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高频高速高多层板制作技术

1.1 产品结构特点

本款高频高速高多层印制板产品。

 

1.2 制作技术研究

1.2.1 板材的选择

高频是指信号频率≥300 MHz（即波长≤1 m）的频带，其中又有趋高频（≈1 GHz）、高频（1 GHz ～3 GHz）和超高频（≥5 GHz）之分，另外，频率≥1 GHz的电磁波通常又被称为微波[2]。印制板的许多性能是由基材决定的，用于高频高速的印制板基材必须采用符合高频特性的基板材料。高频基材的基本特性要求主要有以下几点：

（1）介电常数（Dk）要小而且很稳定，通常是越小越好，信号的传输速率与材料介电常数的平方根成反比，高介电常数容易造成信号传输延迟；

（2）介质损耗（Df）要小，这主要影响到信号传输的品质，介质损耗越小，信号损耗也越小。

（3）铜箔表面粗糙度要小，以避免电流集肤效应引起的阻抗不匹配和信号损耗。

（4）其它要求：吸水性要低，水的介电常数是70，基板吸水会升高其介电常数，从而导致阻抗变化，影响信号传输；铜箔剥离强度降低，不可因铜箔低粗糙度而降低；尺寸稳定性、耐热性、耐化学性、抗冲击强度以及可加工性等亦必须良好[1]。

因此，高频高速高多层印制板项目在选择材料时需要考虑以上几个方面，综合评定，表2为不同厂家材料性能指标对比表。

 

从板材介电常数、介质损耗、Tg值（玻璃化温度）、耐金属离子迁移性、耐吸湿性、可加工性、成本等方面进行综合评估，最终选择C材料研发本款高频高速高多层印制板产品。

1.2.2 工艺流程设计

依据本款高频高速高多层印制板产品的结构特点，结合PCB实际生产工艺，最终确定制作工艺流程

1.2.3 树脂塞孔制作

（1）问题描述。

树脂塞孔工艺近些年来在PCB行业里面的应用越来越广泛，尤其在一些高集成度、高密度的印制板产品上更是备受青睐。人们希望使用树脂塞孔来解决一系列使用油墨塞孔或者压合填树脂所不能解决的问题或存在的缺陷[3]。然而，树脂塞孔工艺因为树脂本身的特性、印制板结构特点方面的缘故，在制作上需要克服许多的困难，方能取得良好的树脂塞孔品质。

本款高频高速高多层印制板产品，设计层数18层，完成板厚2.65 mm，树脂塞孔设计最高层数为L1-L18层，孔径设计有0.25 mm、0.5 mm多组，FB体育官方网站比最高达11:1。高厚径比、多种孔径设计的PCB，由于大、小孔塞孔所需的压力不同，采用多刀塞的常规塞孔工艺，FB体育官方网站面，极易出现小孔孔口凹陷、孔内空洞、气泡，大孔冒油等塞孔不均匀问题（图3）；另FB体育官方网站面，也因此极易造成后续树脂研磨不净（图4），当出现研磨不净时，一般需返磨1～2次（加上正常磨板次数总共2～3次），研磨次数过多不仅严重影响磨板产能，还会导致板面变形、铜厚不足、孔口铜破损等品质问题。

（2）改善措施。

树脂塞孔前对印制板进行烘干处理，保证孔内无水分，防止因孔内水分导致后续出现孔铜和树脂分离现象，造成品质隐患；树脂使用前对其进行搅拌脱泡处理，消除树脂内部气泡，降低树脂黏度，为高厚径比树脂塞孔创造条件；使用真空塞孔机进行树脂塞孔，确保高FB体育官方网站比小孔树脂塞孔饱满，杜绝孔内气泡，提高树脂塞孔质量；树脂塞孔后，砂带磨板前先利用分段烘烤的方式对树脂进行预固化，具体烘烤参数为：80 ℃固化20 min、100 ℃固化20 min、130 ℃固化20 min、150 ℃固化30 min，防止树脂与孔铜之间出现分离、树脂产生裂缝等品质问题，同时也因为树脂未完全固化，为打磨树脂创造了有力条件，避免研磨不净而多次返磨造成的板面变形、铜厚不足等问题。图5为树脂塞孔合格图，孔口平整，孔内无气泡、空洞，无树脂裂开等。图6为树脂研磨合格图。

2.2.4 压合制作

（1）问题描述。

分层爆板对于PCB产品而言，是一种非常常见也是非常严重的一种缺陷[5]。随着近些年电子元件无铅焊接技术的倒入，分层爆板问题出现得更为频繁，特别在高密度互连板产品上表现得尤为突出。

本款印制板产品设计为2次压合的18层高密度互连设计，使用高频板材，有L1-L8、L11-L18、L1-L18等多组树脂塞埋孔设计，且树脂埋孔位孔数密集，孔边与孔边间距小，最小仅为0.26 mm，导致孔与孔之间绑定力小，加上树脂本身与半固化片层结合力差，经过高温后树脂埋孔密集区发生分层爆板。如图7，树脂埋孔密集区，相邻两铜层之间的半固化片半固化片发生爆板分层。

（2）改善措施。

造成树脂埋孔密集区分层爆板的成因众多复杂，我们从材料选择、PCB设计、加工过程（包括压合、钻铣等机加工及过程吸湿管理等）几个方面对造成分层爆板的原因及解决方案进行归纳总结。

对于树脂埋孔密集区分层爆板，首要考虑因素为塞孔油墨和板材Tg和CTE的匹配性，如果二者的Tg值和CTE相差较大，在相同的受热时间和温升速度下，会先后到达各自的Tg温度区间并发生不同程度的膨胀而导致爆板，故改善方案是根据高频板材的Tg和CTE选择合适的塞孔树脂。

塞孔树脂与半固化片层的结合力有限，埋孔密集区半固化片层含胶量不足，树脂残留研磨不净，则会更加导致层间结合力不良造成后续分层爆板。改善树脂塞孔工艺，磨板前先预固化，使树脂在未完全固化条件下得到充分打磨，有效避免树脂残留；重新设计半固化片片叠合结构，树脂塞孔密集区采用高含胶量半固化片，确保压合流胶充足，保证产品耐热性。

密集孔区及板边位置钻铣不良，由于机械应力的影响，也容易导致分层爆板。密集孔区使用全新钻咀、涂树脂铝片盖板，减少钻孔叠板数，采用跳钻方法，钻孔后增加烘板，改善机械钻孔过程对印制板孔结构的破损，减小机械应力的影响；减少孔板工具孔的数量，控制成型铣刀的寿命和叠板块数。

印制板在生产流程中经湿制程易吸收水汽，后续遇到高温则会使水汽挥发出来在铜层下聚集膨胀，产生较大压力，而树脂和半固化片层、铜层的结合力弱，易发生剥离，从而发生爆板，因此在印制板制作过程需要重点加强吸湿管控。

经过上述一系列、全面的系统分析和工艺革新，树脂埋孔密集区爆板问题得到较大改善。

2.2.5 密集散热孔区制作

（1）问题描述。

本印制板产品属于高频高速高密度互连板产品，定位于高频高速，以及高层数、高密度、高精度和高集成度结构设计，由于其承载的高功能及高密度结构特点，散热问题绝不能忽视。FB体育官方网站面，高密度、高精度及高集成度设计，相比于普通多层板，其电子元器件的安装密度急剧增加；另FB体育官方网站面，产品的高频高速、高功能化，要求其承载的功率也越大。小空间、大功率不可避免地产生热量聚集，对PCB的可靠性造成极大隐患。基于本印制板产品的结构特点及高频高速性能，采用高密集孔散热设计。散热孔设计为高密集金属化孔，其效果相当于一个细铜导管沿PCB厚度方向从其表面穿透，使发热元件的热量向PCB背面迅速传导给其它散热层。

高密集散热孔工艺原理较为简单，然而在实际生产过程中针对其品质保证绝非易事。板边设计为高密集散热孔区，密集孔孔径为0.50 mm，孔数1000余个，孔间距为1.2 mm，按照常规方法钻孔，由于钻孔密度大、孔间距小，钻孔间隔时间很短，钻屑（主要为半固化片层、绝缘树脂层粉屑）不能及时排出，同时钻头产生的热量亦不能及时散去，导致钻屑发生融化、粘附在孔壁上，经冷却形成大量胶渣，严重影响钻孔的孔壁质量，且当粘附的钻屑量较大时即出现孔堵塞，这种孔堵塞用高压水洗很难洗去，对后续生产及PCB产品的可靠性造成极大隐患。

（2）改善措施。

采用全新钻头钻孔，避免返磨钻头因长度不够、刀口磨损、排屑不良等导致钻孔孔壁粗糙，热量集中等问题；调整钻机吸尘吸压由0.014 MPa 至0.02 MPa，增大钻孔排屑量；采用涂树脂盖板代替普通铝片盖板，利用盖板表面功能树脂吸热熔融的特性，及时吸收钻咀钻孔过程中产生的热量，降低钻头温度，并润滑钻咀，减少钻污，提高钻孔质量。

设计跳钻工艺生产高密集区小孔，增加钻头散热时间及粉尘排屑时间，减轻孔位密集区连续钻孔造成的孔屑堵塞、热量集中、孔壁粗糙等问题。具体设计方案如图10，常规钻孔设计为按照孔的排列顺序依次钻孔，即按照最短路径钻孔，顺序为：1→2→3→4→5→6→12→11→10→9→8……。跳钻设计为密集孔区错开钻孔，顺序为：1→19→2→20→3→21→4→22→5→23→6……，跳钻距离设计为3.5 mm，每隔2孔进行跳钻，使得临近孔位不会连续受到钻头的高速切削、摩擦、拉扯，隔段时间再钻旁边的孔，避免临近的孔依次钻孔时由于间距太近、间隔时间短，出现热量及热应力集中、钻屑熔融堵孔等问题。

 

2.2.6 背钻制作

（1）问题描述。

高速高频信号的传输回路，主要依靠印制板上的线路和图形等铜面完成，当铜面被通孔所“戳破”时，将造成回路的破损与电流绕道而产生信号扰乱。

 

当信号从印制板顶层传输到某一内层时，如果用通孔实现电气连接就会产生一个多余的过孔短柱（stub）。高速信号由过孔进入内层，遇到stub时分成两部分，一部分沿stub进入底层后反射回来，一部分沿正常路径进入内层线路，由于两股信号相位上的差异，导致信号在某个频点发生干涉，形成谐振。这些谐振明显地增大了谐振频率附近的插入损耗，对信号传输造成严重损伤。stub越长，产生的电容就越大，从而导致一个更低的谐振频率，将极大地影响着信号的传输质量[8]。解决这个问题有三个办法，降低板材厚度；将高速信号布置在底层；或者使用背钻。所谓背钻，就是用一个直径大于孔径的钻头将不需要的金属化孔壁钻掉，从而去除stub。

 

目前，背钻孔是成本较低的能够满足高频、高速印制板性能的制作方法。但实际实施过程中，受背钻自身结构特点、机械钻机制程能力以及工艺流程设计等方面的影响，易出现孔内铜丝、堵孔、断钻等品质问题，需专门跟进改善。

 

使用“前工序→全板电镀→外层图形→图形电镀（镀锡）→外层蚀刻→背钻→下工序”常规工艺，容易产生孔内披锋、铜丝等问题。钻孔时，FB体育官方网站面，由于孔壁的电镀铜相对于表面覆铜基材的压延铜结合力稍弱，钻孔时钻断口附近的孔铜容易脱落，造成孔内披锋、铜丝；另FB体育官方网站面，孔内铜厚，一般要求最小厚度≥20 μm，由于铜箔具有较好的延展性，钻孔过程中不容易被切断，易造成孔内披锋问题[10]。此外，背钻头的角度选取不当、背钻加工参数不匹配也容易导致孔内披锋的产生。

 

（2）改善方案。

 

选取合适角度的背钻头，并找出与其相匹配的加工参数，避免由于角度不当、转速不够、剪切力不足等导致孔内披锋的产生；改用“前工序→全板电镀→外层图形→图形电镀（镀锡）→背钻→外层蚀刻（退锡）→下工序”的流程实施背钻，将“背钻”设置在“外层蚀刻”之前，利用蚀刻药水去除孔内铜丝、披锋，并利用高压水洗等水洗段，冲洗干净孔内钻污，防止堵孔。

 

 

2 产品和测试结果

通过所述生产工艺及关键技术，开发出了本款高频高速高多层产品。

经各项性能检测，测试结果合格，并达到到IPC-6012C相关标准。

3 总结

本文以一款整体18层，采用高频板材，具有多组背钻、高FB体育官方网站比树脂塞孔、高密集散热孔结构设计的高频高速高多层印制板产品为例，介绍了高频高速高多层印制板制作过程中的板材选择、树脂塞孔、压合、高密集度钻孔、背钻等常见技术难点，通过推出一些新工艺、新方法，有效解决了这些技术难题，所述希望能够为广大PCB研究者提供一定的参考。