导电铜浆塞孔工艺在多层板的应用

2021-06-21王红月

印制电路信息 2021年6期

关键词：子板保护膜板面

刘涌王红月黄伟

（上海美维电子有限公司，上海 201100）

1 导电铜浆及其应用原理

1.1 导电铜浆简介

导电铜浆是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂。它可以将多种导电材料连接在一起，使被连接材料间形成电的通路。

在电子工业中、导电铜浆技术应用已经越来越广泛。

1.2 导电原理

1.2.1 导电粒子间的相互接触

要使导电铜浆成为具有导电性的电路，必须将导电铜浆固化或干燥使铜导电塞孔胶层中的铜粒子相互稳定接触才能达到导电贯通。导电铜浆在固化或干燥前，导电粒子在胶粘剂中是分离存在的，相互间没有连续接触，因而处于绝缘状态。导电铜浆固化或干燥后，由于溶剂的挥发和胶粘剂的固化而引起胶粘剂体积的收缩，使导电粒子相互间呈稳定的连续状态，因而表现出导电性。

1.2.2 隧道效应使粒子间形成一定的电流通路

当导电粒子中的自由电子的定向运动受到阻碍，这种阻碍可视为一种具有一定势能的势垒。根据量子力学的概念可知，对于一个微观粒子来说，即使其能量小于势垒的能量，它除了有被反射的可能性之外，也有穿过势垒的可能性，微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也可叫作隧道效应。电子是一种微观粒子，因而它具有穿过导电粒子间隔离层阻碍的可能性。电子穿过隔离层概率的大小与隔离层的厚度及隔离层势垒的能量与电子能量的差值有关，厚度和差值越小，电子穿过隔离层概率就越大。当隔离层的厚度小到一定值时，电子就很容易穿过这个薄的隔离层，使导电粒子间的隔离层变为导电层。由隧道效应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容来等效。

1.3 导电铜浆组成

导电铜浆主要由树脂基体、铜导电粒子及其他类导电化合物和分散添加剂、助剂等组成。树脂有环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氯酯等。虽然高度共轭类型的高分子本身结构也具有导电性，如大分子吡啶类结构等，可以通过电子或离子导电，但这类导电铜浆的导电性最多只能达到半导体的程度，不能具有像金属一样低的电阻，难以起到导电连接的作用。市场上使用的导电铜浆大都是填料型。

填料型导电铜浆的树脂基体，可以采用各种胶黏剂类型的树脂基体，常用的一般有热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等胶黏剂体系。这些胶黏剂在固化后形成了导电铜浆的分子骨架结构，提供了力学性能和粘接性能保障，并使导电填料粒子形成通道。由于环氧树脂可以在室温或低于150 ℃固化，并且具有丰富的配方可设计性能，环氧树脂基导电铜浆占主导地位。

导电铜浆要求导电粒子本身要有良好的导电性能，其粒径要在合适的范围内，能够添加到导电铜浆基体中形成导电通路。导电填料可以是金属粉末和石墨及一些导电化合物。

导电铜浆中另一个重要成分是溶剂。由于导电填料的加入量至少都在50%以上，所以使得导电铜浆的树脂基体的黏度大幅度增加，常常影响了胶黏剂的工艺性能。为了降低黏度，实现良好的工艺性和流变性，除了选用低黏度的树脂外，一般需要加入溶剂或者活性稀释剂，其中活性稀释剂可以直接作为树脂基体，反应固化。溶剂或者活性稀释剂的量虽然不大，但在导电铜浆中起到重要作用，不但影响导电性，而且还影响固化物的力学性能。常用的溶剂（或稀释剂）一般应具有较大的分子量，挥发较慢，并且分子结构中应含有极性结构如碳氧极性链段等。溶剂的加入量要控制在一定范围内，以免影响导电铜浆胶体的胶接整体性能。

除树脂基体、导电填料和稀释剂外，导电铜浆其他成分和胶黏剂一样，还包括交联剂、偶联剂、防腐剂、增韧剂和触变剂等。

2 导电铜浆工艺的设计

基于导电铜浆可以应用在PCB产品中起到的导通作用，随着市场的需求的发展，PCB的设计种类也越来越多，会出现同一个产品在正反面出现不同叠构的设计，整个产品呈现不对称叠构，使用传统的对称叠构、对称压合方式无法满足产品设计。此时上下不同叠构的两部分分别按照各自的叠构生产，两个子板完成后结合层使用导电铜浆填充激光孔的方式将两个子板网络连接，形成完成的PCB产品。

根据以上的思路设计流程介绍如下。

（1）两个子板的内层先完成单面图形制作，如图1（A）所示。

（2）选择其中的下半部分的子板在图形面完成单张半固化片加单张铜箔方式的压合制作，再于后续第二张半固化片的贴合，如图1（B）所示。

（3）将以上压合后的子板，内层面图形区域铜箔完全蚀刻，不会更改客户产品的叠构设计和介质层厚度，同时利于两张半固化片更加紧密结合。

（4）第二张半固化片预亲贴合在前面完成单面蚀刻的子板内层面，此处一方面要求半固化片间贴合完全，另一方面半固化片在贴合过程中有不能过度固化，因为外层两块子板的黏结主要依靠该张半固化片粘连，具体的参数选择在后续内容做详细表述。

（5）半固化片表面贴合保护膜，后续完成激光钻孔、导电铜浆印刷后需要撕除。该步序的设计有以下几方面的考虑，首先，可以防止导电铜浆印刷后污染半固化片，出现层压时板件异物，影响结合力；其次，导电铜浆本身具有导电作用，板面残留导电铜浆后容易造成孔与孔之间短路，影响网络设计，出现电性能问题，再者，保护膜本身具有一定的厚度，在印刷完成后将其撕除，会在激光孔上部导电铜浆呈现一定的高度，导电铜浆在烘烤和层压过程中由于溶剂蒸发，导电材质会下沉，突出的部分可以保证孔内导电铜浆填充饱满，

（6）子板单面激光钻孔，完成两块子板层间的激光孔制作，直接在完成贴膜和贴半固化片的子板上制作两张子板间的激光孔，完成子板间的相互导通，如图1（C）。

（7）激光孔除胶制作，完成激光孔制作后按照正常的HDI流程需要清洁激光孔，清洁方式有等离子除胶和化学除胶。在此处选择等离子体（plasma）除胶。

（8）微蚀处理，子板除胶后板面粉尘和孔底除胶后残留清洗，微蚀量控制在1 μm左右。

（9）导电铜浆印刷制作，参考树脂塞盲孔方式将导电铜浆填入激光孔中，树脂塞盲孔需要铝片等工具的辅助，而塞导电铜浆由于板面上有保护膜覆盖，采用直接在板面印刷的方式制作，无须使用铝片类工具。塞孔完成后需要经过烘烤导电铜浆完成初步固化，烘烤前需将保护膜撕除。如图1（D）。

（10）母板层压，将以上完成后的子板通过接合对位方式压合制作，形成最终的外层成品板，如图1（E）。

图1 上下方子板层压示意图

（11）层压后的依照产品特性完成外层图形、油墨、表面处理等制作。

3 工艺关键点控制

以上流程介绍中有些特殊流程有异于传统的HDI产品流程，需要对不同的工序做特别的控制和特殊操作，例如，贴保护膜和半固化片，等离子体处理，导电铜浆印刷这些特别的流程制作方法和制作参数需要经过试验确定得出。以下就几个特殊别的流程操作通过试验确定。

3.1 贴保护膜、贴半固化片工艺参数

3.1.1 贴半固化片参数确定

制作设备：真空贴膜机。

制作方法：按照工艺需求半固化片需放在保护膜下，保护膜贴附面有一定的黏性和明显的延展性，贴膜时需要手动将保护膜拉伸平铺，贴合过程中不可以将保护膜预贴合在半固化片上，在将二者一并贴合在子板上，因为保护拉伸平铺释放力量后会将半固化片拉伸收缩起皱，在贴附在板面真空贴膜后也无法整平，以上经验在试验中已经验证，属于经验之谈，道理上也讲的通，笔者就没过多的试验对比，如想要一次性完成保护膜和半固化片的贴合，建议选择没有黏性的保护膜，

加工参数确定：该步序的目的将半固化片完成贴合，不起皱不剥离；从另一个极端讲，半固化片不可以完成固化都则在后续外层层压不能起到粘连两张子板的作用，需要贴膜和贴保护膜的参数做进一步研究。受制于半固化本身耐热性能的限制，使用半固化片Tg点在175 ℃以上，贴合参数做如表1设计。

表1 半固化片贴合试验参数设计

先试验一和试验二，设定两种温度对比结果看，试验一后的测试板完成后半固化会在板边微蚀会有轻微的剥离，未能与子板很好的贴合，确定温度设定为130 ℃；其次对于压力的设定真空贴膜机设定最大压力为0.49 Mpa，改压力大小相对于后续的层压压力2.74 Mpa会小很多，无须再减小至更小压力；对比试验2、3、4结果，加压时间更改不会影响半固化的结合，因此确定时间为60s,同时在后续保护膜的贴合中会增加半固化片的结合能力。

3.1.2 贴保护膜参数确定

保护膜贴合，按照保护膜加工指导建议，贴合温度控制在100 ℃～130 ℃之间，贴合时间建议60 s以上。因为保护膜根深具有较大的黏性，预先放置在半固化片上后有一部分区域已经贴合在板面，个别地方形成气泡。固设定较长的抽真空时间更有利于板面平整，设计试验表2所示。

表2 保护膜贴合试验参数设计

比较试验1、2，试验2完成后保护膜颜色明显较试验1呈现发白现象，可以确定保护膜较高温度下易变性、脆化，温度不宜过高。而且试验2板面存在个别的点由于抽真空时间较短仍存在气泡。再通过与试验3、4结果对比，60 s加压时间也可以满足保护膜与半固化片很好的贴合，以上确定适应试验三参数可以满足保护膜的贴合。

3.2 激光制作

两张半固化片压合厚度为130 μm上下，对应激光孔制作孔径设定200 μm，由于激光孔直接在保护膜加两张半固化片上完成（如图2所示），相对于激光直接钻（LDD）铜箔参数会有差异，需要在LDD参数基础调整能量，经过试验得出激光参数相对于常规LDD 参所需能力会增加，因此激光增加至1.3倍左右。

图2 激光钻孔前后叠层

3.3 等离子体除胶的参数确定

3.3.1 参数初步确定

等离子体除胶目前常用于高频高速材料激光钻孔和机械钻孔后的残留树脂除胶，目前使用导电铜浆制作的产品也均使用了高频高速的材料，更主要的原因是化学除胶会导致保护膜剥离、药水渗入保护膜与半固化片之间，后道工序无法生产制作。

但是在使用高频高速材料参数除胶时，会出现板面半固化片和保护膜起皱起翘，与子板剥离，对此需要优化等离子体参数。

高频高速材料等离子体除胶参数（见表3所示），温度为70 ℃以上，功率7000 W以上，使用O2（氧气）、CF4（四幅甲烷）、N2（氮气）三种气体。

表3 初始等离子体参数设定

通过以上参数制作，板面起皱是不能接受的，对此参数要进行修改再进行试验，分别从缩短制作时间和降低温度两方面更改，实际经过试验后时间缩短至一半以下或者功率减半仍未能解决板面起皱的问题；确定影响板面起皱的主要原因是温度较高，同时配合除胶后的孔底效果确定最终的除胶参数，如表4所示。

表4 优化后等离子体除胶参数设定

运用以上确定的参数进行样品制作，确认板面保护膜状况和孔底除胶效果，结果均满足要求。

3.4 导电铜浆印刷工艺制作

印刷的方法试用了普通丝印机和真空塞孔机。本文重点对真空丝印方式做描述。真空丝印机在工作时会将机器腔体内部线进行抽真空操作，使腔体内部接近真空状态，控制腔体内的气压大小小于150 Pa（1个标准大气压为1.01×105Pa），在接近真空状态下使用刮刀将导电铜浆压入盲孔中，此处与真空油墨塞盲孔参数一致，无须特别控制。完成真空印刷待子板排出后，使用钢刀在板面上完成一次板面整平，将孔口多余胶量去除，再将保护膜轻轻撕除，撕保护膜过程中防止孔口导电铜浆被带离。

完成保护膜撕除后将子板的导电铜浆面向上，水平放置，静置10 min，静置完成后使用105 ℃，15 min烘烤参数水平烘烤，让导电铜浆达到固化的效果即可。

以上关键工序的加工参数经过试验相对合理，针对以上试验参数进行验证，巩固工艺稳定性，同时评估成品产品的可靠性。