背板制作工艺技术探讨
1.前言
背板（Backplane）是指具有线路和众多排插孔，主要用于承载其它功能性子板和芯片，起到高速信号及大电流传输的一类印制板产品。
背板作为具有专业化性质的一类高端印制板产品，一般具有尺寸大、层数多、厚度大、孔径纵横比高等特点，近年来发展迅速，广泛应用于通讯、航天、医疗设备、军用基站、超级计算机等领域。
背板由于其承载的特殊性能，其设计参数以及需要满足的一些要求与常规印制板产品相比存在巨大差异，技术涉及领域更宽，制作难度较高。
目前，国内能批量生产大尺寸背板的企业屈指可数，大尺寸背板研发及生产技术成为衡量PCB企业技术实力的一个重要指标，背板相关制作技术、检测设备以及专业技术人员的培养是未来背板产业发展的核心。
文章介绍一款整体22层、成品尺寸398 mm×532 mm、背钻孔组数为9组的大尺寸背板产品的关键制作工艺技术。
2.背板制作工艺技术
2.1 产品结构特点
所述印制板为一款大尺寸背板产品，具体结构参数见表1和图1。
图1 大尺寸背板层压结构图
2.2工艺流程设计
根据本款背板产品的结构特点，并结合实际PCB生产制作工艺，确定其生产工艺流程如下。
开料→内层图形→OPE冲孔→内层AOI→棕化→压合→外层钻孔→沉铜→全板电镀→外层图形→图形电镀→背钻孔→外层蚀刻→外层AOI→丝印阻焊→沉镍金→成型→成型后测试→FQC→FQA→包装
2.3工艺制作难点分析及解决方法
2.3.1 镀锡+分段背钻技术
（1）难点描述。
背钻孔是将一个电镀导通后的通孔，使用控深钻孔方法除去一部分孔铜，只保留一部分孔铜而形成的孔，背钻孔的关键作用是在高速信号传输过程中，降低多余孔铜对信号的反射干扰，以保证信号传输的完整性。
目前，背钻孔是成本较低的能够满足高频、高速线路板性能的制作方法。
但实际实施过程中，由于背钻本身的特点及其电路边结构要求等工艺难点，易出现孔内铜丝、堵孔、断钻等品质问题。
使用“前工序→全板电镀→外层图形→图形电镀（镀锡）→蚀刻→背钻→下工序”常规工艺，容易产生孔内披锋、铜丝等问题，如图2所示。
钻孔时，一方面，由于孔壁的电镀铜相对于表面覆铜基材的压延铜结合力稍弱，钻孔时钻断口附近的孔铜容易脱落，造成孔内披锋、铜丝；另一方面，孔内铜厚，一般要求最小厚度≥20 μm，由于铜箔具有较好的延展性，钻孔过程中不容易被切断，易造成孔内披锋问题。
另外，由于L10~L13层铜厚为68.6 μm，其他层铜厚18 μm，板厚4.1 mm，厚度较大，若一次完成背钻，胶渣排泄困难，易发生堵孔，且不利于散热，钻孔时热量集中，容易发生断钻、孔壁不良等问题。
图2 背钻披锋、铜丝不良切片图
（2）改善方案
改用“前工序→全板电镀→外层图形→图形电镀（镀锡）→分段背钻→蚀刻→退锡→飞针检测→下工序”的流程实施背钻，将“背钻”放在“图形电镀”之后，利用锡较铜密度小的特点，提高背钻定位精度和散热；利用蚀刻药水去除孔内铜丝、披锋，并利用高压水洗等水洗段，冲洗干净孔内钻污，防止堵孔。
调整钻针转速50 kr/min，进刀速36 mm/s，退刀速212 mm/s，采用第一次钻要求深镀的10%，第二次钻20%，第三次钻30%，第四次钻40%的“1:2:3:4”分段钻孔技术实施背钻加工。
每次钻完之后都可以更有效的
将钻污排除孔外，避免钻污过量累积产生堵孔现象，并且可以提高内层厚铜钻孔的散热效率，避免热量过大产生的孔内粗糙度过大等不良问题，同时降低断钻率。
图3所示为“1:2:3:4”分段钻孔技术示意图，图4所示为背钻孔合格切片图。
2.3.2 大尺寸背板蚀刻均匀性提升技术
（1）难点描述。
研发过程中，发现背板产品因尺寸较大，上板面容易受到“水池效应（puddling effect）”的影响，蚀刻液在板面上积存不易排走，阻挡了新鲜蚀刻液的补充，导致新鲜的蚀刻液无法直接打在待蚀刻板的板面上，减弱了板面承受的喷射力，造成上板面蚀刻速率低于下板面蚀刻速率的现象. （如图5所示）
图5 “水池效应”示意图
常规蚀刻线喷嘴为圆锥形，喷洒出的药水也为圆锥形，喷淋范围较小，板面局部受喷淋压力过大，而喷嘴之间则容易形成水池效应，导致蚀刻不均；喷嘴的流量及喷射角度受其磨损程度影响大，加上喷嘴容易发生堵塞，导致蚀刻均匀性波动较大；另外，圆锥形喷嘴在蚀刻时，板子的导入边蚀刻效果比后入边蚀刻效果好，因为板子先进入的部分药水尚未堆积，未形成“水池效应”，蚀刻速率较快，后入边进入时，“水池效应”已经形成，蚀刻速率减慢，从而影响整板的蚀刻均匀性。
（2）改善方案
采用“真空蚀刻”方法，如图6所示，在上板面喷淋管之间增加“吸药水”管道，与喷淋头管道交错排列，形成“喷淋蚀刻→吸药水→喷淋蚀刻→吸药水→……”的蚀刻模式，吸药水管道可及时将堆积在板面的药水吸走，为下一个喷淋蚀刻提供新鲜的蚀刻液，防止“水池效应”的形成，大大改善了蚀刻效果。
针对传统喷嘴存在的局限，如图6所示，喷嘴采用扇型设计，扇形喷淋有效增加了药水喷淋的面积，平衡了药水喷淋的压力，同样的喷淋压力下，可使板面受到更均匀的喷淋效果；喷嘴设置与板前进方向呈15°角错开，避免喷嘴间喷射面的交错，减弱板面局部承受的冲击力；另外，为了进一步避免先入边比后入边蚀刻效果好的问题，采用喷管摇摆设计或气动点喷式设计，为药水提供更多的交换效果，达到提升大尺寸背板蚀刻均匀性的目的。
图6 上板面增加吸药水管道示意图（左）及真空蚀刻设备构造图（右）
2.3.3 高厚径比深孔电镀能力提升技术
（1）难点描述
本次制作的背板产品，厚径比为12:1（成品最小孔径0.35 mm，板厚4.1 mm），结构为高频板材与环氧树脂板材混压，含有高频材料、高Tg板材和PP环氧树脂板材。
高频材料含胶量低，在膨松剂作用下，不易软化，采用传统的化学除钻污方法（KMnO4+NaOH）咬蚀，容易产生除钻污不足等问题；而环氧树脂体系，相比高频板材活性较强，化学除钻污药水对它的咬蚀效率快，因而采用传统的（KMnO4+NaOH）化学除钻污方法，极易产生过蚀，从而易造成孔粗糙度过大、灯芯或白化等问题。
采用常规沉铜工艺，由于产品厚径比大，相对于普通产品，孔内容易产生气泡，阻碍了药水的流通，后续容易产生孔无铜、孔铜薄等不良问题（如图7所示）。
针对沉铜次数，及沉铜时震动频率、挂板方式等参数，需要分析探索出一系列配套的调整方案。
对于沉铜后的全板电镀工序，由于板尺寸（398 mm×532 mm）及板厚度（4.1 mm）的限制，我公司采用垂直电镀（龙门线）制作，要求电镀均匀性＞90%，采用常规方法，考虑到均匀性极差，难以达到均匀性要求。
图7沉铜不良造成的孔无铜问题切片图
（2）改善方案
采用等离子除钻污方法代替传统的（KMnO4+NaOH）化学除钻污法，等离子体是在高真空条件下利用电能激化气体分子，形成离子或反应性较高的自由基，在进一步电场作用下，与材料表面发生碰撞，进而发生物理、化学反应，除去钻污，并形成一层具有细微凹凸形态的表面结构。
在等离子体化学反应中，起到化学作用的粒子主要是正离子及自由基粒子，对不同材料的作用均匀，所以除钻污效果更好。
经过测试，本产品等离子除钻污参数如表2所示。
沉铜采用隔槽插架，每两块板间距20 mm ~ 24 mm，增加药水的交换空间，避免由于板面积过大，板间距过于紧密而产生的药水流通受阻问题；挂板方向与垂直方向倾斜15°角，在每次板子“入池”时，药水与孔形成一定角度，更容易充实孔内，顺利地将孔内气泡排出，形成良好的药水交换模式；调整震动控制为震25 s停20 s，适当延长震动时间，更有利于深孔内药水的充分交换，并采用多次沉铜，避免一次沉铜产生的深孔漏沉铜，孔内壁空洞、缺口等问题。
全板电镀使用小电流长时间方法制作，为防止上下板均匀性差异，在中途将板上下颠倒180°，倒边制作，提升板面均匀性；类似沉铜原理，合理增加震动频率和震动幅度，便于孔内药水交换。
沉铜、板电具体改善参数见表3。