电子产品里你不知道的那些事PCB主板是如何导通的？

　　最近，朋友买的一部新手机刚用不到2个月就出现频频死机，黑屏等问题，因为还在保修期就送去手机店确认到底是什么问题。
　　经拆机确认后，是主板问题导致。那手机主板怎么会导致频频死机，黑屏呢？ 今日我来带大家来初步了解一些PCB相关知识：PCB的主板是如何导通的（金属才能导通，非超导材料材料，也无电解液）？
　　随着科技的飞速发展，越来越多的电子产品进入我们的生活中，如智能手机，笔记本电脑，电视机，新能源汽车以及最近出现的人工智能机器人等。在每一个电子产品中，其运行及处理中心都连接着一块主板，我们称其为PCB，英文全称为printed circuit board，即印制电路板。而我们在使用电子产品时，一般其使用环境的温度在-20℃到50℃ ，并且随着时间的推移，使用产品会出现诸如：卡顿、传输慢、死机、黑屏等问题。今日给大家介绍的这个领域是非电子元器件和芯片问题引起，主要为PCB在使用中的品质带来品质隐患。
　　如下图所示，为某手机主板做微切片后的状况：其各层由金属铜做导通连接 ，让信号在中间进行传输，上二图为示意图，下二图为实际切片。
　　然而，金属铜在导通连接中一旦出现问题，就会影响传输速度及有可能在电子产品使用过程中出现卡顿等问题，如下图为金属铜导通连接中的异常切片：我们可以明显看到上层的金属铜与下层的金属铜层间已经有很明显的裂痕 ，这就是问题的所在了。
　　PCB主板各层如何有效的使用金属铜连接起来，其主要工艺流程为钻孔，除胶渣，与金属化镀铜三个主要步骤。
　　1.1在介绍除胶渣内容之前，我们需要先了解PCB在钻孔时及钻孔后的情况：钻孔分为机械钻孔和laser钻孔 。机械钻孔目前最小孔径到0.15mm，最大孔径到6.3mm，一般超过6.3mm后会使用扩孔钻孔的方式。如下图为一般机械钻孔示意图 ：
　　所谓机械钻孔，顾名思义：使用机械力（机器高速旋转）带动主轴，将钻针钻透PCB主板各层，使其各层产生连接的通道（但此时只是产生了通道，因为并未金属化，故是不能导通的） 。而在钻针高速旋转切削的过程中，钻针与主板间瞬间摩擦温度超过250℃以上（如下中间图示），主板中的非导通材料中的树脂会软化涂布满孔壁(金属层）形成胶糊渣，从而将妨碍电性互连品质。
　　1.2.除机械钻孔外，PCB制程中还有另外一种钻孔方式: Laser micro-via. Laser盲孔 方式从远古时期的(20多年前)开Large window，到conformal mask 再至如今LDD(laser direct drill)。此类钻孔方式多用于智能手机，iPAD，笔记本电脑上。如下图所示：
　　图中在做laser前，有经过图形转移将Laser孔径使用外层开窗蚀刻出来，再进行laser。优点：适用于厚面铜产品（一般LDD可以适用于面铜≤12um），且孔径一般可以做大至0.15mm~0.25mm均可，孔径大小与Laser机选择的AP光圈、发数等有关。
　　缺点：成本高（增加了开窗、蚀刻流程），品质差(1.开大窗边缘位置与填孔位置因底铜的缺失后，在后续的信赖性中易产生分离；2.与底PAD对准度差，但可以使用烧靶对位的方式来解决）。总而言之弊大于利，故随时间的推移LDD流程产生了。
　　1.3.LDD(laser direct drill) 的产生，极大的解决了镭射成本与品质问题，且对准也得到明显的提高。但直接镭射后孔壁及底垫上也照样会形成胶渣，需要去除 。如下示意图所示：
　　一般LDD可以适用于面铜≤12um ，镭射孔径在75um-150um之间 ，PP介质层的厚度依据纵横比(Aspect Ratio )在保证盲孔信赖性的情况下：不可超过0.7:1 。另外镭射盲孔产品，在进行化学除胶前会先进行电浆除胶(Plasma)。
　　1.4.不管是机械钻孔，还是镭射钻孔，其均会产生胶渣影响电性导通，故金属化之前必须彻底清除以保证互连的品质 。
　　从上四图中的叠构可以看出，CO2镭射后的孔型（最右一组图），铜面较下面开窗的介层位置小，此称为悬铜(over hang) 。如下为实际LDD后的切片图(红色箭头位置)：
　　悬铜太长(一般管控在12.5um以内） 或纵横比太高在填孔时，易产生因药水交换变小的包心异常(当然与盲孔纵横比和填孔参数等也有相关性）。如下图，悬铜实际量测超过18um，产生的包心异常：
　　故在盲孔Desmear(化学除胶）前，其前处理流程工艺一般为：LDD laser→Plasma→去棕化或去黑化（也叫减铜，主要是去over hang）→Laser AOI（检查盲孔品质，依据工厂或制程实际情况） 。在完成以上制程工艺后，盲孔产品可以与通孔产品一起进入正式除胶制程工艺。
　　2.1对于除胶工艺(Desmear)来说，业界不管使用使用龙门线，还是水平线其工艺流程均是一致的，仅是设备差异。在各类PCB板进入除胶前，都需要先做膨松处理。 其示意图如下：
　　膨松工艺：各通孔和盲孔在膨松槽中经75℃以上槽液中，经1-10min浸泡处理，其在可溶于水之有机溶剂(膨松液主剂)加强碱作用下，迫使各种胶渣发生膨胀松弛。膨松剂其主要成分是NaOH和膨松液主剂( 其成份为各药水供应商商业机密)，但可推断其反应原理为：在NaOH强碱作用下，膨松液使环氧树脂的分子结构长链裂解。各时间段下的膨松状况如下图：
　　膨松工艺可能发生的异常问题：Pocket void(口袋空洞） 。其可能原因：1）钻孔制程中过度偏转；2）膨松剂渗入过多；3）玻纤布耦合处理不良等均将造成膨松剂渗入板材。 如下图所示：
　　2.2PCB经膨松工艺后进入除胶槽 ，其槽液药水主要为NaOH，KMnO4或NaMnO4 。其化学反应原理为：+7价的Mn离子在强碱环境及高温(85℃）作用下，其强氧化性可切断环氧树脂中局部高分子，反应生成CO2与H2O而得以溶除。如下图为反应原理及反应示意图：
　　PCB经除胶槽后的孔壁（通孔和盲孔）会露出洁净的玻纤与蜂窝状的树脂表面。但因各板材Tg不同（Normal Tg，Middle Tg，High Tg），故其孔壁外观在SEM分析时不尽相同。一般高Tg产品，其耐化性强不易咬蚀…各时间段下的除胶状况如下图：
　　2.3除胶反应原理： 在环氧树脂链状主题结构中，非苯环部分的局部链状具有极性部分最容易遭到高温Mn+7的氧化而分解，从而达到除胶的目的。其化学反应原理如下：
　　当孔内胶渣在Mn+7的作用下完成氧化性溶蚀后，孔内的各种已被分解物质仍需要进一步还原与清洁。具体反应如下图所示：
　　在除胶渣(Desmearing）氧化反应中，紫色Mn+7其自身被还原为绿色无效的Mn+6，但目前的设备工艺又可将其重新氧化回至有效的Mn+7。阳极端Mn+6→Mn+7，其具体反应如下：
　　2.4各类板材除胶效果确认： 因PCB产品之板材Tg不同，故除胶渣后树脂表面形态差别也较大。Tg150℃及以下者重量损失较大且易出现蜂窝状(SEM下)；而高Tg（>150℃）树脂耐化性强且较脆不易咬出蜂窝状，但这不表示附着力一定就很差，此与化铜层本身的内应力也有关。如下为不同Tg材料除胶后对比图：
　　传统的FR4 Tg150℃以下板材 ， 其树脂经Mn+7咬蚀后较易呈现蜂窝状，成为孔铜附着力良好与否的判定标准。但LF(Lead free无铅）/HF(Halogen free无卤）则不再适应这一判定标准。
　　其主要原因是：无铅化材料树脂中加入SiO2(体积25%比例），无卤化材料树脂中加入Al(OH)3(体积25%比例） ,造成各制程的困难。其切片如下：
　　机械钻孔 后的一般性树脂与填加Filler的基材，其除胶渣前后外观相差较多，高Tg不易呈现蜂窝状。如下为除胶渣前后SEM对比：
　　镭射直接成孔 后，经对铜箔板面与切片孔外观确认，其在除胶渣后的孔壁也呈现蜂窝状，具体切片图如下：
　　另半加成制程（SAP）的载板 ，其增层板材经常使用到ABF胶片，在CO2镭射或者UV镭射烧出盲孔下，除胶渣后外观也相差很大。
　　此为半加成ABF板材Desmear前后不同倍率下的微观比较：
　　针对半加成制程(Semi-Additive Process)，因其为载板产品的流程(主要为25um及以下线宽产品)，故简单介绍如下流程图所示：
　　如下为三类PCB产品除胶渣后的对比：依次为一般硬板，FPC PI，及软硬结合板
　　至此，PCB导通孔(机械钻孔，镭射钻孔）金属化前的流程已经全部完成，下一阶段正式进入金属化制程。#寻找数码点评派#​
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