高阶深微盲孔的加工及其与高纵横比通孔的共镀工艺研究.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛116HDI板 HDI Board高阶深微盲孔的加工及其与高纵横比通孔的共镀工艺研究 Paper Code:S-095 钟明君 雷 川 赵 鹏 孙 军 曹磊磊 （重庆方正高密电子有限公司，重庆 高新 401332）何 为 陈苑明（电子科技大学材料与能源学院，四川 成都 610054）摘 要 为顺应电子产品微型化、多功能化的发展趋势，印制电路板的集成度也进一步提升，微小导通孔（盲孔、小孔径通孔）的孔金属化工艺作为实现高密度的关键加工环节已成为行业内的研究热点。文章介绍了控深钻+激光钻组合工艺加工L1Ln高阶深微盲孔的方法，并总结了加工过程中的品质管控要点。同时，文章针对设计有127 m盲孔、L1Ln高阶深微盲孔与21:1高厚径比通孔的测试板进行了通盲共镀工艺的加工方法及参数的研究。最后，文章对完成全制程加工的测试板进行了一系列信赖性测试，测试结果均满足IPC标准要求。关键词 高阶深微盲孔；高纵横比；控深钻及激光钻组合工艺；通盲共镀 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0116-10 Research on processing of high-step blind vias and simultaneousplating process with high-aspect-ratio through-holesZhong Mingjun Lei Chuan Zhao Pen Sun Jun Cao Leilei He Wei Chen Yuanming Abstract In order to comply with the development trend of miniaturization and multi-function of electronic products,the integration level of printed circuit boards has also been further improved.The hole metallization process of tiny vias(blind vias,through-holes),as a key processing link to achieve high density,has become a research hotspot in the industry.Here,the author introduced the method of processing L1-Ln high-step blind vias by the combined process of controlled depth drilling and laser drilling,and summarize the key points of quality control in the processing process.Meanwhile,for the test board designed with 127 m blind vias,L1Ln high-step blind vias and 21:1 high-aspect-ratio through-holes,the author conducted research on the processing methods and parameters of the simultaneous plating.Finally,a series of reliability tests were performed on the test boards that have completed the full-process processing,and the test results all meet the requirements of the IPC standard.Key words High-Step Blind Vias;High Aspect Ratio;Controlled Depth Drilling and Laser Drilling;Simultaneous Plating117HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛0 引言为顺应电子产品微型化、多功能化的发展趋势，印制电路板的集成度也进一步提升，微小导通孔搭配精细线路即是实现印制电路板高密度化的主要途径。其中，微小导通孔（小孔径通孔、盲孔）的加工及其孔金属化工艺作为影响印制电镀板品质的关键环节，已成为行业内的研究热点1。目前，小孔径通孔的厚径比需求已超20:1，而盲孔设计也趋向于L1Ln多层连接的高阶深微盲孔，如图1所示。相较于传统的单层连接的深微盲孔，大孔径（304.8 m）、高厚径比（1:1）以及击穿内层铜成孔是L1Ln多层连接的高阶深微盲孔的加工难点。图1 L1Ln多层连接的高阶深微盲孔由于通孔与盲孔的结构不同，导致通孔电镀与盲孔电镀的作用机理、药水体系及加工方式也各不相同，行业内通常采用先盲后通的加工方式进行通孔与盲孔的孔金属化制作。然而，先盲后通的加工方式不仅成本高、周转率低、浪费电镀等重要工序产能，还会导致铜厚均匀性难以管控，严重影响外层精细线路的蚀刻品质。鉴于以上种种弊端，近年来，行业内提出了通盲共镀的加工方式进行通孔与盲孔的孔金属化制作。但是，通盲共镀的加工方式存在通孔深镀能力差（TP50%）、孔铜不足，盲孔结晶不良、电镀蟹脚等品质异常，仍有待改善。为了进一步攻克高阶深微盲孔的加工难点，同时解决其与高纵横比通孔在孔金属化过程中出现的问题。文章介绍了控深钻+激光钻组合加工L1Ln高阶深微盲孔的工艺方法，并总结了加工过程品质管控要点。同时，文章针对设计有127 m盲孔、L1Ln高阶深微盲孔与21:1高厚径比通孔的测试板进行了电镀通盲共镀工艺的加工方法及参数的研究。最后，文章对完成全制程加工的测试板进行了一系列信赖性实验，实验结果均满足IPC标准要求。1 实验原理1.1 高阶深微盲孔的加工技术由于L1Ln多层连接的高阶深微盲孔的加工需击穿内层铜成孔，铜箔不吸收红外激光，因此无法采用CO2红外激光钻的方式直接加工，而是采用UV激光钻或者通过控深钻+CO2红外激光钻的组合工艺进行加工2。针对高厚径比（1:1）的L1Ln高阶深微盲孔，采用控深钻+CO2红外激光钻的组合工艺进行加工，可以有效解决UV激光钻加工效率低、盲孔底部易击穿及盲孔孔型难以管控等问题。控深钻+CO2红外激光钻的组合工艺，首先利用控深钻钻穿表层与内层铜，使机械盲孔底部与指定信号层留有一定的安全距离3。在钻出与成品盲孔相同的孔径后，再采用光斑直径大于控深钻孔径的激光进行加工4，从而消除控深钻和激光钻之间存在的对位偏差，保证成孔品质。图2 控深钻+CO2红外激光钻的组合工艺图示2023春季国际PCB技术/信息论坛118HDI板 HDI Board然而，受CO2激光钻机光圈大小的限制，激光光斑无法完全覆盖大孔径（304.8 m）的高阶深微盲孔在控深钻后的开窗孔径。因此，CO2红外激光钻需要采用激光螺旋扩孔工艺进行加工。激光螺旋扩孔工艺首先采用叠孔率较高的大孔程式（T1）进行盲孔加工。基本成孔后，再采用叠孔率较低的外围小孔程式（T2）修饰盲孔孔型。最后，通过激光直接烧蚀即原程式（T3）对淤积于盲孔中心有效区域的残胶进行清除。图3 激光螺旋扩孔工艺图示1.2 通盲共镀的加工技术由于通孔与盲孔的结构不同，导致通孔电镀与盲孔电镀的作用机理（流体力学与质量传送）、药水体系及加工方式也各不相同5。通孔电镀时，流体可以在通孔内流动以便于输送物质至孔中心。为避免孔口凸起甚至封孔异常，通孔电镀要求铜离子的输送速率远大于其镀析速率即较好的深镀能力，因此通孔电镀采用高酸低铜体系的酸性硫酸铜镀铜液以及脉冲电镀工艺加工。盲孔电镀时，由于盲孔底部阻碍了流体在孔内的流动及物质输送，电镀过程则是利用孔底沉积速率大于板面沉积速率的原理，因此盲孔电镀采用高铜低酸体系的酸性硫酸铜镀铜液以及直流电镀工艺加工。图4 盲孔与通孔电镀作用机理图示虽然，通盲共镀的加工方式不仅成本低、周转率高、节省电镀等重要工序产能，还能改善铜厚均匀性，提升外层精细线路的蚀刻品质。但是，通孔与盲孔的电镀作用机理、药水体系及加工方式各不相同，同时，通盲共镀时通孔的存在还会加速盲孔附近镀液的流动速度。最终，导致通盲共镀的加工方式难以兼顾盲孔与通孔的品质，出现通孔深镀能力差（TP50%）、孔铜不足，盲孔结晶不良、电镀蟹脚等品质异常。行业内，主要通过优化电镀的药水配方（组成、浓度）、工艺加工方法及参数来解决上述品质问题，从而实现通盲共镀。2 实验部分2.1 原材料及仪器设备原材料：测试板（基本信息如下表1）、电镀药水（脉冲电镀药水，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、湿润剂、整平剂、光亮剂等）仪器设备：CO2激光钻机、Shcmoll背钻机（带CCD定位功能）、VCP脉冲电镀线、2#龙门电镀线、焊锡炉、回流焊、低阻计119HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛2.2 实验过程2.2.1 工艺流程通盲共镀流程：压合（叠板/压合后处理）机械钻孔（钻孔去毛刺）MASK开窗（前处理贴膜曝光显影/蚀刻/去膜）MASK AOIPlasma控深钻机械钻孔（清洗）激光钻机械钻孔（烘板）激光钻（Plasma去黑膜）Laser AOI电镀（除胶渣PTH整板电镀精磨验孔）树脂塞孔（前处理预烘选择性真空塞孔后固化树脂研磨）塞孔AOI电镀（PTHPOFV电镀）POFV AOI外层图转后制程2.2.2 实验方案激光实验方案：L14（355.6 m）及L15（457.2 m）的高阶深微盲孔采用控深钻+CO2红外激光钻组合工艺进行加工，控深钻管控钻咀尖到信号层76.2127 m的安全距离后，再利用激光螺旋扩孔工艺进行CO2红外激光钻制作。L12（127 m）盲孔则采用激光直接成孔加工。具体加工参数如下表2所示。表2 测试板盲孔的激光加工参数电镀实验方案：为了兼顾通盲共镀加工过程的通、盲孔品质，首先采用高铜低酸药水体系的直流电镀工艺对测试板闪镀（58）m。然后，为满足高厚径比通孔（AR20:1）的深镀能力，再通过高酸低铜药水体系的脉冲电镀工艺进行加镀。研究发现，通盲共镀的效果主要由脉冲电镀工艺中脉冲电流密度、脉冲波形以及线速的决定。根据单一变量的实验原则，文章设计了3种脉冲电镀方案用于研究线速与脉冲波形对同时设计有多种孔径、厚径比的盲孔以及高厚径比通孔共镀品质的影响。2.2.3 可靠性测试参照IPC-TM-650的测试方法对完成全流程制作的测试板进行热应力（3次）、无铅回流焊（5次、10次）及冷热冲击（200 cycle、400 cycle）的信赖性测试。对完成热应力、无铅回流焊及冷热冲击测试后的盲孔及通孔进行外观检查及切片检查，并收集冷热冲击测试前后的低阻值，以评估实验结果的可靠性。具体测试项目、条件及评价标准如表4。表1 测试板基本信息层数 成品板厚 材料 通孔设计 盲孔设计 28（4.20.42）mm R5785(GE)钻咀0.2 mm,AR21:1 L12(127 m),AR0.72:1L14(355.6 m),AR1.12:1C面L15(457.2 m),AR0.96:1S面L15(457.2 m),AR1.23:1 孔径 m 脉宽 us 能量 mj 枪数 shot Mask mm 程式 127 8 8 1 2.8 原程式 355.6 6 4.5 4 3 T1 6 4.5 4 2.8 T2 6 2 1 3 T3(原程式)457.2 6 5 4 3 T1 6 5 4 2.8 T2 6 3 1 3 T3(原程式)2023春季国际PCB技术/信息论坛120HDI板 HDI Board3 结果分析与讨论3.1 激光实验结果采用控深钻+激光钻组合工艺加工L1Ln高阶深微盲孔时，下钻深度的管控是控深钻的加工难点。下钻过浅会导致残留介厚过厚，影响激光钻加工效率及品质，出现盲孔残胶、孔型不良等问题；下钻过深则会导致激光钻时伤铜箔，甚至钻穿信号层等问题。同时，针对相同孔径不同厚径比（介层厚度不同或信号层不同）的高阶深微盲孔更需要在控深钻加工过程中管控下钻深度，从而保证不同厚径比的高阶深微盲孔在控深钻后均留有（76.2127）m的安全距离。完成控深钻后的高阶深微盲孔由于残留的介厚基本相同，激光钻加工的参数仅受孔径影响。这不仅提升了激光钻的加工效率，也有效保障了相同孔径不同厚径比高阶深微盲孔的品质稳定性。由于测试板内层叠构不对称，L15（457.2 m）高阶深微盲孔在C面、S面的介厚及厚径比不同，因此控深钻时两面的下钻深度也不同。图5分别为完成控深钻后的L14（355.6 m）与L15（457.2 m）高阶深微盲孔在C、S面的切片图，其中，L15（457.2 m）高阶深微盲孔在C、S面的下钻深度因介厚不同而有所不同。控深钻和激光钻之间存在的对位偏差是控深钻+激光钻组合工艺的另一管控难点。严重的对位偏差会导致高阶深微盲孔孔型不良，影响其上下孔径比，进而影响电镀品质，出现电镀蟹脚、ICD等异常。图6分别为127 m盲孔、L14（355.6 m）与L5（457.2 m）高阶深微盲孔激光钻后的切片图，其中L15（457.2 m）高阶深微盲孔控深钻与激光钻就存在轻微的对位偏差。方案 加工方法 加工参数 1 直流闪镀+脉冲加镀 2#闪镀:7ASF50 min VCP:14ASF0.75 m/min2 cycle;AR20:1 2 直流闪镀+脉冲加镀 2#闪镀:7ASF50 min VCP:14ASF0.5 m/min2 cycle;AR20:1 3 直流闪镀+脉冲加镀 2#闪镀:7ASF50 min VCP:14ASF0.5 m/min2 cycle;AR20:1T1 表3 通盲共镀的加工方法及参数表4 可靠性测试项目、条件及评价标准测试项目 测试条件 评价标准 热应力 温度:(2885）,时间:（1011）s,漂锡次数:3次 外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象;测试后切片孔壁无断裂,基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷。无铅回流焊 峰温(2605）,217 时间（90150）s,255 时间:（2030）s,回流5次及回流10次外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象;测试后切片孔壁无断裂,基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷。冷热冲击 预处理:5次无铅回流焊 缺省环境条件:-55+125,200个循环及400个循环 在第一个循环和完成循环测试后测低阻值,且阻值变化小于10%;外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象;环境测试后,切片孔壁无断裂,基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷。121HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛表5 127 m盲孔与高阶深微盲孔的切片数据 图6 127 m盲孔与高阶深微盲孔激光钻后切片图3.2 电镀实验结果由于测试板叠构不对称，L15高阶深微盲孔S面厚径比大于C面，因此电镀3种方案的实验结果均取自S面切片。实验方案1中VCP线速0.75 m/min，实际制作结果显示，3种孔径的盲孔无电镀蟹脚、残胶、镀铜不良等异常，孔径比、镀铜TP以及通孔的孔壁质量、镀铜TP均满足厂内品质管控要求，但是通孔平均铜厚23.125 m，L15高阶深微盲孔最小孔铜14.615 m。异常原因分析为VCP线速较快，电镀时间不足。实验方案2中VCP线速0.55 m/min，实际制作结果显示，3种孔径的盲孔孔铜厚度、孔径比、镀铜TP以及通孔的孔铜厚度、孔壁质量、镀铜TP均满足厂内品质管控要求。2种孔径的高阶深微盲孔无电镀蟹脚、残胶、镀铜不良等异常，但是127 m盲孔结晶严重不良，甚至出现封孔异常。异常原因分析为降低VCP线速，增加电镀时间后，127 m盲孔孔口铜厚过厚、孔径偏小，严重影响了孔口位置的药水交换。图5 高阶深微盲孔控深钻后切片图孔径规格 m 盲孔面次 实测孔径m 介厚m 里铜悬空m 玻纤突出m 上孔径m 下孔径m 孔径比 其他异常 判定 127 S 119.4 76.2 7.7 10.3 139.4 99 71.0%无 允收 355.6 S 368.3 375.9 6.9 14.6 387.3 310.7 80.2%无 允收 457.2 S 444.5 533.4 3.5 7 452.2 379.1 83.8%无 允收 2023春季国际PCB技术/信息论坛122HDI板 HDI Board表6 方案1电镀加工后盲孔及通孔切片数据 盲孔孔径 m 面铜厚度m 孔铜厚度 m 里铜悬孔 m 玻纤突出m 上孔径m 下孔径m 孔径比 镀铜TP 其他异常 判定 127 45.2 47.3 41.3 42.4 42.7 34.2 41.2 43.8 6 6.9 154.9 140.3 90.57%91.17%无 ACC 355.6 50.9 51.4 24.8 23.4 23.2 21.1 23.8 24.0 4.3 12 380.4 309.8 81.44%94.73%无 457.2 48.6 45.9 20.8 21.4 16.8 14.6 20.8 20.0 4.3 10.3 438 383.8 87.63%75.66%无 REJ 通孔孔径mm 面铜厚度m 孔铜厚度 m 孔粗m 玻纤发白m 灯芯m 凹蚀/负凹蚀 m 镀铜TP 其他异常 判定 孔口 孔中 0.2 41.8 43.7 23.2 24.8 23.2 23.2 21.6 22.4 14.6 9.5 4.3 12.9 6 100%无 REJ ACC 表6 方案1电镀加工后盲孔及通孔切片数据图7 方案1电镀加工后盲孔及通孔切片图表7 方案2电镀加工后盲孔及通孔切片数据图8 方案2电镀加工后盲孔及通孔切片图盲孔孔径 m 面铜厚度m 孔铜厚度 m 里铜悬孔 m 玻纤突出m 上孔径m 下孔径m 孔径比 镀铜TP 其他异常 判定 127 59.3 61.5 51.3 46.9 33.8 45.4 50.7 48.1 7.1 5.8 148.7 136.4 91.73%81.32%有 REJ 355.6 60.7 57.4 35.1 34.85 26.7 28.1 37.6 36.7 4.8 9.4 381.2 312.6 82.00%78.98%无 ACC457.2 57.1 58.2 30.6 36.4 28.9 25.6 35.4 33.2 4.8 11.1 449.5 361.8 80.49%79.38%无 ACC通孔孔径mm 面铜厚度m 孔铜厚度 m孔粗m 玻纤发白m 灯芯m 凹蚀/负凹蚀 m 镀铜TP 其他异常 判定 孔口 孔中 0.2 54.2 53.4 30.1 33.4 28.4 27.9 29.8 32.6 8.6 57.7 22.4/89.38%无 ACC 123HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛实验方案3中VCP线速0.55 m/min，波形T1在波形AR20:1基础上优化部分反向电流段为直流段。实际制作结果显示，3种孔径的盲孔无电镀蟹脚、残胶、镀铜不良等异常，且孔铜厚度、孔径比、镀铜TP以及通孔的孔铜厚度、孔壁质量、镀铜TP均满足厂内品质管控要求。虽然T1波形会降低通孔的深镀能力（方案3通孔镀铜TP较方案2下降近10%），但却能明显改善盲孔的结晶品质及深镀能力。表8 方案3电镀加工后盲孔及通孔切片数据图9 方案3电镀加工后盲孔及通孔切片图3.3 可靠性测试结果（1）热应力测试结果3次热应力测试后，测试样品外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象，切片孔壁无断裂，基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷，判定合格。切片如下图10所示。图10 3次热应力后通孔通孔及盲孔切片图（2）无铅回流焊测试结果5次、10次无铅回流焊测试后，测试样品外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象，切片孔壁无断裂，基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷，判定合格。切片如下图11所示。表8 方案3电镀加工后盲孔及通孔切片数据 盲孔孔径 m 面铜厚度m 孔铜厚度 m 里铜悬孔 m 玻纤突出m 上孔径m 下孔径m 孔径比 镀铜TP其他异常 判定 127 62 61.1 42.2 39 33.8 39 35.5 43.9 6.9 7.7 164.4 162.1 98.60%90.68%无 ACC 355.6 53.9 55.7 38.3 34.8 30 34.8 31.5 31.7 5.2 8.7 385.5 312.4 81.04%94.58%无 457.2 57.4 59.1 32.4 34.8 29.6 23.6 33.1 30.5 5.2 10.4 445.2 361.7 81.24%82.29%无 通孔孔径mm面铜厚度m 孔铜厚度 m 孔粗m 玻纤发白m 灯芯m 凹蚀/负凹蚀 m 镀铜TP其他异常 判定 孔口 孔中 0.2 54.2 50.8 31.4 28.4 24.8 26 33.38 31.8 9.5 29.3 18.9/81.29%无 ACCACCACC2023春季国际PCB技术/信息论坛124HDI板 HDI Board图11 5次、10次无铅回流焊后通孔及盲孔切片图（3）冷热冲击测试结果冷热冲击200 cycle及400 cycle后，测试样品外观无起泡、阻焊膜剥落等异常现象，切片孔壁无断裂，基材无分层、深微孔底部无微裂纹等缺陷。同时，在第一个循环和完成循环测试后测低阻值，200 cycle阻值变化Max0.53%，400 cycle阻值变化Max1.16%，均小于10，判定合格。阻值如下表9所示，切片如下图12所示。表9 冷热冲击测试前后低阻值及阻值变化率图12 冷热冲击200及400 cycle后通孔及盲孔切片图样品 项目 通孔(0.2 mm)L1-2(127 m)L1-4(355.6 m)L1-5(457.2 m)C面 S 面 C面 S 面 C面 S 面 1#Cycle1高温段/kohm 18.71 6.827 6.727 15.29 15.69 3.878 6.107 Cycle200高温段/kohm 18.81 6.83 6.729 15.29 15.68 3.887 6.122 Cycle200阻值变化率/%0.53%0.04%0.03%0.00%-0.06%0.23%0.25%Cycle1高温段/kohm 18.95 6.797 6.731 14.55 15.59 8.07 8.326 Cycle400高温段/kohm 19.17 6.788 6.715 14.55 15.59 8.067 8.326 Cycle400阻值变化率/%1.16%-0.13%-0.24%0.00%0.00%-0.04%0.00%2#Cycle1高温段/kohm 20.38 7.27 7.045 15.21 16.14 8.197 8.542 Cycle200高温段/kohm 20.47 7.277 7.057 15.21 16.15 8.192 8.539 Cycle200阻值变化率/%0.44%0.10%0.17%0.00%0.06%-0.06%-0.04%Cycle1高温段/kohm 20.37 7.31 6.981 15.35 16.3 8.213 8.656 Cycle400高温段/kohm 20.6 7.306 6.988 15.35 16.3 8.205 8.655 Cycle400阻值变化率/%1.13%-0.05%0.10%0.00%0.00%-0.10%-0.01%125HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛4 结论（1）采用控深钻+激光钻的组合工艺加工L1Ln高阶深微盲孔，需重点管控控深钻下钻深度及控深钻与激光钻的对位偏差。（2）由于通孔与盲孔结构不同，为兼顾通盲共镀时通、盲孔品质，可以采用直流闪镀+脉冲加镀的方法加工。（3）通盲共镀的效果受脉冲电镀工艺中线速及脉冲波形的影响，较高的线速可以提升通孔TP及盲孔品质，但会导致高阶深微盲孔及通孔铜厚不足；脉冲波形对通、盲孔品质影响较大，通过调整直流与反向电流的组合以平衡通孔镀铜TP及盲孔品质。（4）经热应力（3次）、回流焊（5次及10次）以及冷热冲击（200 cycle及400 cycle），0.127 mm盲孔、L1Ln高阶深微盲孔及高厚径比通孔的信赖性测试结果均满足IPC标准要求，无可靠性异常。参考文献1 宁敏洁.HDI印制电路板通孔电镀和盲孔填铜共镀技术的研究D.电子科技大学,2013.2 刘佳.HDI板通孔与盲孔同步填孔电镀工艺研究D.重庆大学,2016.3 刘梦茹.高阶深微盲孔加工方法研究J.印制电路信息,2022,3:26-30.4 何罗生,陈长平,何醒荣.高阶深微盲孔激光烧蚀工艺研究J.2021秋季国际PCB技术/信息论坛,2021:60-69.5 窦维平.利用电镀铜填充微米盲孔与通孔之应用J.复旦学报(自然科学版),2012,51(2):131-138.第一作者简介钟明君，材料学硕士研究生，工程师，主要从事PCB新产品开发、新项目导入工作。