多阶盲槽混压板关键技术研究.pdf

157特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛多阶盲槽混压板关键技术研究 Paper Code:S-052 唐成华 王 强 黄建国 张长明 张林武（深圳市博敏电子有限公司，广东 深圳 518000）摘 要 高频混压板不但解决了高频信号稳定性，又降低了材料整体的成本，得到广泛应用；但随着功放等大功率器件的高散热需求，还需要埋嵌铜块进行散热；为节省安装空间，减少连接损耗，特殊封装器件需要下沉安装，导通铜块和连接微带线需要两个平面，需要二阶盲槽来实现安装需求。文章主要介绍一种高频混压埋铜块板，包括多次控深盲孔设计，不同深度控深揭盖的技术，铜基树脂塞孔，激光控深的研究，为重点关键流程提供制作方法及解决方案。关键词 高频混压；高导热；埋铜；板翘；控深揭盖 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0157-07 Research on key technologies of multi-stage blind groove mixing plateTang Chenghua Wang Qiang Huang jiangGuo Zhang Changming Zhang Linwu Abstract High-frequency mixing plate not only solves the stability of high-frequency signal,but also reduces the overall cost of materials,and is widely used.However,with the high heat dissipation requirements of high-power devices such as power amplifiers,it is also necessary to embed copper blocks for heat dissipation.In order to save installation space and reduce connection loss,special packaged devices need to be sunken for installation,two planes are required to turn on the copper block and connect the microstrip line,and a second-order blind slot is required to achieve the installation requirements.This paper mainly introduces a high-frequency mixed-pressed buried copper block plate,including multiple depth control blind hole design,different depth control uncover technology,copper-based resin plug hole,laser depth control research,and provides production methods and solutions for key processes.Key words High Frequency Mixing;High Thermal Conductivity;Buried Copper;Plate Warping;Depth Control Uncovered0 前言随着电子产品多功能、高集成度的发展，促进了PCB高密度、多样化结构设计；面向高频混压产品，高频大功率器件的散热需求，PCB设计高度集成化；信号层需要使用到性能稳定且成本较高的PTFE材料，满足高频信号稳定性的需求；不走高频信号的层次使用普通FR-4材料，节省成本；芯片等特殊封装器件安装位置需要高导热，需要埋铜块；器件引脚需要打线连接内层微带线，为节省安装空间，器件需要下沉安装，底部安装在铜块上散热，引脚需要连接内层微带线，至少需要两个平面提供安装；需要设计二阶盲槽，实现高导热、小型化、模块化等功能，减少不同模2023春季国际PCB技术/信息论坛158特种印制板制造技术 Special PCB technology块间的连接损耗。文章介绍一款10层高频混压铜基板，高导热，多次控深盲孔，不同深度控深揭盖，讲解制作过程中的技术难点及解决方案。1 产品解析从压合结构示意图1可以看出，该产品盲孔互联层较多，内层子板的系数需要考虑多次压合的涨缩匹配性；高频PTFE混压FR-4，埋铜基，板翘影响较大；对后工序控深钻导通铜基有很大影响；底层有一个二阶盲槽，需要先揭盖露出L6线路，然后再L6的平面上继续揭盖露出L4铜基，揭盖方式的选择非常关键。图11 产产品品解解析析 序号 项目 具体参数 1 板材 PTFE:TSM-DS3 FR-4:S1000-2M 铜基:T2紫铜 2 板厚 （1.60.16）mm 3 层次 10 4 最小下钻孔径 通孔0.25 mm、盲孔0.15 mm 5 厚径比 通孔6:1、控深钻孔1:1 6 孔铜 单点最小20,平均25 7 内外层最小线宽/线距 0.127/0.127 8 揭盖底部 铜基平整度 小于0.2 mm 9 盲孔互联类型 L13、L16、L18、L910、L810、L410、L48 10 其他工艺 树脂塞孔、背钻、控深钻、多次 盲槽 159特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛 图2 图32 过程难点及解决方案2.1 工程资料策划与流程设计该产品的盲孔层较多，并且设计有交叉盲孔，只能通过控深钻和背钻来实现层间互联。经过工程资料处理对比和筛选，最终确认如下图压合结构如图3，L13层盲孔通过控深钻实现导通，L18层盲孔需要压合后钻孔，L16层盲孔需要先钻L18层盲孔，然后背钻掉L78层实现；L910层盲孔可以使用子板钻孔完成，L810层盲孔通过控深钻完成；L410层盲孔通过控深钻完成，L48层盲孔需要一次压合后控深钻导通完成盲槽A位置介质层较薄，且底部无线路，只需要揭盖露出铜基，可以使用激光烧介质完成；盲槽B位置需要控深吃掉铜基0.1 mm厚度，可以使用机械控深完成；盲槽C和D属于二阶盲槽，只能先揭盖露出D盲槽底部线路，然后在D的平面上激光烧介质露出C盲槽，因D盲槽介质较深，只能使用机械控深+激光控深组合的方式完成揭盖1工艺流程设计：子板（第一次压合的芯板L12层、L78层）：开料烤板内层图形内层蚀刻内层AOI棕化子板（L34层）：开料钻孔单面贴胶带树脂塞孔树脂研磨火山灰磨板压合子板（L56层）：开料烤板内层图形内层蚀刻内层AOI贴高温膜激光开窗棕化次外层（L18层）：压合除流胶钻盲孔控深钻等离子沉铜板电填孔电镀镀锡背钻蚀刻退锡树脂塞孔树脂研磨内层图形内层蚀刻内层AOI烤板棕化外层流程：压合除流胶减铜控深铣压板翘-钻盲孔控深钻等离子沉铜板电填孔电镀-树脂塞孔树脂研磨POVF沉铜板电外层图形外层蚀刻外层AOI阻焊图形字符印刷二次钻孔机械控深铣激光控深揭盖等离子镍钯金飞测电铣成品检查图4 2023春季国际PCB技术/信息论坛160特种印制板制造技术 Special PCB technology2.2 内层与压合内层开料后烤板，内层子板先投料L12层、L56层和L7-8层，预防系数考虑到两次压合的叠加，最终计算出纬向+5/万，经向+7/万的系数生产内层子板；L34层铜基层因有树脂塞孔和研磨流程，磨板后本身会拉伸，需要考虑缩小系数，按照纬向+3.5/万，经向+5.5/万的系数生产压合使用油压机，指定同一台压机生产，保证压合后涨缩系数一致性。考虑到PTFE板材材料较软，FR-28的半固化片流动性较好，且层间介质厚度均匀性影响电气性能2，压力不宜过大，且覆形效果不能太明显，在100120度时的升温速率降低至1.5度/分钟，压力设定450PSI,压合排板时上下放置铝片缓冲，保证压合填胶饱满性和平整度。总共生产16块板，第一次压合X-RAY打靶后使用二次元全测系数，收集整理分析，计算第一次压合后涨缩系数为纬向+2/万,经向+3/万，为后面的二次压合提供较准确的数据参考，如表1所示。最后一次压合后测量板厚均匀性如图5。第二次压合L910层芯板厚度只有0.1 mm，盲孔如果策划树脂塞孔完成，研磨时势必会造成板材变形拉伸问题，无法精确地匹配其他层系数；需要取消树脂塞孔，策划压合PP填胶，避免研磨变形问题；为满足压合填胶的饱满度，盲孔孔径改小到0.15 mm，压合时L9-10层朝下排版，在L10层贴高温膜保护，阻挡PP溢胶，保证填胶饱满性。表1 压合涨缩值统计（单位：万份之）图52.3 揭盖位置结合力揭盖位置的设计，传统的设计方式需要在内层芯板预盲铣，放垫片缓冲，线路面使用高温膜保护，防止溢胶上焊盘。此板焊接面的两个盲槽C和D在同一个位置，内层芯板厚度较薄，无法内层预盲铣的方式做出，需要在L6层贴高温胶带保护焊盘，外层机械控深+激光控深方式完成第一个盲槽，然后在L6层基材上激光控深完成第二个盲槽；薄介质PTFE板材空腔位置容易分层起泡，特别是树脂塞孔烤板高温过程；沉铜等离子高真空度的环境下，容易使空腔内空气膨胀分层；需要试样验证，过程数据收集：方案1：正常在L6层贴高温胶带，PP开窗，压合后未分层；沉铜等离子后分层起泡；在揭盖位置的对应区域增加控深导气孔，有助于空腔内气体排出；但仍然无法解决分层起泡问题，如图6。压合类型 层次 压合前系数 压合后系数 纬向 经向 纬向 经向 第一次压合 L12层、L34层L56层、L78层 5 7 2 3 第二次压合 L18层、L910层 2 3 1 1.5 161特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛图6方案2、正常在L6层贴高温胶带，PP开窗，L7-8层芯板对应开窗位置钻两个0.2 mm的导气孔，压合排板时在高温胶带上涂覆树脂油墨，保证空腔内气体排出，并且使揭盖位置的高温胶带通过树脂油墨与次外层芯板粘合固化，有效改善薄介质PTFE大面积揭盖区域分层起泡，沉铜等离子后检查和树脂塞孔烤板后检查均未发现分层起泡现象，如图7；揭盖后成品板做5次回流焊测试均为发现分层起泡，如图8。图7 图82.4 铜基板树脂塞孔内层L3-4层是纯铜基板设计，为了避免整板导通短路问题，需要在通孔对应的铜块位置进行绝缘；铜块预先钻大孔，大孔树脂塞孔绝缘；外层通孔钻小孔，保证外层通孔钻在树脂上，不要接触到铜块导致短路；综上所述，考虑到过程偏孔和对位偏差问题，以及过孔与铜块的电气安全距离，铜基板钻大孔的孔径比通孔孔径单边大0.5 mm。效果如图9所示另外需要考虑的铜基上的孔径太大，一般都有1.3 mm以上孔径，不同于常规过孔树脂塞孔的小孔，大孔树脂塞孔容易漏油；塞孔不饱满或空洞气泡均会导致沉铜时渗药水短路问题；策划塞孔前单面贴高温膜，防止树脂漏油，形成盲塞的效果；塞孔铝片孔径比铜基孔径单边小0.1 mm，减少孔边聚油粘网；适当延长抽真空时间，避免空洞气泡。具体参数如表2。2023春季国际PCB技术/信息论坛162特种印制板制造技术 Special PCB technology图9表22.5 控深钻盲孔该产品有4次控深钻，盲孔厚径比接近1:1，对于控深钻的深度公差控制非常关键，沉铜电镀的深镀能力需要特别关注；L13层盲孔深度理论0.32 mm，L4-8层盲孔深度理论0.56 mm，L410层盲孔深度理论0.79 mm，L810层盲孔深度理论0.30 mm；设计的理论控深钻深度，实际压合后因为板翘和介质不均匀等问题会影响控深精度。压合结构设计的本身就是不对称结构，压合后板翘需要改善，否则容易导致控深太浅无法导通铜基，控深太深增加了电镀难度，容易导致孔底无铜；压合后板子需要翘曲整平，因铜基板材质较硬，整平效果不佳；需要在工艺边做控深铣，每个PCS的工艺边控深铣到铜基，充分释放应力；然后再返压板翘，保证板子平整度，如图10所示，红色箭头位置是控深工艺边；翘曲整平后做控深钻，上面盖冷冲板加铝片，先钻4个角的工艺边，做切片测量好深度后再钻板内孔。盲孔电镀时深度太深，药水贯穿性不佳，沉铜插架时需要斜插，角度控制在1015度，使深盲孔孔底药水交换，充分湿润；电镀需要使用脉冲电镀，反向电流比3:1，时间比,1:20，电镀前处理除油、微蚀缸震动频率适当调整，延长震动时间，震20秒停5秒。盲孔电镀后效果如图11。2.6 激光控深此产品有三个位置需要使用到激光控深，其中D盲槽因为底部贴了高温膜保护，并且PP已经开窗，只需要沿着盲槽边缘切割路径走一圈即可完成揭盖；A和C盲槽均需要激光填充后烧掉所有介质层，露出底部铜基，激光能量控制较难。当激光填充成块状时，切割后边缘容易形成炭黑物质，并且底部铜层容易氧化发黑；需要使用分步激光制作；机理分析：分两步激光打，第一步激光能量聚集在板材表面只打掉表层80%的介质层，第二步激光打掉剩余20%的介质层，第二步激光偏置1.8 mm可以使激光聚集的光斑点不在板面上，而是在板面上方1.8 mm的位置聚集，到达板面后激光光斑会增大，相对聚焦点位置而言，激光会变的柔和，分7枪多次切割，即保证了可以切割到底部露出焊盘，又可以保证不伤及铜面和基材，如图12示意图。序号 类型 具体参数 1 铝片设计 比塞孔孔径单边小0.1 mm 2 单面贴膜厚度 0.1 mm 3 抽真空时间60分钟 4 网距（610）mm 5 塞孔刮印压力 6 kg/cm2 6 刮印速度 4格 7 刮印角度 15 8 塞孔覆墨压力 4 kg/cm2 9 覆墨速度 6格 163特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛图11 图10 3 结论文章通过分析多阶盲槽混压板的制作难点，优化设计，制定出管控要点。特别是在内层系数的掌控、压合结构与多次盲孔的设计、薄介质PTFE大面积揭盖区域分层起泡改善、激光控深的炭黑改善等关键制程进行充分的验证与控制，成功地研制了多次控深盲孔多次揭盖的高频混压铜基板，其制作经验与实现手段值得业界同行的借鉴。参考文献1牛顺义,朱忠翰,沈岳峰,许文涛.一种开盲槽及底部含有金属图形的多层微波板制作方法J.印制电路信息,2020,28(05):30-32.2 杨维生.高频多层PCB用粘结片现状及展望J.覆铜板资讯,2016(05).第一作者简介唐成华，深圳市博敏电子有限公司研发高级工程师，主要从事新技术、新产品的研发。图12