光模块印制板量产良率提升的研究

张大伟 吕小伟

（上海美维电子有限公司，上海 200233）

0 前言

光模块板相对于目前表观要求较严格的封装基板，有着更加苛刻或近乎变态的表观要求，其高平整度、高表观的要求，一直是光模块PCB厂家的噩梦。常规PCB其表观异物高度不超过25 µm，非导电性异物不跨越两条线路或焊盘，不影响焊接及电气性能，就可投入后期的装配使用。光模块的下凹要求≤10 µm，这对于PCB塞孔工艺有着巨大的挑战。而对于异物的控制，需将整个PCB外观＞25 µm的异物进行强制的筛选，否则将影响光模块的光传输性能。

为了满足光模块板的高平整度、高表观要求，本文对PCB塞孔工艺的深度研究及PCB外观异物的规避与处理，制定出可行的标准化处制作方案，最终达到批量生产。

1 流程确认及良率分析

1.1 流程确认

从流程设计来看，光模块板的流程与传统的PCB设计没有什么本质上的区别。结合光模块板高平整度、高表观的要求，对外层的PCB工艺流程提出了更高的要求，特别是表面处理的工艺流程确定。初期外层流程设计如图1所示。

图1 初期外层流程图

1.2 良率及缺陷分析

1.2.1 报废缺陷类别分析

按照初期的流程以及现场的管控,光模块板批量生产到FQC收集到的良率只有50%,针对缺陷按照类别和工段分别进行分析。按照报废缺陷类别分析见图2所示。

图2 报废缺陷类别分析图

1.2.2 按照缺陷的成因分析，

从人、机、物、法、环几个方面分析。

人：操作技能；机：设备功能；物：材料性能;法：工艺方法；环：环境条件。

2 实验

2.1 树脂塞孔

针对树脂塞孔流程，测试评估真空塞孔的能力是否能够满足光模块板的表观需求。常规的塞孔工艺，塞孔后的下凹控制要求是＜25 µm，而光模块板的下凹要求是≤10 µm。为了满足要求，选择真空塞孔，同时在流程上做优化：电镀→真空塞→砂带研磨→不织布磨板→真空塞孔（正反塞）→砂带研磨→不织布磨板→减薄→不织布磨板→电镀。

真空塞孔一次不能完全解决下凹大的问题，所以采用第二次的正反方向真空塞孔来弥补第一次真空塞孔不良的问题。测试板选择如表1所示。

表1 测试板规格

真空塞孔参数设定见表2所示，同时按照以上的两次塞孔流程生产，电镀后做相应的测试评估确认，结果如表3所示，塞孔下凹的问题基本解决，没发现有塞孔下凹超标的问题，见图3所示。

表2 真空塞孔工艺参数

表3 塞孔过程检测和结果表

图3 塞孔完整性和下凹例图

2.2 不织布磨板

考虑到电镀后的板面质量问题，通过电镀本身不能完全解决胶渍、铜粒等问题，评估电镀后增加不织布磨板对板面质量提升的贡献，同时要确保后续的接合、镍腐蚀等没有影响；不织布磨板是通过物理的方法，高速运转磨刷与板面接触，对板面的铜进行切削，以达到板面平整的目的。

原来流程：电镀→外层图形转移→AOI……

实验流程：电镀→不织布磨板→外层图形转移→AOI……

试板选用规格同表1所示。

不织布磨板参数：磨板速度2.5 m/min；研磨电流2.0 A；磨刷材质及目数不织布，400目；磨板喷水压力0.1 Mpa（1.0 kg/cm2）。

从SEM（扫描电子显微镜）的照片来分析磨板前后板面状况，磨板后的表面粗糙度有增大，但是基本上把细小的铜粒磨掉，考虑到磨板后的磨痕对表观影响，试板跟进到镍钯金后做相应的打线键合、镍腐蚀等测试，测试结果如下，经测试都满足需求。

（1）打线键合测试。

测试方法：按照MIL STD 883J2013方法；

线拉力测试条件：打线温度为170 ℃，拉力速度为0.5 mm，线直径为15 μm。

拉力测试标准：≥0.015 N（1.5克力），合格。

测试结果：最小拉力为0.016 N（1.6克力），最大拉力为0.035 N（3.5克力），平均拉力为0.024 N（2.4克力）。

（2）镍腐蚀检查见图4所示。

图4 检查镍腐蚀SEM结果图

3 结果与讨论

3.1 真空树脂塞孔的控制及影响

通过真空树脂塞孔的流程优化，增加一次真空塞孔（正反塞），可以解决塞孔下凹的问题，从批量生产AOI的外观检查确认，增加真空塞孔（正反塞）后，AOI塞孔下凹的缺陷杜绝，没有报废产生。

收集批量生产板电镀后切片数据，确认塞孔下凹情况，从收集数据显示树脂塞孔两面凸起或下凹 Cpk=2.82/2.89，均大于1.67，能力充足，见图5、图6所示。

图5 上表面下凹过程能力分析

图6 下表面下凹过程能力分析图

3.2 不织布磨板对表观的影响

通过实验部分的结果，可以判定磨板对镀瘤的改善非常有效。跟进增加不织布抛光流程与正常流程板到FQC的良率，对比见表4所示，良率提升9%。

表4 增加不织布抛光与常规流程比较

4 量产及效果确认

4.1 流程优化

通过以上的实验，针对光模块板整体的流程进行优化，电镀后有塞孔流程的外层板，增加磨板和真空塞孔正反塞的流程，改善塞孔下凹的问题。最终确定的光模块外层的流程如图7所示。

图7 改进后的外层流程

4.2 保养效果

针对杂物的管控方面，另一个方向是增加保养的频率或者针对光模块板的生产，制定特别保养安排。比如在外层AOI检查后的烘板，固定烘箱，同时每次生产光模块板前，对烘箱做彻底的清洁，并做颗粒度测试，确认后在烘板，避免烘箱内的杂物在烘板的过程中固化在板面，镀金后而形成金杂的缺陷；所以，针对光模块板的生产，产线的保养清洁到位，对良率有一定的提升，具体措施如下。

（1）DES（显影、剥离）蚀刻前，更换显影后以及蚀刻后的水洗缸，并擦拭水洗缸的滚轮；

（2）阻焊前处理生产光模块板前，更换全线的水洗缸，并擦拭水洗缸的滚轮；

（3）阻焊显影前，更换全线的水洗缸，并擦拭水洗缸的滚轮；

（4）阻焊后固化的烘箱使用专门的烘箱，同时在烘板前做清洁。

经过以上流程的优化，保养频率的调整，增加检修，过程搬运控制特别对待等措施，光模块板良率得到了比较大的提升，并稳定在一个可控的良率。图8所示是光模块板改善前后的良率改善趋势图。

图8 产品FQC的良率推移图

5 总结与展望

传统的PCB生产厂家要实现对光模块板的量产，并要稳定比较高的良率，是需要在过程控制

以及流程上面做一些特别的管控。从长远方向来看，要提升整个工厂的洁净度，比如电镀工序的杂物控制（胶渍、铜粒等的主要来源），所有的流程都在万级的洁净房内完成，对于杂物、镀瘤等控制会有很大的帮助。另外，如果是新的厂房设计，应该考虑智能制造的方向，洁净房内实现自动化，比如图形转移到阻焊工序，实现全程的自动化，取消人员的过程操作、搬运等，从而改善阻焊杂物以及曝光杂物等报废；对于老的工程布局，没有办法实现全部的自动化以及洁净度的需求，针对重点工序，重点缺陷，需要特别的控制、维护等来提升光模块板的良品率。