電路板內(nèi)層塞孔制程技術(shù)解析

塞孔一詞對印刷電路板業(yè)界而言并非是新名詞，早期在外層線路的蝕刻制程時(shí)為避免Dry-Film Tenting 在PTH 孔Ring 邊過小，無法完全蓋孔造成孔壁電鍍層遭蝕刻而成Open 的不良出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)曾采塞孔法填入暫時(shí)性油墨以保護(hù)孔壁，后因Tin Tenting 制程在市場上成為主流此工法才逐漸被淘汰；即便如此現(xiàn)行多層板亦被要求防焊綠漆塞孔；但上述制程皆為應(yīng)用于外層之塞孔作業(yè)，本文所要探討的主題是以內(nèi)層埋 孔塞孔技術(shù)為主。

一 前言

HDI高密度連接技術(shù)的時(shí)代，線寬與線距等將無可避免往愈小愈密的趨勢發(fā)展，也因而衍生出不同以往型態(tài)的PCB 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，如Via on Pad、Stack Via 等等，在此前提下內(nèi)層埋孔通常被要求完全填滿并研磨平整以增加外層的布線面積，市場的需求不僅考驗(yàn)PCB業(yè)者的制程能力同時(shí)也迫使原物料供貨商必須開發(fā)出 更Hi-Tg、Low CTE、低吸水率、無溶劑、低收縮率、容易研磨等等特性的塞孔油墨以滿足業(yè)界的需求。塞孔段之主要流程為鉆孔、電鍍、孔壁粗化（塞孔前處理）、塞孔、烘 烤、研磨等。在此將針對樹脂塞孔制程做較為詳盡的介紹。

二 內(nèi)層塞孔目的

除上述布線面積為主要的考慮外尚有介質(zhì)層均一厚度之要求，內(nèi)層塞孔目的為：

1. 避免外層線路訊號的受損。

2. 做為上層迭孔結(jié)構(gòu)的基地。

3. 符合客戶特性阻抗的要求。

三 現(xiàn)行內(nèi)層塞孔方式與能力

常見的內(nèi)層塞孔方式有增層壓合填孔（可分為RCC 及HR 高含膠量PP 等，本文所舉皆以RCC 壓合填孔為例）與樹脂油墨塞孔等兩種，一般而言內(nèi)層若為小孔徑，低縱橫比及孔數(shù)少之埋孔可使用增層壓合自然填充方式塞孔；而大孔徑、高縱橫比與孔數(shù)多之埋 孔，則將因RCC 之含膠量不足以填充較大與較深孔徑之埋孔，因此不適合以此種方式塞孔，含膠量若無法完全填充埋孔將造成塞孔氣泡、凹陷與介質(zhì)厚度不足等等問題的出現(xiàn)，此亦 將影響產(chǎn)品整體之可靠度。RCC 所含之樹脂（膠）也同時(shí)擁有相對較高之熱膨脹系數(shù)CTE （ Coefficient of Thermal Expansion），此為典型RCC 所內(nèi)含樹脂的特性，過高的CTE 將促使填充材料在受熱 （如冷熱沖擊、熱應(yīng)力等信賴性測試） 的過程中發(fā)生龜裂（Crack）或分層（Delamination）的情形；兩種材料之間存在差異甚大的CTE 與內(nèi)含塞孔氣泡均為導(dǎo)致上述不良的主要原因。

內(nèi)層塞孔通常要求需100%塞滿，如圖一所示當(dāng)出現(xiàn)縱橫比較大的孔徑時(shí)，無論何種增層壓合填孔方式都將無法滿足此項(xiàng)要求，此時(shí)僅能選擇以樹脂油墨塞孔來進(jìn)行塞孔作業(yè)。

為達(dá)內(nèi)層塞孔100%塞滿之需求，塞孔操作壓力無可避免的將造成孔徑之兩端油墨額外突出，因此塞孔油墨在硬化后尚需將兩端突出之油墨予以研磨平整，方可進(jìn)行下一工序，避免在后續(xù)的金屬化或線路制程中形成電鍍不良與線路斷路等等不良后果的出現(xiàn)。樹脂油墨塞孔又可區(qū)分為：

1. 網(wǎng)印印刷塞孔。

2. 滾輪刮印填孔。

兩種主要不同的作業(yè)方式可供選擇，首先就網(wǎng)印印刷塞孔方式做一說明，網(wǎng)印塞孔為目前業(yè)界普遍使用的塞孔作業(yè)方式，因其所需之主要設(shè)備印刷機(jī)臺為各家 業(yè)者均普遍擁有項(xiàng)目；而所必需之工具如：印刷網(wǎng)板、刮刀、下墊板、對位Pin等等也幾乎是隨處可見之常備物料，其作業(yè)流程并非是很困難的操作，以單次行程 的刮刀印刷在與內(nèi)層塞孔孔徑位置相符的網(wǎng)板上，藉由印刷壓力將油墨塞入孔徑內(nèi)，同時(shí)為使油墨順利塞入孔內(nèi)在內(nèi)層塞孔板的下方，需準(zhǔn)備一可供塞孔孔徑透氣用 之下墊板，使孔內(nèi)空氣在塞孔過程中可順利排出，而達(dá)到100%塞滿的效果。即使如此若要獲得符合要求的塞孔質(zhì)量，關(guān)鍵在于各項(xiàng)操作的優(yōu)化參數(shù)，這包含了網(wǎng) 板的網(wǎng)目、張力、刮刀硬度、角度、速度等等方面均會影響到塞孔質(zhì)量，而不同的塞孔孔徑縱橫比也會有不同的參數(shù)考慮，作業(yè)員需具備相當(dāng)之經(jīng)驗(yàn)方可獲得最佳的 作業(yè)條件。

網(wǎng)印塞孔的優(yōu)點(diǎn)有：

1. 印刷機(jī)臺用途廣泛，可應(yīng)用于防焊及文字印刷等等制程。

2. 為普遍的塞孔方式，流程安排也相對較為容易。

3. 不需塞孔之孔徑可于網(wǎng)板上設(shè)置擋點(diǎn)，避免沾墨。

4. 無須額外購置塞孔設(shè)備，適于業(yè)界現(xiàn)有制程。

網(wǎng)印塞孔在缺點(diǎn)方面有：

1. 作業(yè)人員需累積相當(dāng)之操作經(jīng)驗(yàn)后方可熟練。

2. 作業(yè)參數(shù)繁瑣、復(fù)雜。

3. 難以運(yùn)用于不同塞孔孔徑在同一內(nèi)層之需求。

4. 每一內(nèi)層塞孔板均需另外制作相對應(yīng)的網(wǎng)板。

5. 生產(chǎn)效率較差。

滾輪刮印填孔主要的投資即為塞孔專用機(jī)，其工法與網(wǎng)印印刷塞孔有所不同，其作業(yè)方式是以滾輪將油墨填印入塞孔孔徑來進(jìn)行作業(yè)；操作時(shí)藉由內(nèi)層板進(jìn)入 兩滾輪之間，在行進(jìn)過程中塞孔板與位于塞孔板上下方之滾輪產(chǎn)生相互壓迫、推擠效應(yīng)而迫使下方的含墨滾輪將油墨填印入塞孔孔徑，下方滾輪有部分含浸在儲墨槽 內(nèi)，運(yùn)作過程可不斷的補(bǔ)充所需之塞孔油墨，最后當(dāng)塞孔板持續(xù)前進(jìn)時(shí)會經(jīng)過已預(yù)先設(shè)置之刮刀，將多余突出之油墨刮平回收。

滾輪刮印填孔的優(yōu)點(diǎn)有：

1. 可快速填印塞孔板。

2. 沒有印刷網(wǎng)板的需求。

3. 較少的制程參數(shù)。

4. 容易的得到較為平整的研磨表面。

滾輪刮印填孔在缺點(diǎn)方面則有：

1. 不需塞孔的孔徑需另外將其覆蓋。

2. 擁有較高的操作風(fēng)險(xiǎn)（如薄板卡板）

3. 作業(yè)一次所需的油墨量較大，油墨需有良好的操作周期。

4. 可供選擇的油墨種類較少。

網(wǎng)印印刷塞孔與滾輪刮印填孔各有其優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍，如網(wǎng)印塞孔因生產(chǎn)效率較低適用于樣品或批量數(shù)較少之塞孔板，就塞孔能力而言則適合板厚較薄之塞孔板，而滾輪刮印填孔因生產(chǎn)效率較高適用于批量數(shù)較大之塞孔板，就塞孔能力而言則適合板厚較厚之內(nèi)層塞孔板。

應(yīng)用于內(nèi)層塞孔之油墨無論是網(wǎng)印印刷塞孔或滾輪刮印填孔，基于上述各項(xiàng)考慮皆需具備下列特性：

1. 100%的固含量，不允許任何溶劑的存在并且需具備較低的CTE，以防止因受熱的過程中發(fā)生龜裂或分層之不良情形。

2. 硬化后之油墨硬度至少需在6H 鉛筆硬度以上。

3. 塞孔研磨后需有平整的表面，不可存在任何凹陷。

4. 與鍍銅孔壁之間需有良好之附著力。

5. 硬化后之油墨金屬化（鍍銅）能力與附著力需相當(dāng)良好。

6. Tg 點(diǎn)需大于140℃以上。

7. Tg 點(diǎn)以下之CTE必須低于50 PPM。

8. 容易研磨，研磨后不可留下孔口凹陷。

四 塞孔油墨特性簡介

IPC-6012A 在3.6.2.15 盲孔及埋孔之填膠規(guī)范中規(guī)定：盲孔并無填膠的要求，Class2 專業(yè)性電子產(chǎn)品及Class3 高可靠度電子產(chǎn)品板類必須在壓合時(shí)填入膠片之膠量至60%程度。Class1 一般性電子產(chǎn)品則可允許到完全空洞的程度。若產(chǎn)品需應(yīng)用到特殊之結(jié)構(gòu)如Stack Via 時(shí)，如圖四所示，內(nèi)層塞孔除被要求需100%填滿外，還需具備容易研磨的特性，且在研磨后孔口凹陷必須小于5um以下，以避免高頻時(shí)訊號的完整性受損。

內(nèi)層塞孔油墨依硬化方式可大致區(qū)分成三種：

1. 一段熱烘烤硬化型塞孔油墨。

2. 二段熱烘烤硬化型塞孔油墨。

3. UV曝光加熱烘烤硬化型塞孔油墨。

一段熱烘烤硬化型塞孔油墨之烘烤條件大約為150℃、30~45 分鐘，最佳之烘烤條件則需視個(gè)別塞孔孔徑之Aspect Ratio 而做不同程度之調(diào)整，一段熱烘烤硬化型塞孔油墨雖具有較高的烘烤效率但因其烘烤后即達(dá)8-9H 之鉛筆硬度，相對的也將造成研磨的困難，既要求需研磨干凈與平整，又要達(dá)到幾乎不可有任何研磨凹陷的產(chǎn)生，若無良好穩(wěn)定之研磨設(shè)備，較難達(dá)成上述之要求。

二段熱烘烤硬化型塞孔油墨，其硬化過程可區(qū)分為兩個(gè)階段， 第一段硬化為預(yù)烤（Pre -curing） ， 預(yù)烤后之油墨硬化程度通常為4-5H，特點(diǎn)是便于研磨亦可降低研磨成本，待研磨完成后再執(zhí)行第二段硬化， 稱為后烘烤（Post-curing），第二段烘烤后油墨硬化即可達(dá)8-9H。二段烘烤雖然花費(fèi)較多之烘烤時(shí)間，但其整體所獲得之效率（尤指塞孔質(zhì)量與刷 磨效益）均較一段熱烘烤硬化型塞孔油墨來的優(yōu)良。UV 曝光加熱烘烤硬化型塞孔油墨之使用者以野田塞孔制程最為著名，其制程與二段熱烘烤硬化型塞孔油墨相似，不同之處在于其第一段硬化Pre-Curing是使 用野田公司自行開發(fā)成功之低溫液中曝光機(jī)，在低溫液中的環(huán)境中曝光硬化，硬化后之硬度約為2-3H，然后再執(zhí)行刷磨與后烘烤作業(yè)，此低溫液中曝光機(jī)為該公 司之獨(dú)家技術(shù)，所公開之資料有限在此無法多做敘述。

目前市面上的內(nèi)層塞孔用油墨，無論是何種硬化型態(tài)大都已改為不含溶劑（Solvent）性質(zhì)之配方，溶劑在烘烤過程中將因受熱而揮發(fā)，但若塞孔孔徑為高Aspect Ratio 時(shí)，溶劑亦將相對較難完全排出而有部份殘留于孔內(nèi)，而殘留之溶劑在

再 次的受熱過程中仍會再度膨脹，此時(shí)即有可能在油墨內(nèi)部形成Crack 的現(xiàn)象，特別是高溫短時(shí)間的烘烤方式與高Aspect Ratio 孔徑的組合時(shí)，容易發(fā)生孔口處油墨已硬化而孔徑內(nèi)部油墨卻仍未完全硬化之皮膜效應(yīng)（Skinning over）產(chǎn)生，因此更易使溶劑殘留孔內(nèi)造成塞孔不良；低溫長時(shí)間的烘烤方式可避免上述情形的發(fā)生也有助于油墨中揮發(fā)成分的排出， 100%固含量及無溶劑成分之塞孔油墨，可將殘留溶劑的膨脹與硬化后油墨的收縮減至最低的程度。

五 研磨方式簡介

為確保內(nèi)層塞孔研磨質(zhì)量，避免因不當(dāng)?shù)难心ピO(shè)備與研磨條件造成研磨質(zhì)量的異常，因此在研磨時(shí)必須針對孔口凹陷、孔角受損、板材漲縮、研磨粗糙度、研 磨量、研磨成本、薄板能力及研磨輪匹配性等等各項(xiàng)特性予以要求并嚴(yán)格管制，方可提升整體制程良率，常用于內(nèi)層塞孔研磨制程之設(shè)備有：

（1） Belt Sander 研磨機(jī)。

（2） 自動(dòng)調(diào)壓式研磨機(jī)。

本公司并無太多經(jīng)驗(yàn)在Belt Sander 研磨機(jī)方面，因此僅就自動(dòng)調(diào)壓式研磨機(jī)做說明，用于自動(dòng)調(diào)壓式研磨機(jī)的研磨輪有陶瓷研磨輪與不織布研磨輪；整體而言陶瓷研磨輪擁有較佳的切削能力，研磨后 孔口表面不會留下凹陷，但價(jià)格昂貴、使用壽命較短為其缺點(diǎn)。不織布研磨輪同樣具備優(yōu)良之切削能力，但因其構(gòu)造因素研磨后較容易留下孔口凹陷，若單就成本方 面來做考慮其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷研磨輪；業(yè)者可依個(gè)別塞孔特性之需求選擇最適合實(shí)際作業(yè)情形之研磨輪組合。在板材的漲縮控制方面，經(jīng)測試以四軸研磨后；將內(nèi) 層板轉(zhuǎn)90°再經(jīng)后四軸研磨，可得到最佳的研磨粗糙度及漲縮控制；對于孔口的損傷也可分配承受，避免集中單一方向。

六 結(jié)論

現(xiàn)階段內(nèi)層塞孔制程無論在設(shè)備、原物料與研磨方式等，均有各種不同屬性的供貨商可提供選擇，業(yè)者可依實(shí)際需求尋找最適合之設(shè)備、物料與優(yōu)化之生產(chǎn)條件以進(jìn)行內(nèi)層塞孔作業(yè)。