樹脂磨板工藝中孔損問題改善探討

2014-11-05 02:23陳世金鄧宏喜韓志偉

印制電路信息 2014年9期

陳世金徐緩鄧宏喜韓志偉

（博敏電子股份有限公司電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室梅州研發(fā)中心，廣東梅州 514768 ）

1 前言

由于印制板高密度化（HDI）的盤內(nèi)孔（Via on Pad）、堆疊式導(dǎo)通孔（Stack Via）等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，樹脂塞孔工藝技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，可以說樹脂塞孔工藝是積層法HDI板制程中不可或缺的一部分[1]。不同的產(chǎn)品類型其有著不同的樹脂塞孔流程，大致可以分為盤內(nèi)孔樹脂塞孔、內(nèi)層樹脂塞孔和通孔樹脂塞孔三種[2]，本文所要講述的是通孔樹脂塞孔類型。還涉及到選擇性樹脂塞孔和樹脂磨板等工藝，即同一塊板上部分金屬化孔是塞樹脂的，部分大的PTH孔是無(wú)需樹脂塞孔的，且均須采用樹脂研磨和熱固化等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)板面的整平和樹脂的固化，主要針對(duì)在此工藝過程中出現(xiàn)孔損問題展開一些討論。

2 孔損原因分析

在通孔樹脂塞孔工藝中，在樹脂磨板過程中比較容易出現(xiàn)的一個(gè)問題是孔口磨損，主要體現(xiàn)在孔徑較大、未塞樹脂的金屬化孔出現(xiàn)孔口銅偏薄、變形、露基材等。幾種孔損現(xiàn)象在外層通孔樹脂塞孔工藝最為常見，而在HDI積層板次外層樹脂塞孔制作工藝中則極為少見了，其原因主要是由于次外層樹脂塞孔均為埋孔塞孔，且為整板樹脂塞孔、孔徑較小、孔徑一致或接近。此類板在進(jìn)行樹脂磨板時(shí)受力相對(duì)均勻，磨刷對(duì)孔口的切削量較小，出現(xiàn)孔損問題的概率也就較小。而針對(duì)外層通孔樹脂塞孔一般較為復(fù)雜，同時(shí)存在不同孔徑的孔，還存在不同類型的孔，這些孔有些是需要塞孔的，有些不需要塞孔的。因此，在制作和管控方面難度比較大，如控制不好就會(huì)造成導(dǎo)通不良、信號(hào)損失，甚至是產(chǎn)品可靠性失效的風(fēng)險(xiǎn)。

樹脂塞孔后的電路板在研磨的時(shí)候，除了對(duì)板面的樹脂產(chǎn)生切削外，對(duì)板的銅面、孔口等產(chǎn)生一定的切削，無(wú)論采取何種研磨方式都會(huì)有一定的切削量存在。孔口是板面銅與孔內(nèi)銅相連接的地方，此處銅厚相對(duì)較薄，在孔口的邊緣會(huì)產(chǎn)生較大的切削力，孔口與磨輥的接觸面積較小，極易造成孔口銅損。

3 改善探討

樹脂磨板時(shí)，磨輥在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，其還在進(jìn)行左右的擺動(dòng)，對(duì)板子形成“拉扯”之勢(shì)，在有孔的地方會(huì)有一部分的切削力作用在孔的邊緣，從而產(chǎn)生了一定的斜向切削力，正是這個(gè)切削力對(duì)孔角造成了不利影響。那么，要改善孔損問題也就是要減小這一部分的切削力，是切削力盡量全部作用在板面上，準(zhǔn)確的說是作用在有樹脂凸起的部分。

3.1 研磨設(shè)備的影響

研磨樹脂的設(shè)備主要是根據(jù)樹脂塞孔工藝的類型來(lái)選擇不同的研磨方式，主要有不織布磨板、陶瓷磨板和砂帶磨板三種，其刷磨的方式或磨輥的類型是不同的。

在進(jìn)行外層通孔樹脂磨板時(shí)，從成本角度考慮選擇不織布磨輥是較為合理的，原因是不織布磨輥的價(jià)格較其它的兩種都要低許多。但從品質(zhì)控制的角度來(lái)說，不織布磨板和砂帶磨板是要較前者優(yōu)秀，對(duì)防止出現(xiàn)孔口缺損問題有較大的幫助。不過，這幾種磨板方式均有不同的優(yōu)點(diǎn)，如樹脂磨板成本低、效率高，陶瓷磨板對(duì)銅的切削能力較優(yōu)，砂帶磨板對(duì)孔角的損傷最小等。

選擇不織布磨輥研磨樹脂時(shí)，要遵循一個(gè)原則：即盡量保證磨輥與板子有最大的接觸面積。由于不織布磨輥相對(duì)其它磨輥來(lái)說，材質(zhì)較柔軟，在施加壓力的情況下，磨輥會(huì)有一部分進(jìn)入到孔口內(nèi)，造成孔口的切削力增大，從而導(dǎo)致孔損問題的出現(xiàn)。因此，在使用該類方式樹脂磨板時(shí)，要注意選擇合適的磨輥目數(shù)，一般采用400#、600#和800#幾種搭配使用較好。另外，要注意檢查磨輥的磨損情況，在磨輥直徑變小到一定程度時(shí)就要考慮更換新磨輥，磨損嚴(yán)重的磨輥除了會(huì)出現(xiàn)磨板不干凈外，最大的危害是會(huì)造成磨輥對(duì)孔角銅磨損加劇。

陶瓷磨輥進(jìn)行樹脂磨板從成本角度不劃算外，最主要是堅(jiān)硬、凹凸不平的樹脂會(huì)對(duì)磨輥造成較大的損傷，一旦損傷其不可復(fù)原，繼續(xù)使用會(huì)導(dǎo)致整條磨輥的報(bào)廢。因此，盡管陶瓷磨輥磨板對(duì)孔角銅的損傷較小，但也不適合應(yīng)用于大批制作外層通孔樹脂塞孔的磨板。砂帶磨板對(duì)孔角銅的損傷較小，可以應(yīng)用于外層樹脂磨板，但其不足之處是研磨的干凈程度不理想，會(huì)存在樹脂殘留于板面的風(fēng)險(xiǎn)。

如果能采用樹脂磨板與砂帶磨板相結(jié)合的方式了來(lái)進(jìn)行外層通孔樹脂類型的磨板是最優(yōu)的了，這個(gè)在業(yè)界已經(jīng)有采用此種方式[3]。選擇何種方式的設(shè)備或磨輥來(lái)進(jìn)行外層通孔板的樹脂研磨，還要結(jié)合各公司的實(shí)際情況和其它相關(guān)因素的控制來(lái)確定，性能優(yōu)異、自動(dòng)化的樹脂研磨設(shè)備和質(zhì)量較好的磨輥只是一個(gè)基本前提，要防止出現(xiàn)孔口銅損問題還需要做很多方面的工作。

3.2 研磨方式的影響

研磨方式主要包括樹脂磨板時(shí)的放板方向和面次兩個(gè)方面，尤其是在進(jìn)行多次研磨或重工的時(shí)候要特別注意了。樹脂磨板機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，磨輥有順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)兩種方式，板子通過轉(zhuǎn)輥或皮帶向前運(yùn)送，磨輥對(duì)板面的切削是朝一個(gè)方向的，對(duì)孔口的切削力是不一樣的。所以，要保證對(duì)板面和孔口的切削盡量均勻，最好是對(duì)放板的方向和面次不斷進(jìn)行調(diào)整，即每通過一段磨輥，轉(zhuǎn)換一個(gè)方向和面次（如圖1所示）。

圖1 轉(zhuǎn)換方向和面次的刷磨示意圖

這種方法雖然在實(shí)際操作中比較麻煩，但對(duì)防止出現(xiàn)孔口銅損問題是十分有效的。目前有些設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，即在第一段刷磨后可自動(dòng)轉(zhuǎn)向和翻轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)入第二段刷磨，或是完成第一二段刷磨之后，自動(dòng)翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向，再進(jìn)入第三四段刷磨。在遇到部分或個(gè)別板子刷磨不干凈的時(shí)候，有時(shí)候需要進(jìn)行二次刷磨或重工，這時(shí)就需要特別注意，二次刷磨或重工放板時(shí)要注意板子方向和面次的控制，即二次刷磨或重工時(shí)放板方向和面次與第一次的刷磨要?jiǎng)偤孟喾?。如不注意控制的話，二次刷磨或重工的板子極易出現(xiàn)孔角磨損，因?yàn)槎嗡⒛サ臅r(shí)候板面和孔上面的樹脂基本已經(jīng)研磨干凈，只有少許樹脂殘留，此時(shí)刷磨的切削力幾乎全部作用在板面和孔邊上，切削量很大，約為第一次的2～5倍。在放板時(shí)除了上面所提到的方向和面次外，要注意放板時(shí)交錯(cuò)放板，即第一塊板從磨板機(jī)入口的左邊進(jìn)入，第二塊板就要從磨板機(jī)入口的右邊進(jìn)入?；蛘呤怯勺笾劣衣苿?dòng)，保持每次移動(dòng)一段距離，然后再由右至左慢慢移動(dòng)。

交錯(cuò)放板的目的是防止磨刷損耗不均勻，造成磨輥的兩端與中間部分不平整，刷磨時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的磨痕和切削力不均勻，從而導(dǎo)致刷磨不良或孔損問題出現(xiàn)。因此，在樹脂磨板時(shí)，要養(yǎng)成良好的放板習(xí)慣，要定期檢查磨輥的損耗情況，通過做磨痕測(cè)試和水破試驗(yàn)來(lái)判定刷磨的效果是否良好，如有不良應(yīng)及時(shí)通過整刷調(diào)整或更換磨輥。

3.3 研磨參數(shù)的影響

在進(jìn)行樹脂研磨時(shí)，一般通過設(shè)定磨輥轉(zhuǎn)速、磨板電流、板厚和傳輸線速等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)板子樹脂的研磨，確保研磨干凈且不出現(xiàn)刷磨過度、孔損等問題，需要操作員根據(jù)觀察板面研磨情況來(lái)隨時(shí)調(diào)整上述參數(shù)。目前，大多數(shù)樹脂研磨設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過電腦或人機(jī)界面來(lái)設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)，磨板機(jī)可自動(dòng)調(diào)整磨板壓力、板厚和運(yùn)轉(zhuǎn)線速等。

使用不同的研磨參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)不同的研磨效果，要做到最佳的磨板效果就需要對(duì)樹脂研磨機(jī)的切削量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試出研磨切削量數(shù)據(jù)是設(shè)定研磨參數(shù)和控制研磨次數(shù)的重要依據(jù)。表1～和表3是不同樹脂研磨設(shè)備及研磨次數(shù)對(duì)板子銅面的切削量數(shù)據(jù)。

從表1～表3表中可以看出，不同的設(shè)備以同樣的參數(shù)磨板，其銅損量是不同的；相同的設(shè)備，但不同的磨板參數(shù)，其銅損量也是不同的；研磨兩次的銅損量也不是研磨一次銅損量的簡(jiǎn)單相加。這些數(shù)據(jù)的獲取對(duì)我們實(shí)際生產(chǎn)設(shè)定研磨參數(shù)和控制返工有著很重要的參考價(jià)值。

3.4 工藝流程的影響

樹脂塞孔的工藝流程會(huì)因各公司的設(shè)備、使用物料和工藝水平等不同而有所差異。業(yè)界常規(guī)樹脂塞孔、樹脂磨板的工藝方法和流程：一般是采用樹脂油墨將需要填塞的孔填滿，不可避免地有樹脂油墨凸出孔外和銅面的現(xiàn)象，然后將塞滿樹脂的電路板進(jìn)行熱固化，使樹脂硬化，再將固化后的電路板通過樹脂磨板機(jī)進(jìn)行研磨，將孔外及銅面殘留的樹脂除掉，從而得到平整的板面質(zhì)量。

其制作流程如下：

上工序→樹脂塞孔→熱固化→樹脂磨板→下工序

由于固化后的樹脂油墨變得十分堅(jiān)硬，需要較大的切削量才能將多余或殘留部分的樹脂油墨除去，而大的切削量又會(huì)導(dǎo)致未塞樹脂的金屬化大孔出現(xiàn)切削過度而破損。

針對(duì)這個(gè)流程有如下建議：在樹脂磨板前增加預(yù)固化，樹脂磨板后再進(jìn)行熱固化，這樣就會(huì)減輕樹脂磨板的難度，使殘留的樹脂更容易除去[4]。其流程為：

上工序→樹脂塞孔→預(yù)固化→樹脂磨板→后固化→下工序

由于增加預(yù)固化在樹脂磨板的前面，樹脂油墨沒有完全固化，樹脂磨板時(shí)就不需要很大的切削量即可將多余或殘留的樹脂油墨除去，即磨板壓力和速度等參數(shù)方面均可在原來(lái)的基礎(chǔ)上做一些調(diào)整（壓力減小、速度加快等），再在樹脂磨板時(shí)采用換向、翻面等控制手段，從而即可達(dá)到有效防止金屬化大孔破損問題的出現(xiàn)，同時(shí)也可大大提升樹脂磨板的產(chǎn)能。

流程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化可以大大減輕樹脂磨板的難度，有效防止或減少樹脂磨板孔損問題的出現(xiàn)，在這方面仍有很大的提升和改善空間，需要業(yè)界技術(shù)工作者進(jìn)一步加大研究力度，設(shè)計(jì)出更科學(xué)、合理的工藝流程，以提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

通過以上分析可知，對(duì)于外層通孔類型的樹脂塞孔板防止其出現(xiàn)孔損問題，主要從以下幾方面加以控制或改善：（1）選擇合適的樹脂研磨設(shè)備和磨輥。磨輥與板面的接觸面積越大，越有利于孔口銅損問題的改善。（2）樹脂研磨時(shí)的放板方式。交錯(cuò)放板，注意放板方向和面次的區(qū)分，是防止二次刷磨和重工研磨出現(xiàn)孔口銅損的關(guān)鍵所在。（3）樹脂研磨參數(shù)的正確設(shè)定。正確、合理的研磨參數(shù)，對(duì)研磨設(shè)備的銅損量測(cè)試，是得到良好研磨效果的基本保證。（4）樹脂研磨工藝流程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。制定出科學(xué)、適合的工藝流程，或是對(duì)現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和完善，不但可以取得事半功倍的效果，還可達(dá)到有效改善銅損問題之目的。

本論文得到廣東省省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合重大專項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012A090300007，項(xiàng)目名稱：高頻高速電路板和通信終端產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化）支持。