（应用化学专业论文）六层刚挠结合板的研发及应用.pdf

摘要 摘要 刚挠结合板是在挠性印制板上再粘接两个刚性外层，刚性层上的电路与挠性 层上的电路通过金属化孔相互连通。刚挠结合板同时兼有刚性板与挠性板的特点， 具有优良的电气性能、介电性能、耐热性，并可以移动、弯曲、扭转、实现三维 布线，具有更高的装配可靠性。因而刚挠结合板在计算机、通讯、汽车、消费类 电子产品、仪器仪表、医疗机械、航空航天等领域有广泛的应用前景。 本文研究具有h d i ( h i g hd e n s i t yi n t e r c o n n e c t ，高密度互连) 和盲埋孔结构的 刚挠结合板的关键制造工艺，对激光钻孔工艺、孔清洗工艺、化学镀铜配方和层 压工艺进行研究，并探索了新的表面品质检测方法，取得以下成果： 激光微孔加工方面：应用正交设计法对u v 激光钻孔工艺进行研究，得到了 因素对钻孔结果的非线性回归方程，经过实验验证了回归方程的正确性。研究表 明：在刚性基材和挠性基材上，脉冲宽度和脉冲频率对钻孔深度有显著影响。在 低峰长脉冲条件下，孔外的铜箔呈块状；高峰短脉冲条件下，孔外的铜箔呈飞溅 状；并且低峰长脉冲条件下的孔径小于高峰短脉冲条件下的孔径；加工盲孔时， 宜用低脉冲频率。任务水平影响钻孔后孔内钻污残余量，较低的任务水平能够形 成芯吸作用，将钻污带出减轻后续工艺的压力。 孔清洗方面：验证了等离子清洗的盲埋孔参数，分析了等离子体对聚酰亚胺 ( p i ) 、环氧树脂( e p ) 和丙烯酸树脂的不同凹蚀程度的原因。将超声波清洗和硬 板生产中常用的碱性高锰酸钾处理法结合，找到一种新的刚挠结合板去钻污工艺。 超声波清洗在高锰酸钾去钻污的过程中引入，将去钻污溶液作为超声波清洗的清 洗剂，物理作用和化学作用结合，达到孔清洗的效果。 化学镀铜方面：应用正交设计法研究了化学镀铜工艺参数和溶液配比，确定 最佳参数和工艺：c f 4 0 6 a ：2 5 l ；c f 4 0 6 b ：7 5 l ；温度：3 0 ；时间：2 0 r a i n 。 层压方面：应用正交设计法研究了层压中全压阶段的工艺参数，确定全压阶 段最佳参数和工艺：压力：7 0k g c n l ；温度：1 9 0 ；时间：2 0 m i n 。 将研究工艺参数应用于工业化生产中，实现了量产，取得了良好效果。并根 据生产需要，研究了新的表面品质检测方法，即孔隙率检测法。该项检验方法已 应用于公司产品表面检测，取得良好效果，并申请了中国发明专利。 关键词：刚挠结合板，激光微孔加工，孔清洗，化学镀铜，层压 a b s t r a c t a b s t r a c t r i g i d - f l e xp c bi sd e r i v e db yb o n d i n gt w or i g i do u t e ro nf l e x i b l ep c b t h ec i r c u i t o ft h er i g i dl a y e ra n df l e x i b l el a y e ra r ec o n n e c t e db ym e t a l i z e dh o l e r i g i d f l e xp c b b o t h l yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fr i g i dp c ba n df l e x i b l ep c b ，w i t he x c e l l e n te l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s b e c a u s ei tc a nm o v e ，b e n d ，t o r s i o n ，a n di m p l e m e n t t h r e e - d i m e n s i o n a lw i r i n gw i t hah i g h e ra s s e m b l yr e l i a b i l i t y , r i g i d f l e xp c bh a sb e e n f o u n dm a n ya p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fe l e c t r o n i c sp r o d u c t ss u c ha sc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n s ，a u t o m o t i v e ， c o n s u m e re l e c t r o n i c s ， i n s t r u m e n t a t i o n , m e d i c a l m a c h i n e r ya n da e r o s p a c e t h ek e yt e c h n o l o g yo fb u r i e d b l i n dv i ap r o c e s sf o rt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f h i g l ld e n s i t yi n t e r c o r m e c t i o n ( h d i ) r i g i d - f l e xb o a r dw a sr e s e a r c h e di n c l u d i n gl a s e r d r i l l i n gp r o c e s s ，h o l ec l e a n i n gp r o c e s s ，e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n ga n dl a m i n a t i o n p r o c e s s a n dt h ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s u vl a s e rd r i l l i n gt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n t h en o n l i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o no ff a c t o r sa n dd r i l l i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ，a n di t s c o r r e c t n e s sw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep u l s ew i d t ha n d p u l s ef r e q u e n c yh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h er i g i ds u b s t r a t ea n df l e x i b l es u b s t r a t e t h ec o p p e rf o i lo nt h eo u t e ro f h o l ef o r m sg l o ba tt h ec o n d i t i o n so fl o wp e a kl o n gp u l s e ， w h i l ei ts p r e a d sr a d i a l l ya tt h ec o n d i t i o n so fh i g hp e a ks h o r tp u l s e a n dt h ea p e r t u r ea t l o wp e a kl o n gp u l s ei sl e s st h a nt h eo n ea th ig hp e a ks h o r tp u l s e l o wp u l s ef r e q u e n c y d o e sn o tf i tb l i n dv i ap r o c e s s t h el e v e lo ft a s kh a si m p a c to nt h er e s i d u a ls m e a r t h e l o w e rl e v e l so ft a s ka n df a s t e rs w i n gs p e e dc a r lp u l la n db r i n gd r i l l i n gs m e a ro u to ft h e h o l e ，w h i c ha l l e v i a t e st h es t r e s so ft h ef o l l o w u pp r o c e s s t h ep a r a m e t e r so fp l a s m ae t c h i n gb l i n d v i ah o l ew e r ev e r i f i e d ，a n dt h er e a s o n s w e r ea l s oa n a l y s e df o rt h ev a r y i n gd e g r e e so fp l a s m ae t c h i n gp i ，e pa n da c r y l i cr e s i n a n e wp r o c e s so fr i g i d - f l e xp c bd e s m e a rp r o c e s sw a sf o u n db yc o m b i n i n gu l t r a s o n i c c l e a n i n gw i t ha l k a l i n ep o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e ，w h i c hi sc o m m o n l yu s e di nr i g i dp c b p r o d u c t i o n u l t r a s o n i cc l e a n i n gw a si n t r o d u c e di nt h ed e s m e a rp r o c e s s ，a n du l t r a s o n i c i i a b s t r a c t c l e a n i n gs o l u t i o nw a su s e da sc l e a n s i n ga g e n t s t h eg o o de f f e c to fp o r ec l e a n s i n gw a s o b t a i n e db yc o m b i n i n gp h y s i c a lr e a c t i o na n dc h e m i c a lr e a c t i o n t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds o l u t i o nr a t i oo fe l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gw e r e r e s e a r c h e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n ，a n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa n d p r o c e s s e sw e r ea sf o l l o w s c f 4 0 6 a ：2 5 9 l ；c f 4 0 6 b ：7 5 9 l ；t e m p e r a t u r e ：3 0 。c ；t i m e ：2 0 m i n t h ep r o c e s s p a r a m e t e r s o ff u l l p r e s s u r e p h a s ei n l a m i n a t i o n p r o c e sw e r e r e s a e r c h e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n , a n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa n d p r o c e s s e sw e r ea sf o l l o w s p r e s s u r e ：7 0k g c 1 t i 乏；t e m p e r a t u r e ：19 0 ：t i m e ：2 0 m i n m a s sp r o d u c t i o nw e r ei m p l e m e n t e d ，w i t ht h ea b o v ep r o c e s sp a r a m e t e r su s i n gi n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , a n dg o o dr e s u l t sw e r eo b t a i n e d c o n s i d e r i n gt h ed e m a n do ft h e s u r f a c eq u a l i t yd e t e c t i o n ，an e wd e t e c t i o nm e t h o d sh a db e e ni n v e n t e d t h ei n v e n t i o n p a t e n th a sb e e na p p l i e d k e y w o r d s ：r i g i d - f l e xp c b ，l a s e rm i c r o p o r ep r o c e s s i n g ，h o l ec l e a n i n g p r o c e s s ， e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n g ，l a m i n a t i o np r o c e s s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 叁酉日期：动1 77 年争月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：圳年明日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 印制板的定义、特点和分类 1 1 1 印制板的定义 在绝缘基材上，按预定设计有选择性地加工孔和布置金属的导电图形，用于 元器件之间的连接，但不包括印刷元件，称作印制线路( p r i n t e dw i n gb o a r d ，简称 p w b ) ；将装载有元器件的印制线路板称作印制电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，简称 p c b ) 。在欧美国家通常把印制线路板统称为p c b 。 按照我国国家标准g b 2 0 3 6 9 4 ( 印制电路术语) 的解释：印制电路或印制线 路成品板统称为印制板，它包括刚性、挠性和刚挠性结合的单面、双面和多层印 制板等。它是电子设备的一种极其重要的基础组装部件。 1 1 2 印制板的特点 印制电路板是由绝缘基材、金属导线和连接不同导线、焊接元器件的“焊盘 组成。它的主要作用是支撑电子元件和实现电子元器件之间的信号连通。具有以 下的特点： 1 ) 提供集成电路等各种电子元器件固定、组装和机械支撑的载体。 2 ) 实现集成电路等各种电子元器件之间的电器连接或电绝缘，提供所要求的 电器特性，如特性阻抗等。 3 ) 为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件安装( 包括插装和表面贴装) 、检查、 维修提供识别字符和图形。 4 ) 很大地缩小了互连导线的体积和重量。 5 ) 可以采用标准化设计。 6 ) 有利于机械化、自动化生产。 1 1 3 印制线路的分类 印制线路的分类没有一个统一的标准，按照不同标准印制线路分成不同的类 电子科技大学硕士学位论文 别。 按基材材料不| 司分为纸基印制板、玻璃布基印制板、合成纤维印制板等。 按用途的不同分为民用印制板、工业用印制板和军用印制板。 按照印制电路板的层数可分为单面板，双面板，多层板等。 按特殊性可分为高t g 印制板、c t i 印制板、阻抗特殊性印制板、高频微波印 制板、h d 印制板、埋盲孔印制板、无卤印制板和集成元件印制板( 埋八元件印 制板) 。 按印制电路板所使用的绝缘基材强度可分为：刚性印制电路板、挠性印制电 路板和刚挠结合印制电路板。 本文研究的刚挠结合印制电路板，属于多层埋盲孔刚挠结台印制板。 1 2 刚挠结合板的结构、特点和分类 i2i 刚挠结合板的结构 刚挠结合板是在挠性印制板上再粘接两个刚性外层刚性层上的电路与挠性 层上的电路通过金属化孔相互连通。每块刚挠结合板有一个或多个刚性区和一个 或多个挠性区。图1 1 - 2 分别显示了典型的刚性印制板和挠性印制板，图1 3 显示了典型的刚挠结台印制扳。 图i - 3 典型的刚挠结合印制板 第一章绪论 1 2 2 刚挠结合板的特点 刚性印制板是以绝缘基材如纸、布或玻璃纤维布做填充材料或加强材料，以 酚醛树脂或环氧树脂等有机粘合剂制成的覆金属箔板，在常温下具有一定的刚性， 不易变形，如图1 1 所示。挠性印制板板是使用具有可挠曲性的薄膜如聚四氟乙烯、 聚酰亚胺、聚酯等制成的薄膜作为绝缘基材，外面粘有一层铜箔制成的，其特点 具有一定的韧性、可以挠曲、卷挠和折叠，如图1 2 所示。 刚挠结合板同时兼有刚性板与挠性板的特点，它刚柔结合，能弯曲、折叠和 收缩。具有以下的特点【1 2 l ： 1 ) 电路体积小、重量轻、稳定性高 刚挠结合电路电路板最初的设计是用于替代体积较大，难于安装的导线 束。在目前的接插( c u t t i n g e d g e ) 电子器件装配板上，刚挠结合电路通常是满足 小型化和三维立体安装的唯一解决方法。对于既薄又轻、结构紧凑复杂的器件 而言，其设计解决方案包括从单面导电线路到复杂的多层三维组装，刚挠结合 板的总重量和体积，比传统的圆导线线束方法要减少7 0 。其电路体系的刚 性部分增加这个电气系统的强度，以取得很好的机械稳定性【3 】。 2 ) 刚挠结合电路板可移动、弯曲、扭转、实现三维布纠4 】 刚挠结合板的挠性部分可移动、弯曲、扭转而不会损坏导线，可以遵从不 同形状和特殊的封装尺寸。其仅有的限制是体积空间问题，由于可以承受数十 万次的动态弯曲，挠性部分可很好地适用于连续运动或定期运动的内连系统 中，成为最终产品功能的一部分。刚性区域易于实现芯片贴装，更好的解决了 电子设备各功能模块之间的互连。 3 ) 刚挠结合电路板具有优良的电气性能、介电性能、耐热性 刚挠结合电路板提供了优良的电气性能，良好的导热性能使组件易于降 温。挠性部分较低的介电常数允许电信号快速传输，而且p i 基材具有较高的 玻璃转化温度或熔点使得组件在更高的温度下良好运行。 4 ) 刚挠结合电路板具有更高的装配可靠性 刚挠结合板减少了传统的硬板与软板内连所需的硬件，如传统的跳线插座 等，使刚挠结合板可以提供更高的装配可靠性。因为复杂的多个系统所组成的 传统内连硬件在装配时，易出现较高的组件错位率。 5 ) 制作难度大，次成本高，装拆损坏后无法修复 刚挠结合电路板制作工序复杂，特别在孔金属化和整体压制工艺，不同型 电子科技大学硕士学位论文 号的板子，所需的加工工艺相差很大，同时需要特殊的压制工装。复杂的加工 工艺，加重了生产的成本，而且在电路损坏后不易修纠5 1 。 1 2 3 刚挠结合板的分类 根据挠曲程度不同可分为：反复弯曲型r f p c b ( r i g i d f l e xp c b ) 、静态弯曲 型r f p c b 、半弯曲型r f p c b 。 根据刚性区和挠性区的不同分布可分为：对称型和非对称型r f p c b 、书本型 r f p c b 、飞尾型r f p c b 、屏蔽型r f p c b 。 根据制造方法的不同可分为：镀铜孔型r f p c b 、积层型r f p c b 6 1 。 1 3 刚挠结合板的应用 刚挠结合印制板的概念始于2 0 世纪7 0 年代。它作为一种特殊的互联技术， 最大的优点是省去电线电缆的连接安装，减少或不用接插件与端点焊接，缩小空 间与重量，减少或避免电气干扰而提高电性能，完全满足了电子设备( 产品) 向 着轻、薄短、小且多功能化方向发展的需要。刚挠结合电路板作为一种具有薄、 轻、可挠曲等特点的可满足三维组装需求的互连技术，在电子及通讯行业得到同 趋广泛的应用和重视。随着电子技术的发展，其应用会越来越广。下表1 1 所示近 年来刚挠结合板热门应用领域 7 - 9 】。 表1 - 1 刚挠结合板的应用领域 领域具体应用 计算机磁盘驱动器、传输线带、笔记本电脑、打印机等 通讯 多功能电话、手机、可视电话、传真机等 汽车控制仪表板、排气罩控制器、防护板电路、断路开关系统等 消费类电 照相机、摄像机、录像机、v c d 、d v d 、微型录音机、拾音器、计 子产品算器、健身监视器等 工业控制激光测控仪、传感器、加热线圈、复印机、电子衡器等 仪器仪表 核磁分析仪、x 光射线装置、红外线分析仪等 医疗机械理疗仪、心脏起搏器、内窥镜、超声波探测仪等 航空航天 人造卫星、雷达系统、陀螺仪、无线电通讯、黑匣子、导弹等 4 第一章绪论 1 4 刚挠结合板的制造工艺 141 传统的刚挠结合板制造工艺 刚挠结合板的制造工艺和材料有根大的关系。传统的刚挠结合板制造工艺是 以环氧玻璃布层压板及其半固化片、丙烯酸做粘接层的聚酰亚胺层压板为基础 其简要工艺流程如图1 - 4 所币【i o - 1 1 】。 l 挠性内层成氨一去腰 三二星 专 = = _ = 二二厂 = 丁 1 * * m * * m _ 鬻鐾 面a 剧接多层层匪钻孔、去钻污孔金 图1 4 多层刚挠结台扳简要 艺流挫 传统丁艺制造的刚挠结合扳其刚性和挠性部分结合性能较好，但是它仍然存 在两个缺点： 电子科技大学硕士学位论文 1 ) 所使用的聚酰亚胺薄膜改性丙烯酸粘结剂体系材料。相对于印制板材料来 说，该类型材料昂贵，限制了整个电路的成本； 2 ) 丙烯酸粘结剂具有高的z 轴膨胀系数。在经受热冲击时，在z 方向上与铜 的膨胀差异大，极易造成金属化孔的断裂，降低刚挠结合板的可靠性。 1 4 2z o n t a r 工艺 z o n t a r 工艺使用新型的低流动度或无流动度的环氧体系的半固化片材料取代 传统工艺中使用的丙烯酸类粘结剂。该工艺减少了刚性区域中丙烯酸树脂的含量， 提高了整体电路的可靠性。 1 4 3 无粘结剂的刚挠结合板制造工艺 该工艺流程和传统工艺流程相似，其挠性内核采用的是无粘结剂型，其层间 粘合剂大多使用低流动的半固化片。挠性材料采用仅由聚酰亚胺铜箔组成的无粘 接层的材料，减少了丙烯酸层数，提高了耐热冲击性和尺寸稳定性，使得高层数 ( 1 0 层以上) 的制作成为可能。 1 4 4 覆盖层部分层压工艺 在刚挠结合板层压工艺中，采用如图1 5 所示的结构，在这种结构中，挠性多 层e p $ i j 板最外边的覆盖层只伸入到刚性区中大约1 1 0 的位置，刚性外层与挠性内 层采用不流动半固化片粘接 1 2 - 1 3 】。 ii 纥东一一绘殇 i 缎乍司j 簖叫l l , l 翠孝飞封陶l li 图1 5 覆盖层部分层压示意图 6 第章绪论 由于没有覆盖层，不流动半固化片和挠性基材的结合力很好。并且去掉了粘 接刚性外层与挠性内层的两层丙烯酸粘接层以及两个覆盖层的丙烯酸粘接层，整 个刚挠结合板的热膨胀系数大大降低，提高了金属化孔的耐热冲击能力，虽然工 艺复杂且成本高，却提高了刚挠结合板的可靠性和合格率。 1 5 刚挠结合板研究状况 早在1 9 7 4 年由德国s c h o l l e re l e c t r o n i k 公司( 现为r u w e l a g 的子公司) 尝 试把挠性板热压在刚性板上，这是最初的刚挠结合板。而对刚挠结合板研究和应 用最早的是美国。由于军事电子设备的需要，美国能源部( u n i t e ds t a t e sd e p a r t m e n t o f e n e r g y ) i e 式于1 9 8 3 年立项，由美国圣代耳国家实验室( s a n d l a n a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 承接研制刚挠结合多层印制电路板。该项目研制3 年，于1 9 8 6 年结束。 该实验室以在安装过程中能经受挠曲的有金属化孔的刚挠结合多层印制电路板为 研制对象，总层数为8 层，即刚性区6 层、挠性区2 层。 8 0 年代日本在挠性电路板技术方面超过美国处于世界领先地位，随后加大刚 挠结合板的研究。两国发展的共同点是：均以聚酰亚胺和聚酯薄膜为介质，必须 能经受焊接温度。不同处是：美国主要靠军事和空间科学促进其发展，重点在于 解决刚挠结合印制电路板的制造技术；而日本则用于任何需要减少封装的领域， 尤其是消费领域【1 4 1 6 】。 现在刚挠结合板的应用范围除了军事、宇航、以扩展到民用，特别是消费类 的电子产品市场，如手机、数码相机、数字摄像机等。民用的刚挠结合板层数一 般不超过1 0 层。到目前为止，有资料报道，国外刚挠结合多层印制电路板已达2 2 层。国外的刚挠结合板研究已不仅局限于刚性区与挠性区的结合，而是更多的和 h d i 、盲埋孔、埋入无源元件等技术结合，向高密度互联、多功能方向发展。 国内刚挠结合印制电路板技术的研制开始于2 0 世纪9 0 年代初，以在安装过 程中能经受挠曲的有金属化孔的刚挠结合多层印制电路板为研究对象，其层数分 别为：6 层( 刚性区2 层，挠性区4 层) ：8 层( 刚性区4 层，挠性区4 层) ；1 0 层 ( 刚性区4 层，挠性区6 层) 。到目前为止，仅有极少数厂商能够试制刚挠结合板， 其原材料需要进口，技术指标、合格率等和国外相比都有很大差距。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 6 课题的背景及意义 从世界p c b 产品结构来看，下一代的电子系统对p c b 的要求突出表现在更加 高密度化。随着电子整机产品的多功能化、小型化、轻量化的发展，多层板、挠 性印制电路板f p c 、刚挠结合板、h d i b u m 基板、i c 封装基板等品种已成为需求 量重大的产品。 以2 0 0 8 年为例，世界p c b 产品仍以电脑及其周边产品的应用为主，所占份额 达到3 8 以上。手机市场应用的p c b 也继续占领市场，为h d i 及挠性印制电路板 f p c 、刚挠结合板的发展提供了更广阔的市场空间。 中国p c b 的民营企业、股份制企业和国有企业占中国p c b 企业总数量的9 0 以上，但其产值却不足三分之一，而另三分之二却是由数量不足1 0 的境外企业 在中国生产创造的。 中国的民营企业、股份制企业和国有企业的产品水平绝大部分处于中低档， 只有少数在生产高端产品。世界上f p c 已占整个p c b 市场的1 5 以上，美国h d i 背板生产已趋成熟，多层挠性板h d i 、刚挠结合板等占其总量的6 0 。相比之下， 国内在高档产品方面存在较大的差距，在高技术产品领域，涉足的还比较少，生 产工艺也距世界先进水平有一定的差距。近年来我国p c b 产品的外贸逆差，集中 反映在技术含量高的h d i 和f p c 等要求功能多、价格相对较高、附加值较高的高 端产品【17 1 。 元盛电子科技有限公司和电子科技大学应用化学系成立的联合攻关组在这一 领域已经有了四年的工艺摸索，积累了大量的经验，实验开发出了多款刚挠结合 板。刚挠结合多层板要做到h d i 和盲埋孔，在层压工艺、微孔加工、孔金属化工 艺等工艺上遇到困难，本文研究主要集中在层压、激光微孔加工、孔清洗和沉镀 铜工艺。通过大量研究工作，对其工艺参数和方法进行了优化，大大提高了产品 合格率，使之产业化并开拓市场。 第二章实验工艺及其原理 第二章实验工艺及其原理 本文以六层刚挠结合板为研究对象，这里以该类型板为例说明其工艺流程及 其原理。制约刚挠结合板合格率的关键技术有钻孔、孔清洗、沉镀铜和层压工艺， 下面对各工序的工艺和原理分别进行介绍。 2 1 钻孑l 工艺 在印制板制造工艺中，钻孔是基材经过处理后进行印制板生产过程的第一道 工序，孔金属化后起着连接各层线路的作用。钻孔的质量直接影响到印制板最终 产品的品质，其工艺指标是孔位准确、孔壁光洁和高效率。正确的钻孔方法和合 适的工艺参数，能得到没有腻污或腻污很少，没有撕裂，没有披峰的钻孔结果， 减轻后续去钻污工艺的压力，甚至省掉去钻污这一步。 印制电路板钻孔的方法通常包括机械冲孔、数控钻孔、化学蚀孔、等离子体 蚀孔、激光微孔加工等。现在应用最多最广的是数控钻孔和激光钻孔。 2 1 1 数控钻孔 数控钻孔是在电脑的控制下，利用不同直径的钻头按照相应的工艺参数在印 制板上得到所需的导通孔。数控钻孔的过程是：j 下向进给、停止、反向提钻。其 影响因素有： 1 ) 钻床本身的精度。 2 ) 钻头材质与加工精度。 3 ) 盖板与垫板。 4 ) 钻孔的工艺参数，有钻头直径、转速、下钻速度、进给量( 或进给转速比) 。 5 ) 加工环境，如环境因素、板材质量等。 数控钻孔能加工所有材料，对于孔径大于1 0 0 9 m 的孔加工效率高，质量好， 成本低。但随着孔径的减小，叠板层数减少，钻孔速度减慢，生产效率下降，制 作成本呈指数级增长。当孔径低于1 0 0 9 m 时，其生产成本相当高，工艺难度大， 不适合大批量的微孔生产。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 激光微孑l 加工 随着以b g a ( c s p ) 为代表的半导体封装的高密度化和倒装芯片( f c ，f l i pc h i p ) 安装技术的兴起，印制电路日趋向高密度化发展。其封装密度要求，微j , 孑l 径小 于1 0 0 9 m ，b g a 中心距仅0 8 m m ，连接盘的直径2 5 0 p m ，阻焊隔离仅2 5 i t m ，导 线间距小于5 0 5 0 p m ，微孔加工技术成为高密度化的关键技术。激光微孔加工是 目前最容易被人接受的微小孔的加工方式【1 8 2 4 1 。 1 9 9 4 年发明了极短的脉冲t e a c o z 激光和搭载高速电扫描仪( g l v a n os c a n n e r ) 的激光钻孔机，激光钻孔技术首次应用于印制电路板制造中。根据激光源的形式 大体分为远红外激光( f i r ) ，紫外激光( u v ) 以及两者结合式，各自的应用领 域有所不同。且前市场上商用激光钻孔的设备有：紫外线的n d ：y a g u v 激光机、 红外线的c 0 2 激光机、以及兼具u v i r 之变头的机种等三大类【2 5 】。 2 1 2 1 激光打孔的原理 激光束是在空间和时间上高度集中的光子流束。应用光学聚焦技术可把它汇 聚在微米量级的极小范围内，从而可获得1 0 5 1 0 1 5 w c m 2 极高的光照功率密度。 在如此高的光功率密度照射下，几乎可对任何材料实行激光打孔。n d ：y a g u v 激 光的波长是3 5 5 n m ，其最大脉冲频率为5 5 k h z ；c 0 2 激光是波长为9 4 0 0 r i m 的红外 光束，其最大脉冲能量为2 0 0 r r d 。 激光微孔加工的过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程，激光和被加 工材料相互作用，存在着许多不同的能量转换过程，包括反射、吸收、气化、再 辐射和热扩散等，其过程如下f 2 6 之s 】： 1 ) 激光束入射到材料表面在材料表面聚集热量，能量穿透材料表面到下面的 电子，很快转化为热量，这之中n d ：y a g 激光典型的吸收率是3 0 。 2 ) 如果激光强度和时间足够的话，表面开始融化。蒸发的过程致使材料表面 变成液体，并且变得粗糙，有蒸汽喷出。 3 ) 喷出的蒸汽加热到一定温度时等离子体产生，在蒸发中光子碰撞自由电子， 把它们的热量转化为电离蒸发的热能，这一阶段，大量物体从孔中喷射。 4 ) 只要光束持续作用，在热与流体动力学和激光材料的相互作用下，孔将按 照一定的方式持续增加。 激光微孔加工技术的影响因素很多，包括激光参数、激光打孔方式、加工基 材的特性等。其中激光参数包括脉冲频率、脉冲宽度、离焦量等。 l o 第二章实验工艺及其原理 2 1 2 2 脉冲c 0 。激光打孔特点 c 0 2 激光打孔的原理是光热烧蚀，即被加工的材料吸收高能量的激光，在极短 的时间加热到熔化并被蒸发掉而成孔。 由于金属介质对于c 0 2 激光反射率很高，金属本身的熔点更高，使得c 0 2 激 光无法加工金属层，该方法仅适用于有机介质的打孔，因此选用c 0 2 激光打孔应 预先用化学蚀刻的方法开窗口，且不能进行多层盲孔的加工。 c 0 2 激光通过光热烧蚀的作用钻孔，钻孔后没有及时挥发的部分可能残留在孔 内，打孔后需要进行孔的清洗，工艺相对复杂。但c 0 2 激光打孔加工速度快，成 本低，孔径越大优势越明显。 2 1 2 3n d ：y a 6 一u v 激光打孔特点 u v 激光打孔的原理是光化学烧蚀，即紫外线区所具有的高能量光子( 超过 2 e v 电子伏特) 、激光波长超过4 0 0 纳米的高能量光子起作用的结果。高能量的光 子能破坏有机材料的长分子链，成为更小的微粒，产生等离子气体，在外力的芯 吸情况之下，基板材料被快速除去而形成微孔【2 9 1 。 n d ：y g a u v 激光打孔是通过光化学烧蚀进行的，适用于各种p c b 材料的钻 孔加工，既可以打穿铜箔又可以打穿有机材料，可以加工2 5 9 m 直径的d , z l 。该法 速率相对较低，成本高，但质量好，工艺简单。 2 1 2 4 两种激光打子l 的比较 1 ) 参数比较 c 0 2 激光是波长为9 4 0 0 n m 的红外光束，脉冲宽度0 2 1 0 n s ，激光重复频 率1 4 k h z ，脉冲能量5 - 2 0 0 m j ，光点尺寸谚5 0 6 0 0 9 m ，可钻最小孔径5 0 p m 。 n d ：y g a u v 激光是波长为3 5 1 3 5 5 n m 的短脉冲紫外激光，脉冲宽度 0 3 0 1 5 0 n s ，激光重复频率1 - 5 0 k h z ，脉冲能量0 1 5 m j ，光点尺寸谚2 0 1 0 0 i _ t m ， 可钻最d , ：l 径2 0 l t m 。 2 ) 钻孔速度 n d ：y g a u v 固体激光钻孔速度比高能量的c 0 2 激光钻孔速度慢。 n d ：y g a u v 固体激光为1 0 0 0 0 孔分以内；c 0 2 激光可达3 0 0 0 0 孔分，所以 c 0 2 激光钻孔的生产效率高。 3 ) 孔型 铜对红外线波长吸收率很低，故c 0 2 红外激光不能烧蚀金属铜，需要采用 电子科技大学硕士学位论文 覆形掩膜工艺形成窗孔，才能在介质层上钻孔，且只宜加工单层盲孔。 n d ：y g a u v 固体激光为短脉冲紫外激光，波长为2 6 6 n m 和3 5 5 n m ，激光 功率密度高，可以直接在铜箔上穿( 冲) 孔，可以进行微贯通孔和盲孔的加工。 4 ) 钻孔质量 c 0 2 激光钻孔原理为激光烧蚀介质材料，能量过低钻孔后在内层铜箔表面 会出现介质材料残膜或碳化残留物，能量过高时可能出现盲孔底铜与孔介质层 分离的现象。c 0 2 激光必须加强后道工序的除残渣处理，如采用准分子 ( e x c i m e r s ) 激光或等离子等清除碳化残留物。 n d ：y g a u v 固体激光钻孔后孔内干净、无残渣，不需要进行去腻污等后 续工艺处理就可以进行化学电镀铜。 5 ) 效率 c 0 2 激光钻孔可通过调整光源的孔径一次成孑l ，打孔只需2 到1 0 个脉冲， 效率极高。具有高产出、低成本的特点。 n d ：y g a u v 激光光圈小，需要采用套孔的方式，钻一个完整的孔所需的 脉冲数在3 0 到1 2 0 之间，效率相对较低。 激光钻孔质量的好坏，跟钻孔的材料、所采用的激光源的类型和钻孔的步骤 有关，只有根据不同材料选用了适合的激光类型和钻孔步骤，才能得到好的激光 钻孑l 3 0 - 3 2 1 。 2 2 去钻污 无论是数控钻孔还是激光打孔，在加工的过程中都会产生一定的污染。例如 采用机械钻孔，在钻孔过程中的某个瞬间钻头经常会产生2 0 0 以上的高温，而在 印制板选用材料的过程中都含有某些t g ( 玻璃转化温度，g l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ，即高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，没有很固定的数值，往往 随着测定的方法和条件而改变) 小于2 0 0 的材料，这样使得钻屑熔化在孔壁上产 生钻污【3 3 1 。 通孔去钻污已有2 0 多年的历史，主要被用于多层板的p t h 及聚酰亚胺或聚四 氟乙烯等特殊基材的镀通孔去钻污处理。总的来说孔清洗工艺经历了一个从湿法 到干法的一个过渡。湿法处理包括浓铬酸、浓硫酸、高锰酸钾处理，以及p i 调整 等方法。干法处理是在真空环境下通过激光，等离子体除去孔内钻污。此法需要 专门的处理设备，处理成本高，一般在处理挠性多层板、刚挠结合多层板、聚酰 第二章实验工艺及其原理 亚胺多层板和微小孔径的刚性多层板时使用1 3 4 。 刚挠结合板中孔的位置大多位于刚挠结合区，孔壁钻污主要包括环氧树脂、 聚酰亚胺树脂、丙烯酸胶等。铬酸清洗去钻污法由于其严重的环境污染问题，现 在己无人采用；p i 调整法适用于挠性多层线路板去钻污，无法去除刚性材料产生 的钻污；浓硫酸、碱性高锰酸钾处理，主要应用于硬板的去钻污过程。本文结合 工厂生产条件，采用等离子清洗法和碱性高锰酸钾处理法。下面将对不同的处理 方法做详细介绍。 2 2 1 碱性高锰酸钾处理法 高锰酸钾具有强氧化性，能够使环氧树脂碳链氧化裂解，通过这种方法除去 环氧树脂钻污，并能环氧树脂表面蚀刻，使其表面产生细小的凹凸不平的小坑， 提高孔壁镀层与基体的结合力和对活化剂的吸附量，有利于后续工艺的进行。碱 性高锰酸钾处理法分三步法进行。 ( 1 ) 溶胀 目的：溶胀环氧树脂，使其软化，为高锰酸钾去钻污作准备。 配方： n a o h 2 0 9 l j 己二醇乙醚 3 0 9 l - 1 已二醇2 9 l 。1 水其余 环氧树脂是高聚物，具有优良的耐蚀性。其腐蚀形式主要有溶解、溶胀和化 学裂解。根据“相似相溶”的经验规律，醚类有机物一般极性较弱，且有与环氧 树脂有相似的分子结构( r o r ) ，所以对环氧树脂有一定的溶解性。因为醚能与 水发生氢键缔合，所以在水中有一定的溶解性。因此，常用水溶性的醚类有机物 作为去钻污的溶胀剂。溶胀液中的氢氧化钠含量不能太高，否则会破坏氢键缔合， 使有机链相分离。 ( 2 ) 去钻污 目的：利用高锰酸钾的强氧化性，使溶胀软化的环氧树脂钻污氧化裂解。 配方： n a o h n a c l 0 3 5 9 l 。lk m n 0 45 5 9 l 1 0 5 9 l 。1 高锰酸钾是一种强氧化剂，在强酸性溶液中，与还原剂作用被还原为m n 2 + ： 在中性和弱碱性环境中，被还原为m n 0 2 ；在n a o h 浓度大于2 t o o l l ，被还原为 电子科技大学硕士学位论文 m n o 。二。高锰酸钾在强酸性的环境中具有更强的氧化性，但在碱性条件下氧化有 机物的反应速度比在酸性条件下更快。 在高温碱性条件下，高锰酸钾使环氧树脂碳链氧化裂解： 4 m n 0 4 + c 环氧树脂+ 4 0 h = 4 m n 0 4 2 + c 0 2 ( g ) + 2 h 2 0 同时，高锰酸钾发生以下副反应： 4 m n 0 4 。+ 4 0 h 。= 4 m n 0 4 十+ 0 2 ( g ) + 2 h 2 0 m n 0 4 2 - 在碱性介质中也发生以下副反应： m n 0 4 z + 2 h 2 0 + 2 e = m n 0 2 ( s ) + 4 0 h n a c i o 作为高锰酸钾的再生剂，主要是利用其强氧化性使m n 0 4 2 。氧化为 m n 0 4 。 ( 3 ) 还原 目的：去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸钾、锰酸钾和二氧化锰。 配方： h 2 s 0 4 10 0 m l l - 1 n a c 2 0 4 3 0 9 l - 1 温度 4 0 锰离子是重金属离子，它的存在会引起“钯中毒”，使钯离子或原子失去活 化活性，从而导致孔金属化的失败。因此，化学镀铜前必须去除锰的存在。 在酸性介质中： 3 m n 0 4 z + 4 h + = 2 m n 0 4 。+ m n 0 2 ( s ) + 2 h 2 0 2 m n 0 4 + 5 c 2 0 4 2 + 16 h + = 2 m n 2 + + 10 c 0 2 ( 曲+ 8 h 2 0 c 2 0 4 2 。+ m n 0 2 + 4 h + = m n 2 + + 2 c 0 2 + 2 h 2 0 由以上反应可知，通过还原步骤，可完全去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸 钾、锰酸钾和二