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1、系统HDI金属化阶梯板的研究和开发曾红 钟冠祺 周宜洛 东莞生益电子有限公司，广东东莞43007【摘要】：在对系统HDI、混压阶梯板、控深铣、激光钻孔等PCB制作技术重点分析的基础上,设计了新的制作流程,实现了系统HDI板与金属化阶梯制作的集成,从而开发出了可应用于焊接各类功能模块的系统HDI金属化阶梯板。【作者单位】： 东莞生益电子有限公司; 【关键词】： 系统HDI板 金属化阶梯槽 控深铣 激光盲孔 【分类号】：TN41I 前言 中国信息产业向3G变革的深入推动了通讯设备向大容量、多功能和高速、高频化输两个方向发展，这也促使了通讯用PCB制造技术往以下两个方面发展的趋势： (1)高密度化：
2、为适应通讯设备向大容量最和多功能方向的发展需求，元器件IO数的不断增加促使PCB布线密度越来越高，而在这种趋势下HDI技术的应用从最妆的消费电子领域展入通讯设备领域，这就催生了通讯系统用所需的高可靠性系统HDI板制造技术： (2)组装方式的多样化：通讯改备中高速、高频应用带带了许多新的特种PcB及特种元器件(如：金属基板、微波射频器件等等)，而这返此特种PCB及元器件作为种高速功能模块在与母扳PCB进行组装时出于固定及减小占用设备机箱空间的目的，往往在PCB母板上制作阶梯使元器件“嵌入”母板，同时为了导导通及接地的目的而要求阶梯位置的金属化。 以上两种趋势起头并进的发展过程中， 通讯设备制造商
3、势必会产生融合高密度及阶梯组装两种技术优点的设计理念，从而实现设备的大容量，多功能、高传输速度及小型化，同时降低生产成本：而实现这种技术融合的关键之一就在于开发出一种稳定可靠的的系统HDI板金属化阶梯制作方法，以满足各种商速模块(金幅基板、微波射频器件）的组装坚求。本项目以此种背景为基础，藉由金属基板与系统HDl板组装的其体案例对系统HDI板金属化阶梯的制作进行了探讨。 如图2所示的组装案例，对PCB的要求如下：_ (I) PCB为大尺寸系统HDI板，集成盲、埋孔设计，有高可靠性的要求； （2） PCB中设计有Open window图1（a），用 于嵌入金属基板： (3)Open window
4、边缘设计有局部阶 梯面，阶梯表面和侧壁需金属化，金属基扳通过焊接与金属化阶梯而及阶梯壁连接（图2)，实现接地功能：要求阶梯面铜层与基材有较强的结合力，以保证在多次无铅焊接条下铜层不分层、起泡，同时具有较强的机械强度，以承受金属基扳的重量以及在组装、运输过程中的震动的冲击：B)局部金属化阶梯面意图 图1图2系统HDI金属化阶梯槽装配示意图表1 (4)为保证组装精度的，阶梯厚茺的公差有较严格的要求(0.15 mm，或更小) 针对以上设计特征 ，在对此类产品开发的过程中将着重在以下方面进行讨论及验证： (1)系统HDI扳上金属化阶梯的制作方法 为满足系统HDI高布线密度及高可靠性的要求，相对于普通P
5、CB而言系统HDI板在工艺制作、工艺控制、操作方法方面都存在比较在较严格及特殊的做法，各流程的操作窗口较窄，因此要实现在系统HDl上制作金属化的阶梯，必须考虑其制作方法给系统HDI板的制作带来的影响，并综合考虑制作方法的复杂性：、成本等因素来确定制作方法的可行性。 (2)制作力法能否满足是成品的组装要求： 需重点考虑阶梯表面铜层与基材的结合力、机械强度以及阶梯厚度公差要求。 (3)制作流程的设计 制作过程中一特殊做法(阶梯化益钻、机械盲孔、激光有孔、控深铣等)，在流程方面的优化： (4)产品最终的可靠性 2金属化阶梯制作方法的确定为消晰的表述制作过程的开发思路，小文以具体的开发实例为E线，来描
6、述系统HDI金属化阶梯的开发过程样板的主要设计信息如表1所示。2 .1 使用混压阶梯板方法制作阶梯槽的可行性评估 混压阶梯板的制作方法是一种PCB业界广泛应用的金属化阶梯制作方法，因此，在系统HDI板上制作金属化阶梯，混压阶梯板制作方法将是首选的考虚对象。2 .1 .1 制作流程的选择 根据此样板的叠结构厚度，若以Bottom （盲孔底部)为基准面计算理论厚度，则阶梯所在的平面与L7层所在的平面相接近(理论厚度差约0.04 mm，符合阶梯厚度的公差要求)，因此可将L7层作为阶梯平面先进行阶梯槽制作，再将剩余的部分按0pen window的形状加工为成品所要求的局部阶梯面。按照混压阶梯板的制作方
7、法，单纯的从制作L7一I2层的阶梯角度来看，按压合次数不同，可选用一次压合或二次压合的方法进行制作，同时结合系统HDI的流程对比，以得出适合的流程见表2： 通过两种阶梯扳制作流程与系统HDl扳制作流程的对照，系统HDI板因存在L211埋孔设计，因此就要求L2-II压合为了子板再进行钻孔而形成埋孔，这就与二次压合阶梯板中要求Ll一6、L712压合为两个子板相矛盾，因此对于系统HDI板，无法使用二次压、合的方法。而一次压合阶梯板旧制作方法无予子板制作要求，因此从流程设计方面来看，可以和系统HID板的制作过程进行融合，具体的制作流程如表3：2 .1. 2所选流程的优势以上流程，从满足组装性能要求的们
8、度而言具有较大优势： (1)阶梯厚度公差：此种方法，阶梯厚度的公差仅受I.7一12层压合板厚公差的影响，L71 2层在设计上的厚度为0.99 mm，按10的板厚公差能力计算，叫阶梯厚度的偏差仅为0.1 mm，理论上满足阶梯厚度公差的要求； (2)阶梯上铜层与基材的结合力：阶梯本身已具有底铜，铜层与基材结合属于常规的结合方式，在耐无铅回流方面已有较多历史经验证明其可靠性。2 .1 .3所选流程的难点 但使用一次压合的阶梯板制作办法在实际的制作过程中可能对系统HDI的制作产生较大影啊，另外阶梯扳制作方法自射也存在诸多难点： (1)对系统HDI扳制作潜在的影响：系统HDI扳因其图形及孔密度高而在制作
9、过程中的对位系统及尺寸涨约方面存在较严格的要求，而制作阶梯过程中的P片的开槽、垫硅胶片及不对称压合所造成的的翘曲及尺寸不稳定等问题，对系统HDI制作较关键的对位系统(次外层图形的对位、激光钻孔对位）冲击较大， 一翘曲及涨缩情况恶化，将严重阻碍系统HDI板的生产。 （2)层压工艺不稳定：Openwindow尺寸、较大(205 mmI42 mm)，且轮廓形状复杂(如图3)，L67 层所在层压过程起阻挡流股作用的硅胶片在层压过程中绝对伸缩较大，阶梯侧壁流胶(尤其是右侧弧形区域)无法控制。 图3阶梯槽形状示意图 (3)可靠性风险：阶梯周围的的通孔距阶梯壁设计上仅0.38 mm，因阶梯侧侧壁流胶空洞的问
10、题，此类孔的可靠性风险较大： (4)操作复杂，需较多的手工操作步骤： 层压预排板需手工期塞入硅胶垫片，以阻挡流胶： 需制作专用垫槽孔片用于辅助外层贴干膜、曝光，避免贴膜起皱及曝光不良： 需在控深铣槽后大工将阻挡流股的硅胶垫片取出： 其它。 成本较高：过程中需要使用到较多的辅物料（层压缓冲铝片、硅胶片、槽孔垫片等)： 鉴于使用混压阶梯扳制作方法制作阶梯对系统HDI制作方法的冲击较大且制造流程复杂、工艺稳定性差、成本高等问题，大批量的制作控制上存在较大难度，批量报废的风险较高，因此需考虑其它的途径制作。2 .2使用控深方法加工阶梯槽的可行性评估 根据此板设计要求的台阶厚度，使用控深铣床在钻孔后的P
11、CB上铣出阶梯，通过沉铜实现阶梯表面的金属化，再通过电镀的方法将阶梯表面的铜层镀至要求的厚度，从理沦上亦可在系统HDI板上制作出金属化阶梯，具体流程设计如表4所示 使用控深方法加工阶梯槽，从制作流程方面来看，仅在系统HDl板的制作流程基础上增加铣阶梯和铣通槽两个流程，相对使用阶梯板方法制作阶梯流程得到了较多的简化，且对系统HDI板母板激光钻孔之前的制作流程不产生任何影响，保证了作为系统HDI关键控制点对位系统的准确性：但从PCB组装性能及可靠性乃方面尚需在以下方面进行着重评估 (1）使用控深铣方法制作的阶梯厚度公差能否满足要求； (2)阶梯表面的镀铜层与基材是否有足够的结合强度以满足多次无铅焊
12、接要求及机械强度要求 2.2.1 控深铣方法制做阶梯厚度公差评估 在综合考虑控深铣过程中不同轴头，铣刀更换等因素对控深铣公差的影响，通过收集实际控深铣所制作的阶梯厚度数据得出的制作能力情况如图4示。控深铣方法制作阶梯厚度公差能力评估图4控深铣方法制作阶梯厚度公差能力评估表4控深铣方法制作金属化阶梯流程设计 对于此案例的要求的成品0. 99 mm0.15 mm的阶梯厚度公差，考虑到铜层厚度的影响，对于控深铣后。的公差按照0.99mmi 0。125 mm 标准进行评价，通过实际所收集271个样本数据得出控深铣阶梯厚度PN为2.17、PpK为I.34，由此可以判断在阶梯厚度，控深铣的方面的可满足0.
13、I5 mm要求：2. 2 .2 阶梯表面镀铜层与基材结合力情况评估 常规铜箔与基材间的结合上要求依靠铜箔粗化而的大量“铜脚”深入树脂内部形成咬合结构而保证了铜层与基材的结合力，而受制于控深铣精度的影响(参考2.2.I中的数据，控深铣的精度不能实现将内层所有底铜露出或保留)，控深铣后，阶梯表面不能均匀的保留原始底铜(铜箔)，也无法利用铜箔与基材间的咬合结构而保证结合力，因此阶梯表面所通过沉铜、电镀所形成的铜层与基材的结合力理论上就较弱，实际情况下，按照表5所设计的流程进行试验，在EENIG后阶梯位置的铜皮出现了起泡的现象，如图5所示，也证实了此种情况。图5铜层起泡缺陷图片(ENIG后）按表5所设
14、计的原始流程，在制作过程中就已经出现了铜层剥离、起泡的情况，因此如果要使用控深铣的方法制作在系统HDI扳上制作金属化的阶梯，则必须克服镀铜层与基材结合力薄弱的缺陷，因此铜层与基材的结合力问题将作为本项目的重点工艺研究对象，以期得出可满足产品性能要求的制作工艺。3重点工艺研究3 .1 铜层与基材问结合力影响因素分析 关于金属层与非金属基材结合力的研究方面，国内外的涂镀行一是PCB业界已有广泛的理论研究，涉及镀层的形成、结合界面的状态、界面化学成分的影响以及其他特殊的做法等，但目前是很少有推厂性的做法直接应用于PCB的制造，因此对于此问题的解决可在现有理论研究成果的基础上，重点锁定与铜层和基材相结
15、合直接相关的几个方面进行探讨与试验分析： (1)结合界面的物理形态，为得到适合的结合界面而涉及的界面处理方法； (2)结合界面的化学成分，能引志界面化学性质变化的处理方法及不同扳料之间的对比： (3)应力因素，PCB在制作过程存在较多的化学湿处理流程和机械加工流程，这此流程对结合界面所产生的应力因素也应考虑在内： (4)基材面上沉积出的铜层是由化学铜层是由化学铜层和电镀铜层构成的，而与基材面而直接接触的是化学铜层，因此，铜层与基材间的结合力大小与化学铜层形成的相关因素就密切相关： (5)其他辅助提升结合力的方法。图6影响镀铜层结合力因素分析图3. 1 .1界面物理状态的分析 化学镀层的结合力与基材的表面状态有密切的父系。在金属材料表现施镀，结合力主要表现为金属与金属间的键合，而在非金属上镀，结合力则主要依靠化学镀层与基材粗糙农向机械咬合作用(Mecllanical Anclering)1也有研究已量化的证明，通过增加基材表面的粗糙度。化学镀层的结合力也随之增加。 (1)界面处理方法影响。 目前，PCB行业孔金属制程中
