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什么是PCB树脂塞孔?为什么要采用树脂塞孔?

来源:PCB 日期:2018-09-11 浏览量:
1、前言:
       树脂塞孔的工艺流程近年来在PCB产业里面的应用越来越广泛,尤其是在一些层数高,板子厚度较大的产品上面更是备受青睐。人们希望使用树脂塞孔来解决一系列使用绿油塞孔或者压合填树脂所不能解决的问题。然而,因为这种工艺所使用的树脂本身的特性的缘故,在制作上需要克服许多的困难,方能取得良好的树脂塞孔产品的品质。

2、树脂塞孔的由来:
2.1电子芯片的发展
        随着电子产品技术的不断更新,电子芯片的结构和安装方式也在不断的改善和变革。其发展基本上是从具有插件脚的零部件发展到了采用球型矩阵排布焊点的高度密集集成电路模块。从下图可以看到零部件的发展历程:

 
最早的CPU
286CPU(插件脚)
 
奔腾系列CPU(插件脚)
球型排列的双核CPU
      服务器CPU
2.2 两个人的相遇成就了树脂塞孔技术
   在PCB产业里边,许多的工艺方法都已经在行业内被广泛的应用,人们对于某一些工艺方法的由来基本上都已经不太关心。其实早在球型矩阵排列的电子芯片刚上市的时候,人们一直在为这种小型的芯片贴装元器件出谋划策,期望能从构造上缩小其成品的尺寸。
 20世纪90年代,日本某公司开发了一种树脂,直接将孔塞住,然后在表面镀铜,主要是为了解决绿油塞孔容易出现的空内吹气的问题。因特尔将此种工艺应用到因特尔的电子产品中,诞生了所谓的POFV (部分厂也叫Via on pad)工艺。 
3. 树脂塞孔的应用:
当前,树脂塞孔的工艺主要应用于下列的几种产品中:
3. 1 POFV技术的树脂塞孔。
3.1.1技术原理
A. 利用树脂将导通孔塞住,然后在孔表面进行镀铜。
如下图:

B. 切片实例:
3.1.2 POFV技术的优点
l、缩小孔与孔间距,减小板的面积,
l、解决导线与布线的问题,提高布线密度。

3.2 内层HDI树脂塞孔
3.2.1技术原理
使用树脂将内层HDI的埋孔塞住,然后在进行压合。这种工艺平衡了压合的介质层厚度控制与内层HDI埋孔填胶设计之间的矛盾。
l、如果内层HDI埋孔没有被树脂填满,在过热冲击时板子会出现爆板的问题而直接报废;
l、如果不采用树脂塞孔,则需要多张PP进行压合以满足填胶的需求,可是如此一来,层与层之间的介质层厚度会因为PP片的增加而导致厚度偏厚。
3.2.2例图
3.2.3内层HDI树脂塞孔的应用
l、内层HDI树脂塞孔广泛的被应用于HDI的产品中,以满足HDI产品薄介质层需求的设计要求;
l、对于内层HDI有埋孔设计的盲埋孔产品,因为中间结合的介质设计偏薄,往往也需要增加内层HDI树脂塞孔的流程。
l、部分盲孔产品因为盲孔层的厚度大于0.5mm,压合填胶不能把盲孔填满,也需要进行树脂塞孔将盲孔填满,避免后续流程中盲孔出现孔无铜的问题。

3.3 通孔树脂塞孔
在部分的3G产品中,因为板子的厚度达到3.2mm以上,人们为了或者提高产品的可靠性问题,或者为了改善绿油塞孔带来的可靠性问题,在成本的允许下,也采用树脂将通孔塞住。这是近段时间以来树脂塞孔工艺得以推广的一大产品类别。

4. 树脂塞孔的工艺制作方法:
4.1 制作流程
以上介绍的3种类型的树脂塞孔具有不同的流程,分别如下:

4.1.1 POFV类型的产品(不同工厂的设备不一样走的流程也不一样)
1、开料à钻孔→PTH/电镀→塞孔→烘烤→研磨→PTH/电镀→外层线路→防焊→表面处理à成型à电测àFQCà出货

2、开料à钻孔à沉铜à板电à板电(加厚铜)à树脂塞孔à打磨à钻通孔à沉铜à板电à外层图形à图形电镀à蚀刻à阻焊à表面处理à成型à电测àFQCà出货

4.1.2内层HDI树脂塞孔类型产品(两种流程:研磨与不研磨两种)
研磨流程:
1、开料à埋孔内层图形àAOIà压合à钻孔→PTH/电镀→塞孔→烘烤→研磨→内层线路→棕化→压合→钻孔(激光钻孔/机械钻孔)→PTH/电镀→外层线路à防焊à表面处理à成型à电测àFQCà出货

2、开料à埋孔内层图形àAOIà压合à钻孔à沉铜à板电à板电(加厚铜)à树脂塞孔à打磨à内层图形àAOIà压合à钻通孔à沉铜à板电à外层图形à图形电镀à蚀刻à阻焊à表面处理à成型à电测àFQCà出货

不需研磨:开料à埋孔内层图形àAOIà压合à钻孔→PTH/电镀→内层线路→棕化→塞孔→压平→烘烤→压合→钻孔(激光钻孔/机械钻孔)→PTH/电镀→外层线路→à阻焊à表面处理à成型à电测àFQCà出货
4.1.3外层通孔树脂塞孔类型
1、开料à钻孔→PTH/电镀→塞孔→烘烤→研磨→烘烤→外层线路→防焊→表面处理à成型à电测àFQCà出货

2、开料à钻孔à沉铜à板电à板电(加厚铜)à树脂塞孔à烘烤→研磨→烘烤à外层图形à图形电镀à蚀刻à阻焊à表面处理à成型à电测àFQCà出货
4.2 流程中特别的地方
l、从以上流程中,我们明显发现流程有所不同。一般我们的理解是,“树脂塞孔”以后紧接着就是“钻通孔和沉铜板电”流程的产品,我们都认为是POFV的产品;如果“树脂塞孔”以后紧接着的流程是“内层图形”,则我们认为是内层HDI树脂塞孔产品;如果“树脂塞孔”以后紧接着的流程是“外层图形”;
l、以上不同种类的产品在流程上是有严格界定的,不能走错流程;科鼎化工针对以上三种流程的特性研发出三种不同的油墨,TP-2900S\TP-2900\TP-2900C这三款油墨对应以上三种流程。

4.3 流程的改进
A、对于采用树脂塞孔的产品,为了改善产品的品质,人们也在不断的进行流程的调整来简化他的生产流程,提高其生产的良率;

B、尤其是对于内层HDI塞孔的产品,为了降低打磨之后内层线路开路的报废率,人们采用了线路之后再塞孔的工艺流程进行制作,先完成内层线路制作,树脂塞孔后对树脂进行预固化,然后利用压合阶段的高温对树脂进行固化。

C、在最开始的时候,对于内层HDI塞孔,人们使用的是UV预固+热固型的油墨,目前更多的时候直接选用了热固性的树脂,比较有效的提高了内层HDI树脂塞孔的热性能。
4.4 树脂塞孔的工艺方法
4.4.1 树脂塞孔使用的油墨
A、目前市场上使用于树脂塞孔工艺的油墨的种类也有很多。常见常用的有山荣(San-Ei ),科鼎化工(kotti)等供应商的品牌。

4.4.2 树脂塞孔的工艺条件
A、树脂塞孔的孔动则上万个,而且要保证不能有一个孔不饱满。这种万分之一的缺陷就会导致报废的几率,必然要求在工艺上进行严谨的思考和规范。

B、良好的塞孔设备是必然的要求。目前使用于树脂塞孔的丝印机可以分为两大类,即真空塞孔机和非真空塞孔机。

图例:
4.4.3 普通丝印机的塞孔工艺
A、丝印机的选择着重要考虑最大的气缸压力,抬网方式,刀架的平稳性以及水平度等;

B、丝印的刮刀需要使用2CM厚度,70-80度硬度的刮刀,当然,一定要具备耐强酸、强碱的特性;  

C、丝印的网版选择可以选择丝网,也可以选择铝片;所要控制的是根据塞孔工艺条件的要求,选择合适的丝网目数以及针对孔径的开窗大小;

D、树脂塞孔所用的垫板有多种讲究,但是往往被工程师所忽略。垫板不仅起到导气的作用,还起着支撑的作用。对于密集孔的区域,我们把垫板钻完了以后,整个区域都是空的,在这一位置,垫板出现弓起或形变,对于板的支撑力最差,这样会造成该位置塞孔的饱满度很差。所以在垫板制作的时候,要想办法克服大面积的空位的问题,目前最好的做法是使用2mm厚的垫板,只钻垫板的2/3深度。

E、在印刷的过程中,最重要的是控制好印刷的压力与速度,一般来说,纵横比越大,孔径越小的板,要求的速度越慢,压力要求越大。控制较慢的速度对于塞孔气泡的改善而言效果最好。

4.4.4 真空树脂塞孔机的塞孔工艺
由于真空树脂塞孔机昂贵的价格,以及其设备使用和维护技术的保密性,目前能够使用这种技术的PCB厂家屈指可数。

VCP真空树脂塞孔机的塞孔技术主要是它有一个油墨夹和两个可以横动的塞控头,塞孔头里有许多的小孔。在设备抽好真空后,用活塞将油墨夹里的油墨推至塞孔头里的小孔,两个横动塞孔头先夹紧板子,然后通过塞孔头里许多小孔把油墨填入板子上的通孔或盲孔。板子垂直挂在真空厢内,横动的塞孔头可以向下移动,直到把板里面的孔填满树脂为止。可以调节塞孔头与油墨的压力来满足塞孔饱满度的要求,不同的板子尺寸可以使用不同大小的塞孔头来塞孔。塞孔完成后,可以用刮刀浆塞孔油墨刮下再添加入塞孔油墨夹,重复利用。

目前还有一类真空塞孔机是借助于丝网进行印刷,采用CCD对位系统对位,其操作类似于普通丝印,但是多了一道真空塞孔的流程。此类塞孔机塞孔的效果最好,但是因为昂贵的设备投资,目前还没有得到广泛的应用。

使用真空塞孔机对于解决树脂的气泡问题无疑是最好的方法,塞孔油墨的选择基本上也不会受工艺所限制。但是因为整板面都有树脂,给树脂的清除造成了很大的困难。需要借助良好的打磨机共同使用。
4.4.5 树脂塞孔后的打磨
A. 不织布磨板机或者砂带研磨机是做树脂塞孔的必不可少的设备,一方面要求设备要能有效的除掉板面的树脂,另一方面也要求铜面的粗糙度不能有擦花、刮痕等问题。




5.  树脂塞孔常见的品质问题及其改进方法
5.1 对于POFV产品
5.1.1 常见的问题
A、孔口气泡
B、塞孔不饱满
C、树脂与铜分层
5.1.2 导致的后果
A、孔口上面没有办法做出焊盘;孔口藏气,芯片贴装吹气,也叫out-gassing
B、孔内无铜
C、焊盘突起,导致贴不上元器件或元器件脱落
5.1.3 预防改善措施
A、 选用合适的塞孔油墨,控制油墨的存放条件和保质期,

B、规范的检查流程,避免贴片位孔口有空洞的出现。即便能倚靠过硬的塞孔技术和良好的丝印条件来提高塞孔的良率,但是万分之一的几率也能导致产品报废,有时仅仅因为一个孔的空洞造成孔上没有焊盘而报废实在可惜。这就只能通过检查来找出空洞的位置并进行修理的动作。当然,检查树脂塞孔的空洞问题历来也被人们所探讨,但似乎目前还没有什么好的设备能解决这一问题。而如何能让人工检查判断的准确性更高,也有许多不同的做法。

C、选择合适的树脂,尤其是材料Tg和膨胀系数的选择,合适的生产流程以及合适的除胶参数,方能避免焊盘与树脂受热后脱离的问题。
D、对于树脂与铜分层的问题,我们发现孔表面的铜厚厚度大于15um时,此类树脂与铜分层的问题可以得到极大的改善。(如下图)
5.2 内层HDI埋孔,盲孔塞孔树脂塞孔
5.2.1 常见的问题
A、爆板
B、盲孔树脂突起
C、孔无铜
5.2.2 导致的后果
不用说,以上的几个问题都直接导致产品的报废。树脂的突起往往造成线路不平而导致开短路问题。

5.2.3 预防改善措施
A、控制内层HDI塞孔的饱满度是预防爆板的必要条件;如果选用在线路以后进行塞孔,则要控制好塞孔到压合之间的时间和板面的清洁性。

B、树脂的突起控制需要控制好树脂的打磨和压平;

5.3 对于通孔的塞孔,问题相对少一些,在此不做特别讨论。

6、树脂塞孔技术的推广
  随着树脂塞孔技术应用的熟练度不断的提高,以及类似于气泡等顽固问题的有效解决,树脂塞孔技术在不断的被推广。例如HDI盲孔进行树脂塞孔填胶,叠层HDI结构的内层HDI埋孔VIP工艺等等。
目前在行业通行的标准(IPC-650)里面,似乎还没有给出对于树脂塞孔的孔上面铜厚的要求,潜在的风险是,一旦树脂塞孔的孔上面电镀的铜厚偏薄,经过内层HDI线路的表面处理,棕化处理以后,孔口上面的薄薄的铜会有被激光钻孔钻穿的可能,而且在电测试时是无法判定其有问题的。但这层薄薄的铜在耐高压等方面的品质着实让人担忧。
在此问题上,根据我们的实验数据,如能保证埋孔上面的铜厚大于15um,符合Hoz的完成铜厚要求,一般不会出现品质异常。当然,如果客户有更高的导通要求,则另当别论。

结论
树脂塞孔的技术经过多年的发展,已经逐渐的被许多用户所接受,并不断的在一些高端产品上发挥其不可或缺的作用。尤其是在盲埋孔、HDI、厚铜等产品上已经在广泛的应用,这些产品涉及到了通讯、军事、航空、电源、网络等等行业。作为PCB产品的制造者,了解了树脂塞孔工艺的工艺特点,应用方法,我们还需要不断的提高树脂塞孔产品的工艺能力,提升产品的品质,解决此类产品的相关工艺问题,真正用好并推广此类技术,实现更高技术难度PCB产品的制作。