翟青霞 周文濤 李金龍 朱 拓（深圳崇達多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

高導熱厚銅HDI板制作技術研發(fā)

Paper Code: S-032

翟青霞 周文濤 李金龍 朱 拓
（深圳崇達多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

電源設備用PCB一般要求具備良好的散熱性，所以其所用材料的導熱性及銅厚都較高。而隨著電源設備的小型化、多功能化發(fā)展，高密度互連的電源板設計也逐步被客戶所采納，于是出現(xiàn)了高導熱材料、厚銅與高密度互連設計相結合的組合型電源PCB產(chǎn)品。這種發(fā)展給PCB制造商帶來新市場的同時，也帶來了新的技術挑戰(zhàn)。本文著重研究了利用高導熱厚銅材料，制作高散熱性高密度互連PCB的方法，對此類特殊材料及組合設計產(chǎn)品加工過程中出現(xiàn)的問題提出了解決辦法。

高導熱材料；散熱；高密度互連；背鉆

1 背景

電源設備因其必須具備良好的散熱性和大電流承載型，所以一般設計為≥102.9 μm的厚銅層，但高密度互連特性也逐步出現(xiàn)在多功能電源模塊PCB之中，高密度互連設計務必會犧牲PCB一部分散熱性能，所以，高導熱材料的出現(xiàn)，又很好的彌補了這一缺陷。高散熱厚銅HDI設計的出現(xiàn)，因其具備組合型產(chǎn)品的技術難度，給PCB制造商帶來了新的技術挑戰(zhàn)。因高導熱材料一般具有高Tg，良好的耐熱沖擊性，加之厚銅設計，尤其增加了壓合、鉆孔等工序的制作難度。本文通過介紹一款14層內(nèi)層137.2 μm厚銅高導熱HDI板的關鍵技術點研發(fā)，引導高導熱材料厚銅HDI板的設計和制造。

2 技術難點

2.1 產(chǎn)品結構特點

本文涉及的14層高導熱板材HDI板應用于高功率電源方面，故對可靠性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、熱導率等性能有較嚴格的要求，因此在選材和制作工藝方面需要特別注意。利用不同產(chǎn)品結構，測試和制作多種高導熱類型材料，驗證了材料和結構的可制作性。

表1 高導熱材料HDI印制板主要參數(shù)特點

3 技術原理簡介

3.1 材料測試選擇

目前行業(yè)內(nèi)常用的高導熱材料有陶瓷、鋁基板等，導熱PP主要是改性環(huán)氧樹脂。此項目的開展是基于14層厚銅產(chǎn)品，應用于嵌入式電源，需充分考慮材料的可加工性，如高層數(shù)、多次壓合、激光鉆孔、背鉆，同時需要滿足高導熱性。

將現(xiàn)有調查到的高導熱材料性能參數(shù)對比如表2所示。

表2 不同材料的性能參數(shù)對比表

上表數(shù)據(jù)可以看出，B材料的熱導率可以達到與金屬基板等同，又具有極好的耐熱性。故使用B材料作為高導熱材料加工產(chǎn)品。

3.2 工藝流程設計

因為此產(chǎn)品涉及到單面增層，部分背鉆孔的設計與盲孔的層數(shù)交叉，故必須使用多次壓合的方式，以保證各層的線路設計。此次流程設計為3次壓合：

4 難點分析及解決方法

4.1 壓合排版設計

4.1.1 難點描述

（1）由于芯板基銅厚度較厚（均為137.2 μm）且半固化片陶瓷粉填料比例達到60%以上，相對于FR-4高溫下流動性差，若排版方式不當，容易造成粘結片不能有效填充厚銅區(qū)域，壓合后出現(xiàn)填膠不良。如圖3所示。（2）不同的熱膨脹系數(shù)：該高導熱材料的熱膨脹系數(shù)0.0175%（高于Tg時）＞銅0.0017%＞鋼0.0005%，可以看出，高導熱材料的熱膨脹系數(shù)居高；另一方面，該結構所用粘結片樹脂含量高，如不能合理管控，就會出現(xiàn)層偏等異常。

4.1.2 改善方案

（1）該材料半固化片含高比例陶瓷粉填料，相對于FR4流動性差，但其本身還是屬于環(huán)氧樹脂體系，為保證其流動性和樹脂填充性，要求在70 ℃ ～ 130 ℃之間保持升溫速率為（3～3.5）℃/min，適當延長冷壓時間，冷壓時降溫速率也應低于5 ℃/min，以釋放內(nèi)應力，具體參數(shù)依據(jù)所填銅的厚度和線路的結構設定；

（2）采用多段壓力加壓設計，對于多層厚銅板，尺寸為457 mm×610 mm時，壓力可以提高到3.10 Mpa，具體需依據(jù)實際情況做調整；

（3）因為此產(chǎn)品使用銅箔與半固化片的壓合方式，故壓力均勻性和輔助材料的緩沖能力很重要，排板時層間加新牛皮紙作為緩沖層，緩沖壓力，并促進填膠；

（4）使用先鉚合后熔合的方式預疊板，且排版時在墊鋼層間加新牛皮紙防滑；

4.1.3 改善效果

改善效果見圖1圖2。

圖1 填膠良好圖

圖2 層偏量合格圖（56μm）

4.2 激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 問題描述

高導熱材料樹脂無機陶瓷填料比例很高（60%以上），激光鉆孔過程中穿透能力明顯下降，造成激光盲孔底部樹脂殘留。內(nèi)層開路、盲孔脫墊問題頻發(fā)。

4.2.2 改善對策

針對此類高無機填料材料，普通FR4產(chǎn)品激光盲孔制作參數(shù)已不能滿足其能量需求，必須優(yōu)化參數(shù)，以保證盲孔底部樹脂反應完全，以下為高導熱材料優(yōu)化參數(shù)對比。

表3 普通FR4與高導熱材料激光鉆孔參數(shù)對比表

4.2.3 改善效果

高導熱材料激光鉆孔加工能量需明顯增強，圖3是優(yōu)化參數(shù)后激光盲孔制作效果。

圖3 改善后激光鉆盲孔觀測圖

4.3 機加工披鋒、斷刀問題改善

4.3.1 難點描述

因材料本身陶瓷粉填料比例高，硬度大，且內(nèi)層含10層以上的137.2 μm厚銅層，機加工（含鉆孔、銑PTH槽、銑set外形、銑外圍等）時對刀具的磨損很嚴重，控制不當會出現(xiàn)爆孔、披鋒等異常。嚴重時銅皮會卷到刀具上并會出現(xiàn)斷刀。

4.3.2 改善方案

機加工時選用金剛石涂層的刀具，適當調整刀具壽命如孔數(shù)、銑程序等。具體改善方法如下：

（1）蓋板、墊板：使用酚醛材料；（2）孔限設置：盡量避免設置孔限高于100孔，以避免基體材料疲勞破壞導致斷刀；（3）鉆孔使用分步鉆的方式，具體依實際板厚來決定分2步或3步；（4）過程中注意監(jiān)控鉆頭品質，若出現(xiàn)涂層崩缺，則不能繼續(xù)使用，因為此材料內(nèi)部的陶瓷填料存在顆粒大小不一，分布不一致的情況（如圖10），鉆頭鉆至陶瓷顆粒聚集位置或異常大顆粒位置時，可能會導致鉆頭刃口崩缺。

4.3.3 改善效果

改善后效果如圖4。

圖4 機加工問題改善效果圖

4.4 除鉆污方法

4.4.1 難點描述

因高導熱板材陶瓷填料比例高，質硬（硬度堪比固化的水泥），常規(guī)的等離子活化無法對處理，普通的高Tg參數(shù)化學除鉆污一次（正常情況下控制除鉆污速率在0.3 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2）無法將鉆污處理干凈。

4.4.2 改善方案

此材料特殊，經(jīng)試驗驗證，確認其除鉆污速率應在1 mg/cm2～ 1.2 mg/cm2之間，采用兩次除鉆污的方式，能夠更有效的除掉含陶瓷料比例較高的高導熱材料的鉆污。具體除鉆污速率受層壓結構及板厚影響會有差異。改善方式和效果見表4，各項指標均符合IPC標準。

表4 改善除鉆污方式及效果表

4.3.3 改善效果

改善效果見圖6。

4.5 折斷板問題改善

4.5.1 難點描述

圖6 改善除鉆污后效果圖

因高導熱板材陶瓷填料比例高，材料質硬且介厚較薄，不足以支撐137.2 μm基銅，故芯板加工時極易斷板。并且在銑set外形后，尤其是沉銅、板電、蝕刻、阻焊工序會出現(xiàn)斷板的情況。

4.5.2 改善方案

（1）設計時，基于線路設計將連接位加大，以保證銅皮可以支撐如此厚重的板。以下僅針對外層線路寬度設計示例，見圖7。執(zhí)行該改善措施后，該產(chǎn)品完成阻焊后未見斷板。

圖7 外層連接位寬度改善前后對比圖

（2）給連接位內(nèi)層增加假銅設計，以假銅來提高連接位的強度，盡量減少純基材層的寬度，防止折斷板。假銅設計如圖8所示。

圖8 連接位添加假銅設計示意圖

5 測試結果

經(jīng)對產(chǎn)品進行可靠性測試，各項指標合格，此款14層高導熱材料HDI印制板達到IPC-6012C相關標準。見表5。

6 總結

通過以上的研究探索，可以將此類高導熱的HDI板制作技術總結如下：

表5 各項測試結果表

（1）材料的選擇：綜合比較性能與價格，通過不同結構設計、試驗，選擇熱導率高且耐熱性高的材料。

（2）設計工藝流程時，可以按照“分→總”的形式進行，即，先設計不同層別的制作流程，最后將各分流程進行匯總。

（3）工藝難點改善總結：

①壓合采用調整升溫速率和降溫速率，增大壓力，使用新牛皮紙等緩沖墊相結合的方式制作，以保證填膠性能；

②高導熱材料激光鉆盲孔，相比FR-4材料需要適當增加脈寬、能量，增多發(fā)射次數(shù)，避免盲孔低殘膠等問題；

③機加工過程中，鉆孔使用金剛石涂層的鉆頭，同時將孔限調低，在鉆孔過程中監(jiān)控鉆頭的損耗情況；

④去鉆污時應控制除鉆污速率為1 mg/cm2～ 1.2 mg/cm2之間；

⑤設計階段圖形的連接位在空間允許的情況下，將銅寬度加至最大，采用內(nèi)層添加假銅設計，以保證其足夠的支撐力，防止折斷板。

[1]祝大同. 高導熱性樹脂開發(fā)與應用的新進展(1)——對散熱基板材料制造新技術的綜述[J]. 印制電路信息,2012/10.

[2]祝大同. 高導熱性樹脂開發(fā)與應用的新進展(2)——對高導熱性基板材料制造新技術的綜述[J]. 印制電路信息, 2012/11.

[3]林金堵,梁志立,鄔寧彪,龔永林,陳培良. 現(xiàn)代印制電路先進技術.[M]. 第三版. 上?！肅PCA,PCI,2013.

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翟青霞，工學碩士，研發(fā)部主管，主要負責新產(chǎn)品開發(fā)/新客戶導入工作。

Research and development of high thermal conductivity and heavy copper material HDI PCB technology

ZHAI Qing-xia ZHOU Wen-tao LI Jin-long Zhu Tuo

Power unit with excellent heat sink is the trend in future, so the PCB used in power unit should use high thermal and heavy copper laminate. As electrical power units continue to have much more powerful features within smaller size, electrical power PCB with High Density Interconnection is scheduled. To satisfy the higher heat sink and Higher Density, the PCB design including High Density Interconnection high thermal and heavy copper laminate is generated. This paper focuses on the research of the heavy copper material with high heat, puts forward proposals for such special material and combination design of product processing problems.

High Thermal laminate; Heat Dissipation; HDI; Back Drill

TN41

A

1009-0096（2015）03-0184-07