PCB制造之POFV盖帽铜工艺的技术应用及控制要点

 

 

PCB制造之POFV工艺的技术应用及控制要点

 

 🈶电的地方就需要用到印制电路板（PCB）。

 如果你和我当初跟毕业一样，是个这方面的小白，急需要学习POFV(盖帽铜)工艺技术应用及控制方法，那么请往下看，我们将协助您科普这方面的知识。

PCB（印制电路板）作为电子元器件的载体和连接枢纽，其制造工艺直接关系到电子产品的性能和可靠性。随着电子设备向高频高速、高密度集成和微型化方向发展，传统的PCB制造技术已难以满足日益提升的需求。POFV（Plating Over Filled Via，电镀填平孔）工艺作为一种先进的PCB制造技术，通过树脂塞孔和表面电镀等工序，实现了过孔与焊盘的一体化设计，显著提高了PCB的布线密度和可靠性。本文将详细介绍POFV工艺的技术原理、应用领域，并深入分析其关键控制要点，为PCB制造行业的工程技术人员提供参考。

 

1 POFV工艺概述

 

POFV（Plating Over Filled Via）是指电镀填平孔工艺，也称为VIPPO（Via in Pad Plated Over）工艺。通俗的叫法，叫“盖帽铜”工艺，或者“盖铜帽”，有的工厂叫“CAP” 铜，有的叫盘中孔，都是一样的意思。外观好像是在树脂塞孔的上面盖了一顶“帽子”（CAP）， 所以采用盖帽铜的叫法更通俗易懂，又比较形象贴切一点。其基本原理是：首先在PCB板上钻孔，然后通过树脂填充将过孔填满，经研磨平整后，在树脂表面进行电镀处理，形成平整的焊接表面。这种工艺使得过孔不仅可以起到层间互连的作用，还可以直接作为表面贴装（SMT）焊盘使用，特别适用于高密度集成电路和微型元器件的组装。

基本流程如下:

  流程1:（钻两次孔工艺）  钻盘中孔→沉铜/镀孔铜→塞树脂→固化→打磨→减铜→去溢胶→钻其它非盘中孔（通常指元件孔和工具孔）→沉铜/镀孔铜和VIP面铜→正常流程……

  流程2:（钻一次钻孔工艺）  钻所有孔→沉铜/镀孔铜→选择性塞树脂（铝片或者干膜作为其他不塞孔位置的遮挡物）→固化→打磨→减铜→沉铜/镀孔铜和VIP面铜→正常流程……

 

POFV工艺的出现，解决了传统PCB设计中过孔与焊盘分离导致的布线密度低、信号路径长等问题。通过POFV技术，设计人员可以在焊盘上直接打孔，缩短了信号传输距离，改善了高频性能，同时提高了PCB的空间利用率。然而，这一工艺也带来了许多技术挑战，如树脂填充质量、电镀均匀性以及热管理等问题，需要精细的工艺控制和优化。

 

2 POFV工艺的关键技术应用

 

POFV工艺因其独特的技术优势，在许多高端电子领域得到了广泛应用。以下是POFV工艺的主要应用领域和技术特点：

 

2.1 应用领域概述

 

· 通信设备：在5G基站、核心网路由器和交换机等通信设备中，POFV工艺广泛应用于高频高速板的设计制造。这些设备需要处理大量的数据交换，对信号的完整性和稳定性要求极高。POFV工艺能够缩短信号传输路径，减少信号衰减和串扰，提高通信设备的性能。

· 计算机与服务器：随着云计算和大数据技术的发展，服务器和数据中心需要处理的数据量呈指数级增长。POFV工艺用于高性能计算机和服务器主板的制造，提高了布线密度和信号传输速度，满足了高速数据处理的需求。

· 消费电子：在智能手机、平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品中，POFV工艺有助于实现产品的微型化和轻量化。通过在有限的空间内集成更多的功能模块，提高了产品的性能和竞争力。

· 航空航天与军工：这些领域对电子设备的可靠性和环境适应性要求极高。POFV工艺能够提供更加稳定和可靠的连接，抵抗高温、高压和强振动等恶劣环境，保证了关键设备的安全运行。

 

2.2 技术实现方式

 

POFV工艺的实现主要包括以下几个步骤：

 

1. 钻孔：在PCB板上钻出需要填充的过孔。

2. 孔壁金属化：通过沉铜和电镀工艺在孔壁形成导电层。

3. 树脂塞孔：使用专用树脂填充过孔，通常采用真空塞孔技术以确保填充饱满。

4. 研磨平整：将表面多余的树脂磨去，使树脂面与PCB板面齐平。

5. 表面电镀：先在树脂表面沉上一层铜，然后再进行电镀加厚，在树脂表面电镀一层铜，形成平整的焊接表面。这一点非常重要，沉铜层的好坏，直接决定了后面盖帽铜的质量。

6. 后续处理：通孔电镀或者填孔电镀，包括图形转移、蚀刻、阻焊等常规PCB制造工序。

 

下表总结了POFV工艺在不同应用领域中的关键技术特点：

 

 

3 POFV工艺的控制要点

 

POFV工艺的实施过程中存在着诸多技术挑战，需要严格控制各个环节以确保最终产品的质量和可靠性。以下是POFV工艺的关键控制要点：

 

3.1 树脂塞孔质量控控制

 

树脂塞孔是POFV工艺的基础，其质量直接影响到后续工序和最终产品的可靠性。树脂填充不饱满、存在气泡或空洞等问题会导致产品可靠性下降，甚至造成失效。控制树脂塞孔质量需要注意以下几个方面：

 

· 树脂材料选择：选择与PCB基材热膨胀系数（CTE）匹配的树脂材料至关重要。CTE不匹配会导致在温度变化过程中产生热应力，引起树脂与孔壁分离或连接盘脱落。研究表明，树脂油墨、PP板材与电镀铜的CTE差异越大，在受热冲击后产生的膨胀差异越明显，容易导致树脂塞孔连接盘受力不匀而分离。

· 塞孔工艺优化：采用真空塞孔技术可以有效地减少树脂中的气泡和空洞，特别是对于高厚径比（20:1）的孔。真空塞孔前，需要对树脂进行充分搅拌（通常30分钟），控制树脂的粘度和去除气泡。

· 烘烤固化工艺：树脂固化过程需要采用分段烘烤策略，以避免因温度不均匀导致的应力问题。传统的直接高温烘烤（如150℃、90分钟）会使孔口树脂先固化，然后逐步向孔内中心固化，导致内外固化应力不一致。推荐采用分段烘烤（如130℃、30分钟+150℃、60分钟），使树脂从内到外均匀固化，减少应力积累。

 

3.2 表面平整度控制

 

表面平整度是POFV工艺的关键指标之一，直接影响后续的电镀质量和焊接可靠性。树脂凹陷或凸出都会导致电镀表面不平整，影响焊盘的可焊性和可靠性。控制表面平整度需要注意：

 

· 研磨工艺优化：传统的研磨工艺采用不织布或陶瓷刷，但容易造成板面不平整、孔口铜薄或缺铜等问题。改进的工艺包括在树脂塞孔前在PCB表面印刷一层脱模剂（如甲基硅油），使溢出的树脂与PCB板面之间形成隔离层，降低研磨难度和研磨力，减少对孔口的损伤。

· 选择性塞树脂技术：有的企业采用碱性干膜或铝片覆盖非塞孔区域，然后使用真空塞孔机选择性塞树脂，可以获得更加平整的表面。

 

3.3 电镀均匀性控制

 

电镀均匀性直接影响POFV孔的导电性能和机械强度。传统的POFV工艺需要两次电镀（一次孔铜电镀，一次表面电镀），会导致面铜厚度增加，影响线路蚀刻精度和线宽控制。控制电镀均匀性的技术包括：

 

· 选择性电镀技术（镀孔）：干膜覆盖不需要电镀的区域，只暴露需要电镀的孔位置，孔口开窗一般单边6mil ，从而避免面铜过度加厚。具体工艺包括：闪镀后，在板面贴覆干膜，曝光显影出需要电镀的孔位置；进行选择性电镀；最后退膜，过陶瓷磨板，抛平孔口的台阶。

· 凹槽设计技术：头部公司提出了一种新颖的方法，在树脂塞孔后的孔洞表面形成凹槽，然后进行导电材料塞孔。这样可以增加面铜与孔铜的接触面积，增大POFV孔上盖帽铜的结合力，防止断裂。

 

3.4 热应力管理

 

热应力是导致POFV结构失效的重要因素之一。在再流焊过程中，温度变化会导致不同材料之间产生热应力，可能引起焊点开裂或连接盘脱落。热应力管理需要注意：

 

· 材料匹配选择：选择CTE相匹配的树脂材料、基材和铜箔，减少热膨胀差异。

· 设计优化：对于BGA角部的焊点，如果POFV孔没有连接内层的大铜皮（如地层或电源层），在再流焊接快速冷却过程中，可能会因焊点的单向凝固及BGA角部的翘起而出现"冷撕裂"（缩锡开裂）现象。解决方案是将POFV孔连接到内层的大铜皮，利用铜的良好导热性分散热量，避免局部过热和单向凝固。

 

3.5 连接盘设计优化

 

连接盘设计对POFV结构的可靠性有着重要影响。连接盘尺寸过小会导致结合力不足，容易脱落；而过大则可能引起短路或降低布线密度。优化连接盘设计需要考虑：

 

· 尺寸适当放大：研究表明，将连接盘直径从0.2mm放大到0.3mm可以显著降低树脂塞孔连接盘脱落的不良率。但在放大的同时，需要保证最小间距，导入动态补偿，在满足客户需求的前提下做最大补偿。

· 内层连接设计：将POFV孔与内层大铜皮连接，可以提高散热性和机械强度，减少冷撕裂风险。

 

3.6 孔口形变控制

 

POFV工艺中的孔口形变是一个常见问题，主要表现在磨板过程中对孔口周边铜箔的拉扯，导致变形。控制孔口形变的方法包括：

 

· 脱模剂应用：在树脂塞孔前，在PCB板上下表面印刷脱模剂（如甲基硅油或甲基苯基硅油），厚度一般为10-50μm。经过烘干去除溶剂成分后，再进行树脂塞孔。这样，溢出的树脂与PCB板面之间有脱模剂隔离，磨板时所需的研磨力降低，减少了对孔口的拉扯。

· 温和研磨策略：采用减震研磨机或调整研磨参数，降低研磨强度，减少对孔口的损伤。

 

3.7 质量控制与检测

 

POFV工艺的质量控制需要全程监控和多维度检测。常用的质量控制方法包括：

 

· 盖帽铜沉铜前的药水活性控制：因盖帽铜沉铜前负载比较小，连续生产容易沉铜线药水活性不足，盖帽铜沉铜不良，到最后盖帽铜薄或者盖帽铜直接断裂；盖帽铜沉铜不良，可采用如下几点措施控制：

a>.沉铜线不能停机，保持连续生产，停机半个小时以上，需要放5块以上的拖缸板

b>.连续生产时每30块盖帽铜生产板，中间放5块拖缸板

c>.每次生产不超过120块，超过此块数之后，需搭配正常的通孔板交叉生产。

d>.背光控制，盖帽孔沉铜时，需要用专用的背光测试片，或者用通孔板夹在中间，按照正常流程做背光测试。

e>.特殊材料如PTFE，基材位置亲水性比较差的，沉铜前需要过等离子，做一次活化程序，在4小时之内完成沉铜。

f>.盖帽铜沉铜后的板，4个小时之内必须完成板电加镀，避免沉铜层氧化被酸缸药水反咬蚀。

g>.板电前处理的酸缸，严格控制铜离子含量在100ppm以内，避免前处理咬铜，最好是做盖帽铜之前，前处理全部换新缸。

整个工艺流程，过程对盖帽铜厚度的管控措施如下：

（1）如果是内层盖帽铜，上面打激光盲孔，这时厚度至少要大于16um，避免打盲孔时击穿盖帽铜。

（2）如果是外层负片工艺，盖帽铜厚度需要按客户的要求来，还要考虑到后工序的磨板以及超粗化/微蚀等损耗，一般半成品要控制在大于12-18um,成品控制在5~12um。

（3）如果外层走正片工艺，在盖帽铜第1次沉铜/板电后的厚度控制在5~8um,而且外层干膜前处理,要注意调节磨板压力以及控制微蚀量，不能因为磨板过度以及微蚀过度导致盖帽筒断裂。

（4）后工序返工对盖帽铜厚的控制，后工序严格控制返工次数，每次返工前均需要做好首件，切片确认盖帽铜的铜厚。现场实战案例：曾多次出现过因后工序返工次数不受控或者返工方法不当导致的批量性盖帽铜断裂。

 

 

切片分析：通过切片样品，观察孔填充情况、树脂与孔壁结合情况、电镀层厚度等。

· 热应力测试：模拟再流焊过程，检查POFV结构的热可靠性。

· 电气测试：检查孔的导电性能和绝缘性能。

 

4 POFV工艺的未来发展趋势

 

随着电子产品继续向高性能、高密度和微型化方向发展，POFV工艺也将不断创新和进步。未来的发展趋势主要包括：

 

· 工艺创新：如深南电路申请的"印制电路板制备方法和印制电路板"专利中提到的凹槽设计技术，以及奥士康科技提出的面铜厚度控制方法，这些创新技术将进一步提高POFV工艺的可靠性和适用性。

· 材料研发：开发新型树脂材料，具有与PCB基材更匹配的CTE、更高的导热性和更好的填充性能，将是未来的重要研究方向。

· 应用领域拓展：随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，POFV工艺将在更多领域得到应用，如汽车电子、医疗设备等。

 

5 结语

 

POFV工艺作为PCB制造领域的一项重要技术，通过树脂填充和表面电镀实现了过孔与焊盘的一体化，显著提高了PCB的布线密度和信号完整性。然而，该工艺也面临着树脂塞孔质量、表面平整度、电镀均匀性、热应力管理等多方面的挑战。通过优化材料选择、改进工艺流程、创新技术和完善质量控制，可以有效地解决这些问题，提高POFV结构的可靠性和良率。

 

随着技术的不断进步和应用领域的拓展，POFV工艺将在高端PCB制造中发挥越来越重要的作用。PCB制造企业需要加大研发投入，培养专业技术人才，不断完善和优化POFV工艺，以满足电子产品日益提升的性能和可靠性要求。