印制电路板的芯吸改善探讨

罗家伟 黄 力 杨润伍 李 亮 范军杰

（珠海方正科技高密电子有限公司，广东 珠海 510310）

0 前言

芯吸（Wicking）是指印制电路板（PCB）导通孔孔壁上沿玻纤有化学铜层渗镀其中，出现扫把刷子般形貌[1]，是生产制程的常见监控项目之一。其成因在毛细作用下会将液体引入存有微隙的丝束中，传统化学铜必定出现的一种常态[2]。伴随着PCB不断向高密度、高集成方向发展，芯吸效应将会越来越受到严格的管控,特别是汽车电子方面。近期，我公司频繁检测产品出现芯吸严重超标问题（＞120 μm）；为避免后续出现客户重大投诉及索赔，需要批量报废重新补料制作，给生产品质、交期进度及制作成本造成严重影响。

为了找到影响灯芯的主要影响因素，公司特对此进行专项研究，以期找出导致芯吸相关因素。在内部充分沟通讨论情况下，决定采用DOE实验验证测试，为后续改善和解决芯吸问题提供对应的改善思路和解决方案。见图1所示，芯吸的测量从箔钻孔边缘开始，芯吸评估在一个微蚀刻样品上进行[3]。

图1 IPC-A-600芯吸标注及过程效果图

1 DOE实验设计

1.1 实验目的

为确定导致芯吸的原因，以改善和解决芯吸问题，本文设计了实验方案探究导致芯吸超标的最主要因素，对应优化相关制程参数及相关设计，为改善芯吸提供数据依据。

1.2 实验流程

开料→内层图形→内层蚀刻→内层AOI（自动光学检测）→棕化→压合→机械钻孔→烤板→沉铜→全板电镀→外层图形（负片）→酸性蚀刻→AOI检测→测试→切片分析

1.3 检测指标与方法

试板完成后，垂直微切片观察芯吸情况及测量长度。微切片制作方法按IPC-TM-650相关要求；测量标准按IPC-A-600执行。

1.4 实验因子确定

产生芯吸的原因很多，此次我公司DOE实验采用一般全因子设计，共8因子，每因子2水平，合计512组实验。因子及水平情况如表1所示。

表1 DOE实验因素水平表

2 DOE实验过程制作

2.1 试板相关信息

本次DOE实验板层数设计为14 L，压合后板厚3.8 mm，钻头大小统一采用0.25 mm；内层芯板结构这个因子有两个不同型号执行，A型采用：0.2 mm（不含铜）2/2（PP：3313×2，B型采用0.2 mm（不含铜）2/2（PP：7628×1）；层间均采用4张1080 RC68% PP。压合结构如图2所示。

图2 压合结构设计

2.2 实验模块CAM（计算机辅助制造）资料设计

由于DOE采用一般全因子设计设计，累计512组实验；怎样设计实验模块显得尤为重要，这样可以减少生产板数量，以及过程难度。此次DOE实验综合考虑涉及测试因子共8个，过程测试需要大量的测试板。为过程中最大程度节约测试物料、节约测试时间及成本，我们测试以BGA（球栅阵列）模块化设计；包括内层非功能环设计、钻孔不同节距（Pitch）设计、钻头厂商选用、钻头设计选用、钻头不同磨次管控、钻头不同寿命管控，全部设计在一个模块上如图3所示。而芯板结构不同为方便区分在压合结构设计时已经定义为两个不同测试型号；压合缓冲材料应用不同及沉铜前烤板情况，则过程中切槽作对应标记区分。所有实验模块均采用0.25 mm钻头，每个模块钻孔表在末尾加数字区分。

图3 钻孔模块

2.3 压合制作

压合涉及实验因子：压合缓冲材料使用，同时也关系后续制作的成败；为保证压合品质，制作方法如下。

（1）压合采用熔合+铆合（铆合需正反对称铆）方式制作，保证压合后层间偏移量。

（2）压合叠版两个型号均采用两种方式，高压缩比缓冲纸与普通牛皮纸压合；叠版时需在边缘铜箔标识压合缓冲材料使用情况；压合叠版示意图4所示；

图4 压合叠板示意图

（3）压合采用对应合适参数正常制作，并保证同时同一台压机生产；

（4）采用高压缩比缓冲纸压合的板打靶后裁边时切两个槽进行区分。

由于硅胶垫厚度达6 mm，高压缩比缓冲纸厚度2 mm，故采用高压缩比缓冲纸叠板压合时一个BOOK生产2 pnl时高度已经满足要求。

2.4 钻孔制作

DOE实验试板14 L，内层均为70 μm厚铜，压合后完成板厚4.0 mm。钻孔涉及实验因子：钻头寿命、钻头设计、钻头供应商；为保证过程钻头选用不出错及钻孔品质，制作方法如下。

（1）1 pnl/叠，密胺垫板，镀膜铝片。

（2）所有试板模块内0.25 mm孔采用分三段方式制作，并采用跳钻。

（3）模块内0.2 5 mm 孔生产参数：转速120～130 kr/min，进刀速27～29 mm/s，退刀速340 mm/s；Chipload：12.5～14.5 μm/rev。

（4）0.25 mm全新钻头DOE测试模块刀序为T04～T19，其钻头情况（厂商、涂层情况、寿命）管控如图5所示。

图5 模块对应刀序

其余工艺边孔钻头无要求。

3 实验数据分析与结果

试板完成后，利用金相显微镜进行微切片观察及测量芯吸，并按对应关系进行记录对应数据，采用Minitab进行分析，即可得到如下实验结果。

3.1 DOE因子设计分析

由标准化效应Paerto图见图6所示，此次实验影响芯吸最大因素为芯板结构，影响因素占比为68.34%；其次为不同供应商的钻头，影响因素占比为7.14%；第三为钻头设计，影响因素占比为5.86%；第四为隔离环设计，影响因素占比为5.17%。此四项影响因素占比为高达86.51%，是后续调节改善芯吸的主要方向。

图6 标准化效应Paerto图

3.2 DOE主效应分析

通过芯吸DOE测试主效应图见图7所示：此次实验影响芯吸最大因素为芯板结构（玻布纤维类型）；烤板与否对芯吸改善没有实质性帮助。对改善芯吸影响因素主次关系为：芯板结构＞钻头供应商＞压合缓冲材料＞内层隔离环设计＞钻头设计＞不同孔间距＞钻头寿命＞钻孔后烤板情况。

图7 DOE测试主效应图

4 结论

基于此次DOE实验测试及收集实验的切片芯吸数据统计分析，结论如下。

（1）此次实验影响芯吸最大因素为芯板结构，影响因素占比为68.34%；其次为不同供应商的钻头，影响因素占比为7.14%；第三为钻头设计，影响因素占比为5.86%；第四为隔离环设计，影响因素占比为5.17%。此四项影响因素占比为高达86.51%，是后续调节改善芯吸的主要方向。

（2）通过此次实验数据分析，对改善芯吸影响因素主次关系如下：芯板结构＞钻头供应商钻头＞压合缓冲材料使用＞内层隔离环设计＞钻头设计＞不同孔间距＞钻头寿命＞钻孔后烤板情况

（3）芯吸产生的因素与芯板结构（玻布纤维类型）、孔密集度、钻头寿命成正相关关系；即玻布纤维越厚，孔越密集、钻头寿命越高，则芯吸长度越长。

（4）芯吸产生的因素与钻头质量（不同供应商、不同钻头设计）成反相关关系；即采用质量好的钻头，则芯吸长度越短。

（5）需要管控芯吸的产品，在前端设计压合结构时，叠构中（包含芯板）避免选用7628类型的PP结构，选用3313类型的PP结构；当客户对芯吸提出更高要求时，还需选用比3313类型更薄的PP类型。

（6）需要管控芯吸的产品，普通FR-4材料压合时，采用普通牛皮纸即可满足；当采用更高级别的材料时，需对压合缓冲材料、不同孔间距、隔离环的设计等进行微调设计。

（7）需要管控芯吸的产品，钻孔时需采用质量相对较好的全新涂层钻头生产，寿命按500 hit控制。

（8）DOE实验可科学有效分析PCB生产过程中的异常问题，并为优化生产工艺/设计、提升制程能力提供改善方向。