(xiàn)了“藕斷絲連”的狀態(tài)，因此基材表面就形成了一層“疏松層”。而A產(chǎn)品本身耐化學(xué)性較強(qiáng)，化學(xué)除膠的除膠量非常小，難以將“疏松層”去除?？梢酝茢?，如果直接在該“疏松層”上進(jìn)行沉銅的話，則銅層與基材的結(jié)合力必然得不到保證。另外，從超聲波后SEM觀測結(jié)果來看，在等離子體除膠后進(jìn)行超聲波清洗是去除“疏松層”的有效方法。

2.2 改善措施及效果確認(rèn)

為驗(yàn)證等離子體除膠后進(jìn)行超聲波清洗是否能有效解決以上孔壁分離問題，使用A產(chǎn)品制作了16層（厚度為2.30 mm）和28層（厚度為4.5 mm）PCB進(jìn)行驗(yàn)證，測試板關(guān)鍵流程為：

鉆孔→烘板→去毛刺→等離子體除膠（兩種參數(shù)）→超聲波清洗（兩種參數(shù)）→化學(xué)沉銅→電鍍銅→無鉛回流焊6次→切片確認(rèn)是否有孔壁分離或其他異常

無鉛回流焊后切片檢查孔壁是否分離、有否分層爆板和內(nèi)層互連缺陷等其他異常。結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2中，超聲波清洗參數(shù)-1與參數(shù)-2主要差別是走板速度，其走板速度比為2:1，即參數(shù)-1的實(shí)際超聲波處理時間僅為參數(shù)-2的一半，相應(yīng)地超聲波處理效果也更差一些。序號5、7的28層板超聲波處理時間少，出現(xiàn)了孔壁分離，如圖3所示。

圖3 28層測試板回流焊后孔壁分離圖

表2 改善效果確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2中，序號6的試驗(yàn)板在等離子體除膠、超聲波清洗后分別利用SEM進(jìn)行孔壁形貌觀測，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)在等離子體除膠后，孔壁基材區(qū)域有大量的小粒徑填料黏附在表面，一般的水洗流程并不能將這些填料“疏松層”去除，而通過超聲波清洗則能將這些填料“疏松層”去除且對PCB整體可靠性及其他性能無負(fù)面影響。

圖4 超聲波清洗前后孔壁形貌對比圖

從試驗(yàn)結(jié)果來看，通過等離子體除膠后對孔壁進(jìn)行超聲波清洗，能有效改善A產(chǎn)品高速PCB孔壁分離的問題，而清洗效果的主要影響因素為PCB本身結(jié)構(gòu)（板厚、縱橫比等）及超聲波清洗參數(shù)。因此為保證等離子除膠后遺留在孔壁上的填充劑“疏松層”能徹底去除，形成良好的沉銅層和電鍍銅層，杜絕孔銅分離的風(fēng)險，則需依據(jù)實(shí)際PCB結(jié)構(gòu)及設(shè)計與超聲波清洗線情況設(shè)定具體參數(shù)。

3 結(jié)論

PCB孔壁分離是常見失效模式，其缺陷形態(tài)及產(chǎn)生原因也非常多樣化。高頻高速覆銅板新材料和新加工技術(shù)的應(yīng)用也帶來了新的挑戰(zhàn)和新的失效模式。文章所討論的一種關(guān)于高速PCB孔壁分離缺陷，正是由于等離子體除膠后在孔壁基材區(qū)域形成了小粒徑填料“疏松層”，最終在沉銅和電鍍銅后發(fā)生孔壁分離，而通過在等離子體除膠流程后增加超聲波清洗流程，并依據(jù)實(shí)際PCB結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線情況設(shè)置合適的參數(shù)，可有效解決該類孔壁分離問題且無其他負(fù)面影響。