低轮廓铜箔对激光钻孔工艺的影响.pdf

随着电子通信技术的飞速发展，为了减少趋皮效应所带来的高频高速信号损失，使得高频高速材料搭配低轮廓铜箔的设计，在5G毫米波、雷达等高端产品上的应用越来越广泛。文章将对低轮廓铜箔与不同高频高速板材的结合力影响因素进行分析，测试了不同等级的低轮廓铜箔搭配高频高速板材的剥离强度，并设计对比实验优化工艺，改善低轮廓铜箔较低剥离强度下CO2激光直接钻孔带来的盲孔孔口剥离问题，以满足生产需求。关键词 低轮廓铜箔；剥离强度；激光钻孔 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0076-10 The influence of low profile copper foil to the laser drilling processWang Hongyue Liu YongAbstract With the rapid development of electronic communication technology,in order to reduce the loss of high frequency and high speed signal caused by the skin effect,it is increasingly widely used in high-end products such as 5G millimeter wave and radar.This paper will analyze the influence factors of high frequency high speed low profile copper foil with different boards binding force.It tested the different grade of low profile copper foil with high frequency high speed sheet peel strength,and designed experiments to optimize the process,to improve the low profile with low copper foil peel strength under CO2 laser direct blind hole orifice dissection of the problems of drilling,so as to meet the production requirements.Key words Low Profile Copper Foil;Peel Strength;Laser Drilling0 概述电子信息产业的突飞猛进，高速大容量数据通信和电信网络的应用推动 PCB 由传统电路走向高频电路，使得高频高速信号的处理与传输中，对信号完整性（Signal integrity，SI）提出了更高的要求；铜箔作为PCB制造的主要原材料之一，是传输线形成的来源，高频电流流经传输线(铜导体)时，电磁波难以穿透铜导体，电磁场场强幅度在铜导体中以极快的趋势衰减，透入导体后急剧减弱为零，因此高频电流在导体内部分布不均，大部分趋于导体表面，这种现象即为趋肤效应；高频时，由于趋肤效应电流流经导体时仅在趋肤深度内分布，随着频率的增大，趋肤深度减小，当信号传输频率达到1 GHz后，信号传输仅在“铜箔粗糙度”的尺寸内进行时，陡峭的粗糙度起伏将导致的信号“驻波”和“反射”，必然造成信号损耗甚至失真，从而影响信号传输的损耗1。因此为了减少趋肤效应所带来的高频高速信号损失，使得高频高速板材（Low loss、Low Dk/Df）搭配不同程度的低轮廓铜箔（VLP、HVLP、HVLP2）的设计，在高端服务器、5G产品等上的应用越来越广泛（见图1）。77HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛图1 铜箔表面粗糙度等级与应用由于低轮廓铜箔具有相对较低的粗糙度，不同高频材料搭配不同等级的低轮廓铜箔的结合力有所不同，一方面表现在抗剥离强度的差异；另一方面表现是较低的剥离强度在现有的CO2激光直接钻孔工艺下，盲孔孔口易出现剥离翘曲的问题（见图2），都影响产品的设计需求与可靠性。图2 激光钻孔孔口剥离缺陷图文章将对低轮廓铜箔与不同高频高速板材的结合力影响因素进行分析，测试了不同等级的低轮廓铜箔搭配高频高速板材的剥离强度，并设计对比实验优化工艺，改善低轮廓铜箔较低剥离强度下CO2激光直接钻孔带来的盲孔孔口剥离问题，以满足客户设计与生产需求。1 相关机理分析1.1 铜箔与树脂结合力的影响因素分析铜箔与树脂间的结合力大小取决于结合面的表面积大小和树脂流胶后深入铜箔毛面的深度，即毛面粗糙度，材料相同的前提下，粗糙度越大，接触表面积越大，深入深度越大，结合力越好；材料不同时，同一种铜箔对于不同树脂体系的剥离强度也会有所差别；因此对于低轮廓铜箔，其表面粗糙度与高频高速板材的树脂体系都决定了相互结合力的大小，此外，为了提高铜箔层表面的结合力，对其表面加入氮杂环类或有机硅烷类等“偶联剂”，与铜发生电子之间的“配位作用”而形成键合或络合效果，也是提高铜箔树脂结合力的有效途径2。为此，将对比不同低轮廓铜箔的表面粗糙度，并测试与不同高频材料的抗剥离强度，确定其匹配性差异，更好的匹配客户设计。2023春季国际PCB技术/信息论坛78HDI板 HDI Board1.2 低轮廓铜箔激光直接钻孔孔口剥离原因分析CO2激光钻孔采用光热烧蚀原理，过程热效应是无法避免的，针对低轮廓铜箔应用在实际的产品中，由于其抗剥离强度相对较低的特点，易造成激光直接钻孔孔口剥离，现对剥离阶段进行假设：假设：可能存在激光热效应导致盲孔孔口铜箔与树脂结合力变差，激光钻孔后孔口出现剥离翘曲的现象，影响因素有激光钻孔参数与加工铜箔层厚度等，后续磨板等工艺操作加剧了孔口剥离。图4 激光钻孔后剥离示意图假设：低轮廓铜箔与树脂的结合力过小，激光钻孔后未直接剥离，但经过物理磨板去毛刺线后产生剥离；影响因素有去毛刺线（包括磨板段，超声波段以及高压水洗段）的加工参数。图5 去毛刺后剥离示意图为此，应首先确认激光盲孔孔口剥离的阶段，并设计试验找出工艺流程中的关键因子，从工艺可行性角度进行有效的改善，已满足生产需求。2 实验部分2.1 实验材料及设备（1）材料：不同粗糙度以及不同表面处理方式的铜箔：MLS-G，MLS-G2，MLS-G3及BF-ANP等；不同树脂类型的半固化片：EMC-EM526、SYL-Synamic8G、DV-7409DS及IT-988GES等。图3 树脂与铜箔结合力影响因素示意图79HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛（2）设备：日立L-type激光钻机，去毛刺磨板线，去棕化膜微蚀线，3D激光共焦显微镜，金相显微镜等。3.2 实验板设计及流程（1）实验板设计：四层Daisy Chain板，包括8 cm长度/3.18 mm宽度的标准剥离强度测试Coupon与孔壁间距100 m500 m、尺寸10 mm10 mm的密集盲孔阵列测试Coupon，8 SET/PNL，26万孔/PNL；（2）实验流程：芯板开料芯板层图形转移AOI；外层棕化层压（不同等级的铜箔及不同种类的半固化片）减薄铜棕化表面处理激光钻孔去毛刺/微蚀除胶填孔电镀外层图形转移AOI测试。图6 测试板SET设计示意图3 结果分析3.1 低轮廓铜箔表面粗糙度与其匹配树脂的结合力影响分析3.1.1 铜箔粗糙度测试通过激光共焦显微镜（LSCM）收集普通铜箔MW-G及低轮廓铜箔MLS-G2、BF-ANP三种铜箔12 m厚度下的毛面粗糙度Ra、Rz、Rq数据3，每种铜箔取25个测试值的平均值（其中MW-G铜箔为对照组；Ra表示粗糙度平均值，Rq表示粗糙度算术平方根，Rz表示粗糙度高峰与低谷落差值），结果如图7、8所示：图7 不同种类铜箔的毛面粗糙度对比 由上述结果可知，根据IPC-4562铜箔测试标准，所测试的MLS-G2铜箔粗糙度Rz值2 m，属于HVLP铜箔等级，BF-ANP铜箔粗糙度Rz值1.5 m，属于HVLP2铜箔等级，Ra值与Rq值均0.4 m，远低于RTF等级的MW-G铜箔，将直接影响其剥离强度；对比3D扫描图，HVLP等级低轮廓铜箔与普通等级的RTF铜箔轮廓起伏差异明显，将直接影响其高频信号的传输的插损。2023春季国际PCB技术/信息论坛80HDI板 HDI Board3.1.2 剥离强度分析分别评估热固性双马来酰亚胺（BMI）与热塑性聚苯醚（PPO/PPE）两种体系的树脂材料，各选择3种不同种类高频高速材料的半固化片，测试与不同种类的铜箔压合成覆铜板的剥离强度。具体试验方法为层压覆铜板基铜12 m电镀至35 m后，将铜箔蚀刻成15组，长8 cm线宽3.18 mm的测试条，前处理条件150 烘烤1小时，然后使用剥离强度测试仪依次测量不同组合测试条的剥离强度，每种铜箔收集15个测试值的平均值（其中MW-G铜箔为对照组），结果如图9所示：图9 不同树脂体系的半固化片与不同类型铜箔的剥离强度由上述结果可知：BMI树脂体系3种组合的剥离强度，随着铜箔粗糙度的增大而增强，且差异较明显，树脂体系对结合力的影响较弱；PPO树脂体系3种组合的抗剥离强度并无直观规律，如DS-7409DV与三种铜箔匹配的抗剥离强度基本一致，铜箔粗糙度并不是决定性因素，而IT-988GES与BF-ANP铜箔组合的铜箔粗糙度最小，而抗剥离强度确较大，树脂体系对其结合力的影响较强；除Synamic8G组合外，其余种类半固化片与两种低轮廓铜箔匹配的抗剥离强度，均满足行业对于高频高速板材抗剥离强度0.520 N/mm的要求。为了解决Synamic8G半固化片与测试的BF-ANP与MLS-G2铜箔组合抗剥离强度较低，无法满足客户设计与生产需求的问题，选择与BF-ANP同等级的（Rz1.5 m）MLS-G3，两种添加不同偶联剂的M2与M3铜箔，与Synamic8G匹配进行剥离强度测试，结果如图10所示：MLS-G3（M2）与MLS-G3（M3）都已满足抗剥离强度0.520 N/mm的要求，并且还高于粗糙度较大的普通MW-G铜箔，可见对于不同高频高速材料，特别是PPO/PPE树脂体系，合理的选择不同偶联剂的低轮廓铜箔是提升其结合力的有效途径，并且效果显著，当然对于具体偶联剂的类型及作用机理，铜箔供应商未进一步说明，在此不与探讨。综上，低轮廓铜箔与其匹配树脂的结合力铜箔粗糙度并不是决定性因素，对于不同树脂体系的高频材料及低轮廓铜箔表面偶联剂的匹配性匹配性选择关系十分密切，是进行材料选择时考虑的因素之一，需要预先评估以便更好的进行生产应用。3.2 低轮廓铜箔激光直接钻孔孔口剥离确认与改善3.2.1 孔口剥离阶段确认图8 不同种类铜箔的毛面3D扫描图81HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛对于孔口剥离的影响因素，为确定单一变量影响，固定材料类型选择EM-526板材，并搭配BF-ANP、MLS-G2两种低轮廓铜箔进行对比试验（抗剥离强度均0.52 N/mm）；对于65 m介质厚度，设计盲孔孔径100 m，尺寸10 mm10 mm，孔壁间距100 m500 m共五种设计，按照常规LDD激光钻孔工艺，12 m基铜减薄至8 m，经表面棕化处理后，铜厚6 m进行激光钻孔制作；并通过AOI检查及收集激光钻孔后、去毛刺全程及各段的典型孔口表现，通过100倍率的光学照片收集结果，其中出现孔径剥离现象的组合图像以红色边框加重表示，见表1；同时收集孔壁间距100 m的金相切片及3D扫描图像进一步确认，见图11。表1 不同孔壁间距-激光钻孔及去毛刺后孔口表现 图10 Synamic8G半固化片与MLS-G3铜箔匹配的剥离强度阶段 铜箔类型 孔壁间距 100 m 200 m 300 m 400 m 500 m 激光钻孔后 BF-ANP MLS-G2 去毛刺全程(磨刷段+高压水洗段+超声波段)BF-ANP MLS-G2 仅磨刷段 BF-ANP MLS-G2 仅高压水洗 BF-ANP MLS-G2 仅超声波 BF-ANP MLS-G2 2023春季国际PCB技术/信息论坛82HDI板 HDI Board图11 BF-ANP铜箔100 m孔壁间距去毛刺处理结果由上述结果可知：两种铜箔，光学图像观察激光钻孔后的孔口未直接剥离，切片确认孔壁间距100m切片结果OK；激光钻孔后处理物理磨板方式对孔口剥离的影响程度：去毛刺全程高压水洗段磨刷段超声波段，其中BF-ANP铜箔去毛刺全程在孔壁间距300 m出现剥离；而MLS-G2铜箔在孔壁间距200 m出现剥离；综上，导致低轮廓铜箔孔口剥离的主要因素是孔壁间距与去毛刺高压水洗，其次是去毛刺各段综合作用的结果，除了铜箔种类外，随着孔壁间距减小，激光钻孔后的热辐射传导作用增加，是导致孔口剥离的关键原因。3.2.2 孔口剥离改善优化分析从实际生产的工艺可行性角度出发，对于低轮廓铜箔激光钻孔后的处理方式，为了保证孔口的可靠性，将评估上述去毛刺孔口剥离较严重的BF-ANP铜箔，采用去棕化膜的化学微蚀方法代替去毛刺的物理磨板方法的工艺可行性及优化结果。（1）实验材料：BF-ANP铜箔，EM-526板材及半固化片。（2）铜厚控制：针对激光钻孔后处理采用去棕化膜微蚀方法，根据生产经验，为了保证孔口溅射铜的去除，控制处理前后的微蚀量在1.00.2 m；进一步为了保证电镀前铜厚5 m，不同于去毛刺工艺，需将基铜减薄铜铜厚调整至9m进行后续制作，具体的各流程铜厚控制示意图如下：图12 激光钻孔过程不同处理方式铜厚控制示意图（3）重点管控项目实验结果：激光孔孔径：表面棕化处理后铜厚（71）m，在常规激光钻孔参数（铜厚6 m1 m）下的孔径尺寸表现，包括上下孔径尺寸，真圆度及上下孔径比的确认结果，如图13所示，其中表面棕化处理后铜厚6 m1 m为对照组（工艺参数：70 m介厚/100 m孔径/日立L-Type激光钻机，参数AP24/161/43）：由图13可知，激光钻孔、去棕化膜、Desmear过程：表面棕化处理后铜厚71 m相比常规61 m，上孔径尺寸中值减小3 m5 m，但满足（10515）m的管控标准；其他管控项目，两种铜厚相差不大，均满足厂内100 m盲孔，下孔径尺寸80 m、上下孔径比80%、真圆度90%的管控标准，综上常规激光钻孔参数下，表面棕化处理铜厚控制6 m更改7 m后，激光孔孔径尺寸表现满足厂内控制要求。去棕化膜微蚀处理孔口表现：激光钻孔后的测试板经去棕化膜处理，微蚀量（1.00.2）m，检查孔壁间距100 m及以上的孔口表现，去棕化膜后，经切片及AOI光学表观检查孔口，孔口溅射铜去除完全，无剥离起翘的问题，如图14所示，可见通过去棕化膜的方法代替去毛刺的物理磨板方法的结果是可行的，检查数量6 PNL。(1)去毛刺不同处理阶段典型切片图 (2)去毛刺全程孔口剥离区域的3D扫描图 83HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛图14 去棕化膜工艺-100 m孔壁间距的孔口表观激光钻孔、去棕化膜至电镀前铜厚确认：使用铜厚测量仪收集测试板激光钻孔后至电镀前的铜厚，（测试数量：18点法/PNL，正反面测量共6 PNL）如表2，棕化后铜厚控制7 m，去棕化微蚀量（1.00.2）m，Desmear处理微蚀量很小，最终可满足电镀前铜厚控制5 m的管控要求。电镀后孔型结果：对棕化后铜厚7 m测试版进行电镀填孔制作，收集电镀后孔型结果，如图15所示，孔口表现OK，无剥离起翘缺陷，孔径各项指标均满足厂内制作要求。可靠性测试：对测试板进行相关可靠性测试，结果如表3、图1617所示，满足品质管控要求。（4）小结：通过以上评估结果，针对孔口剥离问题，可以通过改变激光钻孔后的处理方式，采用去棕化膜微蚀取代去毛刺处理进行有效改善，可靠性测试满足厂内品质管控要求，并进行了多款样品的制作，工艺稳定，孔口表现良好。4 结论（1）低轮廓铜箔与其匹配树脂的结合力铜箔粗糙度并不是决定性因素，对于不同树脂体系的高频高速材料及低轮廓阶段3-Desmear后2-去棕化膜后1-激光钻孔后棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m1201151101051009590上上孔孔/m阶段3-Desmear后2-去棕化膜后1-激光钻孔后棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m11010510095908580下下孔孔/m110.78106.59106.07107.74103.98102.27101.2493.7392.2498.4093.8391.15不不同同阶阶段段上上孔孔径径的的箱箱线线图图不不同同阶阶段段下下孔孔径径尺尺寸寸的的箱箱线线图图阶段3-Desmear后2-去棕化膜后1-激光钻孔后棕化后7um棕化后6um棕化后7um棕化后6um棕化后7um棕化后6um10095908580上上下下孔孔径径比比/%阶段3-Desmear后2-去棕化膜后1-激光钻孔后棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m棕化后7m棕化后6m105100959085真真圆圆度度/%91.0688.5386.6590.7389.4787.8797.3595.1795.5997.9995.5595.31不不同同阶阶段段上上下下孔孔径径比比的的箱箱线线图图不不同同阶阶段段真真圆圆度度的的箱箱线线图图 图13 激光钻孔后各阶段孔径尺寸箱线图2023春季国际PCB技术/信息论坛84HDI板 HDI Board棕化后铜厚 阶段 平均值/m 最大值/m 最小值/m 标准差 7 m(试验组)棕化后 6.979 7.291 6.552 0.167 去棕化膜后 6.161 6.472 6.004 0.124 Desmear 后 6.041 6.635 5.788 0.154 6 m(对照组)棕化后 5.912 6.257 5.654 0.186 去棕化膜后 5.183 5.578 4.815 0.160 Desmear后 5.065 5.466 4.736 0.165 表2 激光钻孔至电镀前铜厚数据图15 电镀后孔径检查结果表3 去棕化膜工艺盲孔可靠性测试结果序号 项目 测试方法 数量 结果 判定 1 耐电流 200,10 s,电流2.5 A 6 pnl 无失效异常 ACC 2 热应力 IPC-TM-650.2.6.8 288 5;10 s;6 cycles 6 pcs 切片检查无分层;无开裂等 ACC 3 热油 IPC-TM-650 2.4.6 260 30 s/20 30 s,100 cycles 25 pcs 电阻前后变化率10%;切 片检查孔口无剥离起翘ACC 4 Reflow IPC-TM-650 2.6.2720 cycles 25 pcs 切片检查无分层,无开裂等 ACC 5 AATS IPC-TM-650 2.6.7.2-55/125,1000 cycles25 pcs 电阻前后变化率高压水洗段磨刷段超声波段；除了低轮廓铜箔种类外，孔壁间距是影响孔口剥离的关键因素，孔壁间距越小，热量越容易聚集，引起孔壁剥离的风险越大。（3）针对低轮廓铜箔CO2激光直接钻孔盲孔孔口剥离问题，可以通过改变激光钻孔后的处理方式，采用去棕化膜微蚀取代去毛刺处理进行改善，此外，通过前期的实验评估筛选出与相同树脂体系结合力更好的低轮廓铜箔，也是改善此问题的有效途径之一，以便更好的应用于生产。参考文献1 毛英捷.印制电路铜面粗化效果对信号完整性的影响研究D.电子科技大学,2017.2 林金堵.5G用印制板低粗糙度导体的结合力挑战J.印制电路信息,2021,v.29;No.349(03):9-12.3 范红等.低轮廓铜箔在高频材料中应用的研究J.印制电路信息,2015,v.23;No.271(08):29-34.第一作者简介王红月，本科学历，就职于上海美维电子有限公司，研发部工程师，主要从事HDI及5G等新产品的工艺开发与优化工作。