PCB制造之POFV工藝的技術(shù)應(yīng)用及控制要點(diǎn)

 

 ??電的地方就需要用到印制電路板（PCB）。

 如果你和我當(dāng)初跟畢業(yè)一樣，是個(gè)這方面的小白，急需要學(xué)習(xí)POFV(蓋帽銅)工藝技術(shù)應(yīng)用及控制方法，那么請(qǐng)往下看，我們將協(xié)助您科普這方面的知識(shí)。

PCB（印制電路板）作為電子元器件的載體和連接樞紐，其制造工藝直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的性能和可靠性。隨著電子設(shè)備向高頻高速、高密度集成和微型化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的PCB制造技術(shù)已難以滿足日益提升的需求。POFV（Plating Over Filled Via，電鍍填平孔）工藝作為一種先進(jìn)的PCB制造技術(shù)，通過(guò)樹脂塞孔和表面電鍍等工序，實(shí)現(xiàn)了過(guò)孔與焊盤的一體化設(shè)計(jì)，顯著提高了PCB的布線密度和可靠性。本文將詳細(xì)介紹POFV工藝的技術(shù)原理、應(yīng)用領(lǐng)域，并深入分析其關(guān)鍵控制要點(diǎn)，為PCB制造行業(yè)的工程技術(shù)人員提供參考。

 

1 POFV工藝概述

 

POFV（Plating Over Filled Via）是指電鍍填平孔工藝，也稱為VIPPO（Via in Pad Plated Over）工藝。通俗的叫法，叫“蓋帽銅”工藝，或者“蓋銅帽”，有的工廠叫“CAP” 銅，有的叫盤中孔，都是一樣的意思。外觀好像是在樹脂塞孔的上面蓋了一頂“帽子”（CAP）， 所以采用蓋帽銅的叫法更通俗易懂，又比較形象貼切一點(diǎn)。其基本原理是：首先在PCB板上鉆孔，然后通過(guò)樹脂填充將過(guò)孔填滿，經(jīng)研磨平整后，在樹脂表面進(jìn)行電鍍處理，形成平整的焊接表面。這種工藝使得過(guò)孔不僅可以起到層間互連的作用，還可以直接作為表面貼裝（SMT）焊盤使用，特別適用于高密度集成電路和微型元器件的組裝。

基本流程如下:

  流程1:（鉆兩次孔工藝）  鉆盤中孔→沉銅/鍍孔銅→塞樹脂→固化→打磨→減銅→去溢膠→鉆其它非盤中孔（通常指元件孔和工具孔）→沉銅/鍍孔銅和VIP面銅→正常流程……

  流程2:（鉆一次鉆孔工藝）  鉆所有孔→沉銅/鍍孔銅→選擇性塞樹脂（鋁片或者干膜作為其他不塞孔位置的遮擋物）→固化→打磨→減銅→沉銅/鍍孔銅和VIP面銅→正常流程……

 

POFV工藝的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中過(guò)孔與焊盤分離導(dǎo)致的布線密度低、信號(hào)路徑長(zhǎng)等問(wèn)題。通過(guò)POFV技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在焊盤上直接打孔，縮短了信號(hào)傳輸距離，改善了高頻性能，同時(shí)提高了PCB的空間利用率。然而，這一工藝也帶來(lái)了許多技術(shù)挑戰(zhàn)，如樹脂填充質(zhì)量、電鍍均勻性以及熱管理等問(wèn)題，需要精細(xì)的工藝控制和優(yōu)化。

 

2 POFV工藝的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

 

POFV工藝因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在許多高端電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以下是POFV工藝的主要應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)特點(diǎn)：

 

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域概述

 

· 通信設(shè)備：在5G基站、核心網(wǎng)路由器和交換機(jī)等通信設(shè)備中，POFV工藝廣泛應(yīng)用于高頻高速板的設(shè)計(jì)制造。這些設(shè)備需要處理大量的數(shù)據(jù)交換，對(duì)信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性要求極高。POFV工藝能夠縮短信號(hào)傳輸路徑，減少信號(hào)衰減和串?dāng)_，提高通信設(shè)備的性能。

· 計(jì)算機(jī)與服務(wù)器：隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心需要處理的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。POFV工藝用于高性能計(jì)算機(jī)和服務(wù)器主板的制造，提高了布線密度和信號(hào)傳輸速度，滿足了高速數(shù)據(jù)處理的需求。

· 消費(fèi)電子：在智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品中，POFV工藝有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的微型化和輕量化。通過(guò)在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，提高了產(chǎn)品的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

· 航空航天與軍工：這些領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求極高。POFV工藝能夠提供更加穩(wěn)定和可靠的連接，抵抗高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣環(huán)境，保證了關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行。

 

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

 

POFV工藝的實(shí)現(xiàn)主要包括以下幾個(gè)步驟：

 

1. 鉆孔：在PCB板上鉆出需要填充的過(guò)孔。

2. 孔壁金屬化：通過(guò)沉銅和電鍍工藝在孔壁形成導(dǎo)電層。

3. 樹脂塞孔：使用專用樹脂填充過(guò)孔，通常采用真空塞孔技術(shù)以確保填充飽滿。

4. 研磨平整：將表面多余的樹脂磨去，使樹脂面與PCB板面齊平。

5. 表面電鍍：先在樹脂表面沉上一層銅，然后再進(jìn)行電鍍加厚，在樹脂表面電鍍一層銅，形成平整的焊接表面。這一點(diǎn)非常重要，沉銅層的好壞，直接決定了后面蓋帽銅的質(zhì)量。

6. 后續(xù)處理：通孔電鍍或者填孔電鍍，包括圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、阻焊等常規(guī)PCB制造工序。

 

下表總結(jié)了POFV工藝在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)：

 

 

3 POFV工藝的控制要點(diǎn)

 

POFV工藝的實(shí)施過(guò)程中存在著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，需要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。以下是POFV工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)：

 

3.1 樹脂塞孔質(zhì)量控控制

 

樹脂塞孔是POFV工藝的基礎(chǔ)，其質(zhì)量直接影響到后續(xù)工序和最終產(chǎn)品的可靠性。樹脂填充不飽滿、存在氣泡或空洞等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降，甚至造成失效?？刂茦渲踪|(zhì)量需要注意以下幾個(gè)方面：

 

· 樹脂材料選擇：選擇與PCB基材熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配的樹脂材料至關(guān)重要。CTE不匹配會(huì)導(dǎo)致在溫度變化過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起樹脂與孔壁分離或連接盤脫落。研究表明，樹脂油墨、PP板材與電鍍銅的CTE差異越大，在受熱沖擊后產(chǎn)生的膨脹差異越明顯，容易導(dǎo)致樹脂塞孔連接盤受力不勻而分離。

· 塞孔工藝優(yōu)化：采用真空塞孔技術(shù)可以有效地減少樹脂中的氣泡和空洞，特別是對(duì)于高厚徑比（20:1）的孔。真空塞孔前，需要對(duì)樹脂進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁ㄍǔ?0分鐘），控制樹脂的粘度和去除氣泡。

· 烘烤固化工藝：樹脂固化過(guò)程需要采用分段烘烤策略，以避免因溫度不均勻?qū)е碌膽?yīng)力問(wèn)題。傳統(tǒng)的直接高溫烘烤（如150℃、90分鐘）會(huì)使孔口樹脂先固化，然后逐步向孔內(nèi)中心固化，導(dǎo)致內(nèi)外固化應(yīng)力不一致。推薦采用分段烘烤（如130℃、30分鐘+150℃、60分鐘），使樹脂從內(nèi)到外均勻固化，減少應(yīng)力積累。

 

3.2 表面平整度控制

 

表面平整度是POFV工藝的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響后續(xù)的電鍍質(zhì)量和焊接可靠性。樹脂凹陷或凸出都會(huì)導(dǎo)致電鍍表面不平整，影響焊盤的可焊性和可靠性?？刂票砻嫫秸刃枰⒁猓?/p>

 

· 研磨工藝優(yōu)化：傳統(tǒng)的研磨工藝采用不織布或陶瓷刷，但容易造成板面不平整、孔口銅薄或缺銅等問(wèn)題。改進(jìn)的工藝包括在樹脂塞孔前在PCB表面印刷一層脫模劑（如甲基硅油），使溢出的樹脂與PCB板面之間形成隔離層，降低研磨難度和研磨力，減少對(duì)孔口的損傷。

· 選擇性塞樹脂技術(shù)：有的企業(yè)采用堿性干膜或鋁片覆蓋非塞孔區(qū)域，然后使用真空塞孔機(jī)選擇性塞樹脂，可以獲得更加平整的表面。

 

3.3 電鍍均勻性控制

 

電鍍均勻性直接影響POFV孔的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度。傳統(tǒng)的POFV工藝需要兩次電鍍（一次孔銅電鍍，一次表面電鍍），會(huì)導(dǎo)致面銅厚度增加，影響線路蝕刻精度和線寬控制?？刂齐婂兙鶆蛐缘募夹g(shù)包括：

 

· 選擇性電鍍技術(shù)（鍍孔）：干膜覆蓋不需要電鍍的區(qū)域，只暴露需要電鍍的孔位置，孔口開窗一般單邊6mil ，從而避免面銅過(guò)度加厚。具體工藝包括：閃鍍后，在板面貼覆干膜，曝光顯影出需要電鍍的孔位置；進(jìn)行選擇性電鍍；最后退膜，過(guò)陶瓷磨板，拋平孔口的臺(tái)階。

· 凹槽設(shè)計(jì)技術(shù)：頭部公司提出了一種新穎的方法，在樹脂塞孔后的孔洞表面形成凹槽，然后進(jìn)行導(dǎo)電材料塞孔。這樣可以增加面銅與孔銅的接觸面積，增大POFV孔上蓋帽銅的結(jié)合力，防止斷裂。

 

3.4 熱應(yīng)力管理

 

熱應(yīng)力是導(dǎo)致POFV結(jié)構(gòu)失效的重要因素之一。在再流焊過(guò)程中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致不同材料之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能引起焊點(diǎn)開裂或連接盤脫落。熱應(yīng)力管理需要注意：

 

· 材料匹配選擇：選擇CTE相匹配的樹脂材料、基材和銅箔，減少熱膨脹差異。

· 設(shè)計(jì)優(yōu)化：對(duì)于BGA角部的焊點(diǎn)，如果POFV孔沒(méi)有連接內(nèi)層的大銅皮（如地層或電源層），在再流焊接快速冷卻過(guò)程中，可能會(huì)因焊點(diǎn)的單向凝固及BGA角部的翹起而出現(xiàn)"冷撕裂"（縮錫開裂）現(xiàn)象。解決方案是將POFV孔連接到內(nèi)層的大銅皮，利用銅的良好導(dǎo)熱性分散熱量，避免局部過(guò)熱和單向凝固。

 

3.5 連接盤設(shè)計(jì)優(yōu)化

 

連接盤設(shè)計(jì)對(duì)POFV結(jié)構(gòu)的可靠性有著重要影響。連接盤尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致結(jié)合力不足，容易脫落；而過(guò)大則可能引起短路或降低布線密度。優(yōu)化連接盤設(shè)計(jì)需要考慮：

 

· 尺寸適當(dāng)放大：研究表明，將連接盤直徑從0.2mm放大到0.3mm可以顯著降低樹脂塞孔連接盤脫落的不良率。但在放大的同時(shí)，需要保證最小間距，導(dǎo)入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在滿足客戶需求的前提下做最大補(bǔ)償。

· 內(nèi)層連接設(shè)計(jì)：將POFV孔與內(nèi)層大銅皮連接，可以提高散熱性和機(jī)械強(qiáng)度，減少冷撕裂風(fēng)險(xiǎn)。

 

3.6 孔口形變控制

 

POFV工藝中的孔口形變是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，主要表現(xiàn)在磨板過(guò)程中對(duì)孔口周邊銅箔的拉扯，導(dǎo)致變形。控制孔口形變的方法包括：

 

· 脫模劑應(yīng)用：在樹脂塞孔前，在PCB板上下表面印刷脫模劑（如甲基硅油或甲基苯基硅油），厚度一般為10-50μm。經(jīng)過(guò)烘干去除溶劑成分后，再進(jìn)行樹脂塞孔。這樣，溢出的樹脂與PCB板面之間有脫模劑隔離，磨板時(shí)所需的研磨力降低，減少了對(duì)孔口的拉扯。

· 溫和研磨策略：采用減震研磨機(jī)或調(diào)整研磨參數(shù)，降低研磨強(qiáng)度，減少對(duì)孔口的損傷。

 

3.7 質(zhì)量控制與檢測(cè)

 

POFV工藝的質(zhì)量控制需要全程監(jiān)控和多維度檢測(cè)。常用的質(zhì)量控制方法包括：

 

· 蓋帽銅沉銅前的藥水活性控制：因蓋帽銅沉銅前負(fù)載比較小，連續(xù)生產(chǎn)容易沉銅線藥水活性不足，蓋帽銅沉銅不良，到最后蓋帽銅薄或者蓋帽銅直接斷裂；蓋帽銅沉銅不良，可采用如下幾點(diǎn)措施控制：

a>.沉銅線不能停機(jī)，保持連續(xù)生產(chǎn)，停機(jī)半個(gè)小時(shí)以上，需要放5塊以上的拖缸板

b>.連續(xù)生產(chǎn)時(shí)每30塊蓋帽銅生產(chǎn)板，中間放5塊拖缸板

c>.每次生產(chǎn)不超過(guò)120塊，超過(guò)此塊數(shù)之后，需搭配正常的通孔板交叉生產(chǎn)。

d>.背光控制，蓋帽孔沉銅時(shí)，需要用專用的背光測(cè)試片，或者用通孔板夾在中間，按照正常流程做背光測(cè)試。

e>.特殊材料如PTFE，基材位置親水性比較差的，沉銅前需要過(guò)等離子，做一次活化程序，在4小時(shí)之內(nèi)完成沉銅。

f>.蓋帽銅沉銅后的板，4個(gè)小時(shí)之內(nèi)必須完成板電加鍍，避免沉銅層氧化被酸缸藥水反咬蝕。

g>.板電前處理的酸缸，嚴(yán)格控制銅離子含量在100ppm以內(nèi)，避免前處理咬銅，最好是做蓋帽銅之前，前處理全部換新缸。

整個(gè)工藝流程，過(guò)程對(duì)蓋帽銅厚度的管控措施如下：

（1）如果是內(nèi)層蓋帽銅，上面打激光盲孔，這時(shí)厚度至少要大于16um，避免打盲孔時(shí)擊穿蓋帽銅。

（2）如果是外層負(fù)片工藝，蓋帽銅厚度需要按客戶的要求來(lái)，還要考慮到后工序的磨板以及超粗化/微蝕等損耗，一般半成品要控制在大于12-18um,成品控制在5~12um。

（3）如果外層走正片工藝，在蓋帽銅第1次沉銅/板電后的厚度控制在5~8um,而且外層干膜前處理,要注意調(diào)節(jié)磨板壓力以及控制微蝕量，不能因?yàn)槟グ暹^(guò)度以及微蝕過(guò)度導(dǎo)致蓋帽筒斷裂。

（4）后工序返工對(duì)蓋帽銅厚的控制，后工序嚴(yán)格控制返工次數(shù)，每次返工前均需要做好首件，切片確認(rèn)蓋帽銅的銅厚?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)案例：曾多次出現(xiàn)過(guò)因后工序返工次數(shù)不受控或者返工方法不當(dāng)導(dǎo)致的批量性蓋帽銅斷裂。

 

 

切片分析：通過(guò)切片樣品，觀察孔填充情況、樹脂與孔壁結(jié)合情況、電鍍層厚度等。

· 熱應(yīng)力測(cè)試：模擬再流焊過(guò)程，檢查POFV結(jié)構(gòu)的熱可靠性。

· 電氣測(cè)試：檢查孔的導(dǎo)電性能和絕緣性能。

 

4 POFV工藝的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

 

隨著電子產(chǎn)品繼續(xù)向高性能、高密度和微型化方向發(fā)展，POFV工藝也將不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括：

 

· 工藝創(chuàng)新：如深南電路申請(qǐng)的"印制電路板制備方法和印制電路板"專利中提到的凹槽設(shè)計(jì)技術(shù)，以及奧士康科技提出的面銅厚度控制方法，這些創(chuàng)新技術(shù)將進(jìn)一步提高POFV工藝的可靠性和適用性。

· 材料研發(fā)：開發(fā)新型樹脂材料，具有與PCB基材更匹配的CTE、更高的導(dǎo)熱性和更好的填充性能，將是未來(lái)的重要研究方向。

· 應(yīng)用領(lǐng)域拓展：隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，POFV工藝將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等。

 

5 結(jié)語(yǔ)

 

POFV工藝作為PCB制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過(guò)樹脂填充和表面電鍍實(shí)現(xiàn)了過(guò)孔與焊盤的一體化，顯著提高了PCB的布線密度和信號(hào)完整性。然而，該工藝也面臨著樹脂塞孔質(zhì)量、表面平整度、電鍍均勻性、熱應(yīng)力管理等多方面的挑戰(zhàn)。通過(guò)優(yōu)化材料選擇、改進(jìn)工藝流程、創(chuàng)新技術(shù)和完善質(zhì)量控制，可以有效地解決這些問(wèn)題，提高POFV結(jié)構(gòu)的可靠性和良率。

 

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，POFV工藝將在高端PCB制造中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。PCB制造企業(yè)需要加大研發(fā)投入，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才，不斷完善和優(yōu)化POFV工藝，以滿足電子產(chǎn)品日益提升的性能和可靠性要求。