高频板密集孔分层改善研究.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛140特种印制板制造技术 Special PCB technology高频板密集孔分层改善研究 Paper Code:S-002 周 飞 钟岳松 张 恒（深圳牧泰莱电路技术有限公司，广东 深圳 518000）摘 要 随着电子产品高频化的发展，高频产品的PCB复杂度也越来越高,常见的高频信号传输线类型以微带线为基础在微带线两侧铺地形成共面波导传输线，在传输线两侧设计密集接地过孔做信号屏蔽，实现上下地层连接，传输线上的信号通过两侧地孔回流减少相邻高频信号的串扰，此类设计高多层产品形成高密度的盲孔、POFV工艺，产品过回流焊时受热易分层；文章以罗杰斯4系碳氢树脂类的热固性材料加工的高频PCB为例，采用不同CTE树脂堵孔及加工方案进行验证解决高频板密集盲埋孔、盘中孔回流焊分层的问题，满足产品可靠性需求。关键词 高频；接地过孔；盲孔；POFV；CTE；树脂；回流焊；分层 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0141-05 Study on improvement of dense hole stratification in high frequency plateZhou Fei Zhong Yuesong zhang heng Abstract With the development of high-frequency electronic products,PCB complexity of high-frequency products is also getting higher and higher.The common type of high-frequency signal transmission line is based on microstrip line.Coplanar waveguide transmission line is formed by laying ground on both sides of microstrip line,and dense grounding holes are designed on both sides of the transmission line for signal shielding to realize the connection between the upper and lower strata.The signal on the transmission line can reduce the crosstalk of adjacent high frequency signals through the backflow of both sides of the ground hole.This kind of high multi-layer products form high density blind hole,POFV process,and the product is easy to stratify when over reflow welding.In this paper,the high frequency PCB processed by Rogers 4 series hydrocarbon-resin thermosetting materials is taken as an example.Different CTE resin plugging and processing schemes are used to verify the problem of dense blind buried holes in the high frequency plate and the layering by reflow welding of intraday holes,so as to meet the reliability requirements of the product.Key words High Frequency;Ground Over Hole;Blind Buried Hole;Disc Hole;CTE;Resin;Reflow Welding;Layering0 前言随着电子产品高频化的发展，高频产品的PCB复杂度也越来越高,目前主要以聚四氟乙烯热塑性材料和碳氢树脂类的热固性材料加工的高频PCB产品占据的绝大部分市场，常见的高频信号传输线类型以微带线为基础在微带线两侧铺地形成共面波导传输线，此类设计在传输线两侧设计密集接地过孔做信号屏蔽，实现上下地层连接，传输线上的信号通过141特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛两侧地孔回流减少相邻高频信号的串扰，以多层产品为例为给信号提供就近回路此类设计形成薄芯板、盲埋孔设计，共面波导传输类型上下地层还设计大量过孔作为热传导路径，因此形成高密度的盲孔、POFV工艺，由于高频材料与堵孔所采用的树脂两者Tg与CTE存在一定差异，产品过回流焊时受热易分层，此类设计的多层高频产品给印制PCB加工及产品可靠性带来一定挑战。1 案列1.1 不良板为罗杰斯碳氢树脂类的热固性材料的四层板，芯板采用介质厚度0.508 mm的Rogers4350B，层间半固化采用2张Rogers4450F，1-2盲孔、3-4盲、盘中孔设计，单PCS孔数12708个，密集孔位置盘中孔孔径0.45 mm，1-2盲孔孔径0.5 mm，密集孔位置孔壁间距0.249 mm，如下所示：1.2 不良现象1.3 初步分析产品为四层板结构芯板采用介质厚度0.058 mm的Rogers4350B，层间半固化采用Rogers4450F,整板密集孔设计，盲孔及盘中孔树脂堵孔填平,材料性能参数如下：表格1分析：Rogers 4系列产品Tg值280，树脂Tg值小，Tg前面树脂的膨胀系数差异大，与材料严重不匹配，受热过程中膨胀不匹配,导致盲孔及盘中孔密集区域层间分层。1.4 实验验证 根据上述不良分析材料热膨胀系数存在一定差异且不同步，回流焊热膨胀导致盲孔及盘中孔密集区域层间分层，实验叠构与不良产品一致，芯板采用介厚0.508 mm的Rogers4350B，层间半固化采用2张Rogers4450F，盲孔及盘中孔采产品结构示意图 密集孔设计图示 单PCS孔数 图1 图2 图3 0.508 mm0.508 mm回流焊盲孔、盘中孔密集区域分层爆板 图4 图5 图6 材料参数 材料 Tg(TMA)Z-CTE(热膨胀系数)RO4350B 280 35 ppm/(-55-288)A树脂 150 1(Tg)：100110 ppm/2023春季国际PCB技术/信息论坛142特种印制板制造技术 Special PCB technology用树脂A堵孔填平，树脂塞孔前设计棕化处理、压合棕化后烘烤等条件，并在盲孔堵孔研磨后增加POFV镀覆盖铜进行验证，如下：图7、图8 回流焊盲孔POFV铜层与树脂剥离，树脂开裂；图9 热冲击盲孔密集区域芯板裂纹回流焊密集孔区域POFV电镀铜层与树脂剥离，树脂开裂，热冲击288 10 S3次盲孔密集区域芯板裂纹；盲孔POFV镀覆盖铜可增强盲孔区域与半固化片结合力，盲孔未设计POFV镀覆盖铜工艺板件回流焊后盲孔及盘中孔密集区域层间分层，从此次试验进一步验证分层的影响度在于树脂的膨胀系数与板材的差异导致。2 改善实验2.1 从上述不良及验证实验分析分层的影响度在于树脂的膨胀系数与板材的差异导致，改善实验采用低CTE树脂B进行验证，选型树脂考虑点主要从缩小树脂TG值前后的CTE值与板材和PP的差异，材料参数如下：表格22.2 方案表格3方案说明：产品结构不变芯板采用介厚0.508 mm的Rogers4350B，层间半固化采用2张Rogers4450F，堵孔前设计棕化处理、压合棕化后烘烤等条件；3套方案均采用低CTE树脂B进行验证，方案2盲孔增加POFV镀覆盖铜；方案3将盲孔、盘中孔孔径改为0.25 mm，验证缩小孔径减少孔内的堵孔树脂量减小树脂受热后膨胀产生的应力对分层的影响。2.3 实验结果 图10 层间无分层 图11 层间无分层 图12 层间无分层 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 图7、图8回流焊盲孔POFV铜层与树脂剥离,树脂开裂;图9热冲击盲孔密集区域芯板裂纹 材料参数 材料 Tg(TMA)CTE（热膨胀系数)B树脂 170 1（Tg）：（7090）ppm/实验设计 方案 树脂类型 盲孔POFV 孔径调整 1 低CTE树脂B 否 否 2 低CTE树脂B 是 否 3 低CTE树脂B 否 12盲、34盲、盘中孔孔径改为0.25 mm 方案1回流焊(无铅制程3次)143特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛2.3.1 方案1小结采用树脂B加工，回流焊未发现POFV电镀铜层与树脂剥离、树脂有开裂问题，无分层爆板；热冲击288 10 S3次盲孔孔径0.5 mm密集区域发现层间分层；图16 层间无分层 图17 层间无分层 图18 层间无分层 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离2.3.2 方案2小结采用树脂B加工，盲孔树脂堵孔研磨后增加POFV，回流焊+热冲击288 10 S3次未发现POFV电镀铜层与树脂剥离、树脂有开裂问题，无分层爆板；方案1热冲击288 10 S3次 图13 层间分层NG 图14 层间分层NG 图15 层间分层NG方案2回流焊(无铅制程3次)方案2热冲击288!10 S3次 图16 层间无分层 图17 层间无分层 图18 层间无分层 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 图19 层间无分层 图20 层间无分层 图21 层间无分层 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离方案3回流焊(无铅制程3次)2023春季国际PCB技术/信息论坛144特种印制板制造技术 Special PCB technology方案3回流焊+热冲击288!10 S3次 图19 层间无分层 图20 层间无分层 图21 层间无分层 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离 POFV电镀铜层与树脂未剥离2.3.3 方案3小结采用树脂B加工，盲孔及盘中孔的孔径改为0.25 mm，回流焊+热冲击288 10 S3次未发现POFV电镀铜层与树脂剥离、树脂有开裂问题，无分层爆板；3 实验总结（1）分层案列的产品罗杰斯4系碳氢树脂材料的四层板，整板密集孔设计盲孔及盘中孔树脂A堵孔；将盲孔增加POFV镀覆盖铜验证，树脂A热膨胀系数大回流焊密集孔区域POFV电镀铜层与树脂剥离，树脂开裂，热冲击288 10 S3次盲孔密集区域芯板裂纹，塞孔树脂的性能直接影响产品可靠性，树脂A难以满足产品可靠性需求；（2）实验采用低CTE树脂B堵孔方案1，回流焊未发现POFV电镀铜层与树脂剥离、树脂有开裂问题，无分层爆板；热冲击288 10 S3次盲孔孔径0.5 mm密集区域发现层间分层，较大孔径密集孔设计产品可靠性仍存在一定风险，采用低CTE树脂B堵孔盲孔、盘中孔受热膨胀孔口POFV铜层与树脂剥离问题有所改善；（3）低CTE树脂B堵孔方案2和方案3，盲孔树脂堵孔研磨后增加POFV及盲孔、盘中孔缩小孔径,回流焊+热冲击288 10 S3次未发现POFV电镀铜层与树脂剥离、树脂开裂问题，无分层爆板，满足产品可靠性需求。（1）通过实验验证，通过调整树脂配方，改善树脂TG值和TG值前后CTE值，工艺调整为POFV工艺可以有效降低大孔径密集型设计层间分层爆板的风险；改善孔径设计并采用低CTE的树脂可以规避此类混压盲埋孔和盘中孔爆板分层的风险，提高产品质量的可靠性；4 结论随着电子产品高频化的发展，目前主流的高频材料半固化片填孔性能不佳，整板大面积区域密集孔设计需要采用树脂堵孔，此类以微带线为基础在微带线两侧铺地形成共面波导传输线的高频产品，信号屏蔽接地孔以及散热等避免密集大孔径设计，高频材料与树脂的Tg以及热膨胀系数存在一定差异且不同步，回流焊热膨胀应力集中产品可靠性存在一定风险；此类产品印制PCB可采用 高Tg低CTE性能较好的树脂加工，不同孔径类型及半固化片结构的产品可设计POFV提升层间结合力，客户设计方面也可以参考小孔径方法，保证产品可靠性。第一作者简介周飞，深圳市牧泰莱电路技术有限公司任研发主管。