高層電路板的關鍵生產(chǎn)工序控制
發(fā)布時間：2020-12-25
瀏覽次數(shù)：751
高層電路板一般定義為10層～20層或以上的高多層電路板，比傳統(tǒng)的多層電路板加工難度大，其品質(zhì)可靠性要求高，主要應用于通訊設備、高端服務器、醫(yī)療電子、航空、工控、軍事等領域。近幾年來，應用通訊、基站、航空、軍事等領域的高層板市場需求仍然強勁，而隨著中國電信設備市場的快速發(fā)展，高層板市場前景被看好。
目前國內(nèi)能批量生產(chǎn)高層電路板的PCB廠商，主要來自于外資企業(yè)或少數(shù)內(nèi)資企業(yè)。高層電路板的生產(chǎn)不僅需要較高的技術和設備投入，更需要技術人員和生產(chǎn)人員的經(jīng)驗積累，同時導入高層板客戶認證手續(xù)嚴格且繁瑣，因此高層電路板進入企業(yè)門檻較高，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)周期較長。PCB平均層數(shù)已經(jīng)成為衡量PCB企業(yè)技術水平和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要技術指標。本文簡述了高層電路板在生產(chǎn)中遇到的主要加工難點，介紹了高層電路板關鍵生產(chǎn)工序的控制要點，供同行參考與借鑒。
一、主要制作難點
對比常規(guī)電路板產(chǎn)品特點，高層電路板具有板件更厚、層數(shù)更多、線路和過孔更密集、單元尺寸更大、介質(zhì)層更薄等特性，內(nèi)層空間、層間對準度、阻抗控制以及可靠性要求更為嚴格。
1.1 層間對準度難點
由于高層板層數(shù)多，客戶設計端對PCB各層的對準度要求越來越嚴格，通常層間對位公差控制±75μm，考慮高層板單元尺寸設計較大、圖形轉(zhuǎn)移車間環(huán)境溫濕度，以及不同芯板層漲縮不一致性帶來的錯位疊加、層間定位方式等因素，使得高層板的層間對準度控制難度更大。
1.2 內(nèi)層線路制作難點
高層板采用高TG、高速、高頻、厚銅、薄介質(zhì)層等特殊材料，對內(nèi)層線路制作及圖形尺寸控制提出高要求，如阻抗信號傳輸?shù)耐暾?，增加了?nèi)層線路制作難度。線寬線距小，開短路增多，微短增多，合格率低；細密線路信號層較多，內(nèi)層AOI漏檢的幾率加大；內(nèi)層芯板厚度較薄，容易褶皺導致曝光不良，蝕刻過機時容易卷板；高層板大多數(shù)為系統(tǒng)板，單元尺寸較大，在成品報廢的代價相對高。
1.3 壓合制作難點
多張內(nèi)層芯板和半固化片疊加，壓合生產(chǎn)時容易產(chǎn)生滑板、分層、樹脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設計疊層結(jié)構(gòu)時，需充分考慮材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)厚度，并設定合理的高層板壓合程式。層數(shù)多，漲縮量控制及尺寸系數(shù)補償量無法保持一致性；層間絕緣層薄，容易導致層間可靠性測試失效問題。圖1是熱應力測試后出現(xiàn)爆板分層的缺陷圖。
1.4 鉆孔制作難點
采用高TG、高速、高頻、厚銅類特殊板材，增加了鉆孔粗糙度、鉆孔毛刺和去鉆污的難度。層數(shù)多，累計總銅厚和板厚，鉆孔易斷刀；密集BGA多，窄孔壁間距導致的CAF失效問題；因板厚容易導致斜鉆問題。
二、 關鍵生產(chǎn)工序控制
2.1 材料選擇
隨著電子元器件高性能化、多功能化的方向發(fā)展，同時帶來高頻、高速發(fā)展的信號傳輸，因此要求電子電路材料的介電常數(shù)和介電損耗比較低，以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆銅板材料，以滿足高層板的加工和可靠性要求。常用的板材供應商主要有A系列、B系列、C系列、D系列，這四種內(nèi)層基板的主要特性對比，見表1。對于高層厚銅電路板選用高樹脂含量的半固化片，層間半固化片的流膠量足以將內(nèi)層圖形填充滿，絕緣介質(zhì)層太厚易出現(xiàn)成品板超厚，反之絕緣介質(zhì)層偏薄，則易造成介質(zhì)分層、高壓測試失效等品質(zhì)問題，因此對絕緣介質(zhì)材料的選擇極為重要。
2.2 壓合疊層結(jié)構(gòu)設計
在疊層結(jié)構(gòu)設計中考慮的主要因素是材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)層厚度等，應遵循以下主要原則。
(1)半固化片與芯板廠商必須保持一致。為保證PCB可靠性，所有層半固化片避免使用單張1080或106半固化片(客戶有特殊要求除外)，客戶無介質(zhì)厚度要求時，各層間介質(zhì)厚度必須按IPC-A-600G保證≥0.09mm。
(2) 當客戶要求高TG板材時，芯板和半固化片都要用相應的高TG材料。
(3) 內(nèi)層基板3OZ或以上，選用高樹脂含量的半固化片，如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ；但盡量避免全部使用106 高膠半固化片的結(jié)構(gòu)設計，以防止多張106半固化片疊合，因玻纖紗太細，玻纖紗在大基材區(qū)塌陷而影響尺寸穩(wěn)定性和爆板分層。
(4)若客戶無特別要求，層間介質(zhì)層厚度公差一般按+/-10%控制，對于阻抗板，介質(zhì)厚度公差按IPC-4101 C/M級公差控制，若阻抗影響因素與基材厚度有關，則板材公差也必須按IPC-4101 C/M級公差。
2.3 層間對準度控制
內(nèi)層芯板尺寸補償?shù)木_度和生產(chǎn)尺寸控制，需要通過一定的時間在生產(chǎn)中所收集的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗，對高層板的各層圖形尺寸進行精確補償，確保各層芯板漲縮一致性。選擇高精度、高可靠的壓合前層間定位方式，如四槽定位(Pin LAM)、熱熔與鉚釘結(jié)合。設定合適的壓合工藝程序和對壓機日常維護是確保壓合品質(zhì)的關鍵，控制壓合流膠和冷卻效果，減少層間錯位問題。層間對準度控制需要從內(nèi)層補償值、壓合定位方式、壓合工藝參數(shù)、材料特性等因素綜合考量。
2.4 內(nèi)層線路工藝
由于傳統(tǒng)曝光機的解析能力在50μm左右，對于高層板生產(chǎn)制作，可以引進激光直接成像機(LDI)，提高圖形解析能力，解析能力達到20μm左右。傳統(tǒng)曝光機對位精度在±25μm，層間對位精度大于50μm。采用高精度對位曝光機，圖形對位精度可以提高到15μm左右，層間對位精度控制30μm以內(nèi)，減少了傳統(tǒng)設備的對位偏差，提高了高層板的層間對位精度。
為了提高線路蝕刻能力，需要在工程設計上對線路的寬度和焊盤(或焊環(huán))給予適當?shù)难a償外，還需對特殊圖形，如回型線路、獨立線路等補償量做更詳細的設計考慮。確認內(nèi)層線寬、線距、隔離環(huán)大小、獨立線、孔到線距離設計補償是否合理，否則更改工程設計。有阻抗、感抗設計要求注意獨立線、阻抗線設計補償是否足夠，蝕刻時控制好參數(shù)，首件確認合格后方可批量生產(chǎn)。為減少蝕刻側(cè)蝕，需對蝕刻液的各組藥水成分控制在最佳范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的蝕刻線設備蝕刻能力不足，可以對設備進行技術改造或?qū)敫呔芪g刻線設備，提高蝕刻均勻性，減少蝕刻毛邊、蝕刻不凈等問題。
2.5 壓合工藝
目前壓合前層間定位方式主要包括：四槽定位(Pin LAM)、熱熔、鉚釘、熱熔與鉚釘結(jié)合，不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用不同的定位方式。對于高層板采用四槽定位方式(Pin LAM)，或使用熔合+鉚合方式制作，OPE沖孔機沖出定位孔，沖孔精度控制在±25μm。熔合時調(diào)機制作首板需采用X-RAY檢查層偏，層偏合格方可制作批量，批量生產(chǎn)時需檢查每塊板是否熔入單元，以防止后續(xù)分層，壓合設備采用高性能配套壓機，滿足高層板的層間對位精度和可靠性。
根據(jù)高層板疊層結(jié)構(gòu)及使用的材料，研究合適的壓合程序，設定最佳的升溫速率和曲線，在常規(guī)的多層電路板壓合程序上，適當降低壓合板料升溫速率，延長高溫固化時間，使樹脂充分流動、固化，同時避免壓合過程中滑板、層間錯位等問題。材料TG值不一樣的板，不能同爐排板；普通參數(shù)的板不可與特殊參數(shù)的板混壓；保證漲縮系數(shù)給定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需采用相應的板材半固化片參數(shù)壓合，從未使用過的特殊材料需要驗證工藝參數(shù)。
2.6 鉆孔工藝
由于各層疊加導致板件和銅層超厚，對鉆頭磨損嚴重，容易折斷鉆刀，對于孔數(shù)、落速和轉(zhuǎn)速適當?shù)南抡{(diào)。精確測量板的漲縮，提供精確的系數(shù)；層數(shù)≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線距離≤0.175mm，采用孔位精度≤0.025mm 的鉆機生產(chǎn)；直徑φ4.0mm以上孔徑采用分步鉆孔，厚徑比12:1采用分步鉆，正反鉆孔方法生產(chǎn)；控制鉆孔披鋒及孔粗，高層板盡量采用全新鉆刀或磨1鉆刀鉆孔，孔粗控制25um以內(nèi)。為改善高層厚銅板的鉆孔毛刺問題，經(jīng)批量驗證，使用高密度墊板，疊板數(shù)量為一塊，鉆頭磨次控制在3次以內(nèi)，可有效改善鉆孔毛刺。
對于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用的高層板，背鉆技術是改善信號完整有效的方法。背鉆主要控制殘留stub長度，兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內(nèi)銅絲等。不是所有的鉆孔機設備具有背鉆功能，必須對鉆孔機設備進行技術升級(具備背鉆功能)，或購買具有背鉆功能的鉆孔機。從行業(yè)相關文獻和成熟量產(chǎn)應用的背鉆技術主要包括：傳統(tǒng)控深背鉆方法、內(nèi)層為信號反饋層背鉆、按板厚比例計算深度背鉆，在此不重復敘述。
三、可靠性測試
高層板一般為系統(tǒng)板，比常規(guī)多層板厚、更重、單元尺寸更大，相應的熱容也較大，在焊接時，需要的熱量更多，所經(jīng)歷的焊接高溫時間要長。在217℃(錫銀銅焊料熔點)需50秒至90秒，同時高層板冷卻速度相對慢，因此過回流焊測試的時間延長，并結(jié)合IPC-6012C、 IPC-TM-650標準以及行業(yè)要求，對高層板的主要可靠性測試，如表2所述。
四、結(jié)語
對于高層電路板加工技術方面的研究文獻，業(yè)界相對少。本文介紹了材料選擇、疊層結(jié)構(gòu)設計、層間對準度、內(nèi)層線路制作、壓合工藝、鉆孔工藝等關鍵生產(chǎn)工序工藝控制要點，以提供同行參考與了解，希望更多的同行參與高層電路板的技術研究和交流。
目前國內(nèi)能批量生產(chǎn)高層電路板的PCB廠商，主要來自于外資企業(yè)或少數(shù)內(nèi)資企業(yè)。高層電路板的生產(chǎn)不僅需要較高的技術和設備投入，更需要技術人員和生產(chǎn)人員的經(jīng)驗積累，同時導入高層板客戶認證手續(xù)嚴格且繁瑣，因此高層電路板進入企業(yè)門檻較高，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)周期較長。PCB平均層數(shù)已經(jīng)成為衡量PCB企業(yè)技術水平和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要技術指標。本文簡述了高層電路板在生產(chǎn)中遇到的主要加工難點，介紹了高層電路板關鍵生產(chǎn)工序的控制要點，供同行參考與借鑒。
一、主要制作難點
對比常規(guī)電路板產(chǎn)品特點，高層電路板具有板件更厚、層數(shù)更多、線路和過孔更密集、單元尺寸更大、介質(zhì)層更薄等特性，內(nèi)層空間、層間對準度、阻抗控制以及可靠性要求更為嚴格。
1.1 層間對準度難點
由于高層板層數(shù)多，客戶設計端對PCB各層的對準度要求越來越嚴格，通常層間對位公差控制±75μm，考慮高層板單元尺寸設計較大、圖形轉(zhuǎn)移車間環(huán)境溫濕度，以及不同芯板層漲縮不一致性帶來的錯位疊加、層間定位方式等因素，使得高層板的層間對準度控制難度更大。
1.2 內(nèi)層線路制作難點
高層板采用高TG、高速、高頻、厚銅、薄介質(zhì)層等特殊材料，對內(nèi)層線路制作及圖形尺寸控制提出高要求，如阻抗信號傳輸?shù)耐暾?，增加了?nèi)層線路制作難度。線寬線距小，開短路增多，微短增多，合格率低；細密線路信號層較多，內(nèi)層AOI漏檢的幾率加大；內(nèi)層芯板厚度較薄，容易褶皺導致曝光不良，蝕刻過機時容易卷板；高層板大多數(shù)為系統(tǒng)板，單元尺寸較大，在成品報廢的代價相對高。
1.3 壓合制作難點
多張內(nèi)層芯板和半固化片疊加，壓合生產(chǎn)時容易產(chǎn)生滑板、分層、樹脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設計疊層結(jié)構(gòu)時，需充分考慮材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)厚度，并設定合理的高層板壓合程式。層數(shù)多，漲縮量控制及尺寸系數(shù)補償量無法保持一致性；層間絕緣層薄，容易導致層間可靠性測試失效問題。圖1是熱應力測試后出現(xiàn)爆板分層的缺陷圖。
1.4 鉆孔制作難點
采用高TG、高速、高頻、厚銅類特殊板材，增加了鉆孔粗糙度、鉆孔毛刺和去鉆污的難度。層數(shù)多，累計總銅厚和板厚，鉆孔易斷刀；密集BGA多，窄孔壁間距導致的CAF失效問題；因板厚容易導致斜鉆問題。
二、 關鍵生產(chǎn)工序控制
2.1 材料選擇
隨著電子元器件高性能化、多功能化的方向發(fā)展，同時帶來高頻、高速發(fā)展的信號傳輸，因此要求電子電路材料的介電常數(shù)和介電損耗比較低，以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆銅板材料，以滿足高層板的加工和可靠性要求。常用的板材供應商主要有A系列、B系列、C系列、D系列，這四種內(nèi)層基板的主要特性對比，見表1。對于高層厚銅電路板選用高樹脂含量的半固化片，層間半固化片的流膠量足以將內(nèi)層圖形填充滿，絕緣介質(zhì)層太厚易出現(xiàn)成品板超厚，反之絕緣介質(zhì)層偏薄，則易造成介質(zhì)分層、高壓測試失效等品質(zhì)問題，因此對絕緣介質(zhì)材料的選擇極為重要。
2.2 壓合疊層結(jié)構(gòu)設計
在疊層結(jié)構(gòu)設計中考慮的主要因素是材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)層厚度等，應遵循以下主要原則。
(1)半固化片與芯板廠商必須保持一致。為保證PCB可靠性，所有層半固化片避免使用單張1080或106半固化片(客戶有特殊要求除外)，客戶無介質(zhì)厚度要求時，各層間介質(zhì)厚度必須按IPC-A-600G保證≥0.09mm。
(2) 當客戶要求高TG板材時，芯板和半固化片都要用相應的高TG材料。
(3) 內(nèi)層基板3OZ或以上，選用高樹脂含量的半固化片，如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ；但盡量避免全部使用106 高膠半固化片的結(jié)構(gòu)設計，以防止多張106半固化片疊合，因玻纖紗太細，玻纖紗在大基材區(qū)塌陷而影響尺寸穩(wěn)定性和爆板分層。
(4)若客戶無特別要求，層間介質(zhì)層厚度公差一般按+/-10%控制，對于阻抗板，介質(zhì)厚度公差按IPC-4101 C/M級公差控制，若阻抗影響因素與基材厚度有關，則板材公差也必須按IPC-4101 C/M級公差。
2.3 層間對準度控制
內(nèi)層芯板尺寸補償?shù)木_度和生產(chǎn)尺寸控制，需要通過一定的時間在生產(chǎn)中所收集的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗，對高層板的各層圖形尺寸進行精確補償，確保各層芯板漲縮一致性。選擇高精度、高可靠的壓合前層間定位方式，如四槽定位(Pin LAM)、熱熔與鉚釘結(jié)合。設定合適的壓合工藝程序和對壓機日常維護是確保壓合品質(zhì)的關鍵，控制壓合流膠和冷卻效果，減少層間錯位問題。層間對準度控制需要從內(nèi)層補償值、壓合定位方式、壓合工藝參數(shù)、材料特性等因素綜合考量。
2.4 內(nèi)層線路工藝
由于傳統(tǒng)曝光機的解析能力在50μm左右，對于高層板生產(chǎn)制作，可以引進激光直接成像機(LDI)，提高圖形解析能力，解析能力達到20μm左右。傳統(tǒng)曝光機對位精度在±25μm，層間對位精度大于50μm。采用高精度對位曝光機，圖形對位精度可以提高到15μm左右，層間對位精度控制30μm以內(nèi)，減少了傳統(tǒng)設備的對位偏差，提高了高層板的層間對位精度。
為了提高線路蝕刻能力，需要在工程設計上對線路的寬度和焊盤(或焊環(huán))給予適當?shù)难a償外，還需對特殊圖形，如回型線路、獨立線路等補償量做更詳細的設計考慮。確認內(nèi)層線寬、線距、隔離環(huán)大小、獨立線、孔到線距離設計補償是否合理，否則更改工程設計。有阻抗、感抗設計要求注意獨立線、阻抗線設計補償是否足夠，蝕刻時控制好參數(shù)，首件確認合格后方可批量生產(chǎn)。為減少蝕刻側(cè)蝕，需對蝕刻液的各組藥水成分控制在最佳范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的蝕刻線設備蝕刻能力不足，可以對設備進行技術改造或?qū)敫呔芪g刻線設備，提高蝕刻均勻性，減少蝕刻毛邊、蝕刻不凈等問題。
2.5 壓合工藝
目前壓合前層間定位方式主要包括：四槽定位(Pin LAM)、熱熔、鉚釘、熱熔與鉚釘結(jié)合，不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用不同的定位方式。對于高層板采用四槽定位方式(Pin LAM)，或使用熔合+鉚合方式制作，OPE沖孔機沖出定位孔，沖孔精度控制在±25μm。熔合時調(diào)機制作首板需采用X-RAY檢查層偏，層偏合格方可制作批量，批量生產(chǎn)時需檢查每塊板是否熔入單元，以防止后續(xù)分層，壓合設備采用高性能配套壓機，滿足高層板的層間對位精度和可靠性。
根據(jù)高層板疊層結(jié)構(gòu)及使用的材料，研究合適的壓合程序，設定最佳的升溫速率和曲線，在常規(guī)的多層電路板壓合程序上，適當降低壓合板料升溫速率，延長高溫固化時間，使樹脂充分流動、固化，同時避免壓合過程中滑板、層間錯位等問題。材料TG值不一樣的板，不能同爐排板；普通參數(shù)的板不可與特殊參數(shù)的板混壓；保證漲縮系數(shù)給定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需采用相應的板材半固化片參數(shù)壓合，從未使用過的特殊材料需要驗證工藝參數(shù)。
2.6 鉆孔工藝
由于各層疊加導致板件和銅層超厚，對鉆頭磨損嚴重，容易折斷鉆刀，對于孔數(shù)、落速和轉(zhuǎn)速適當?shù)南抡{(diào)。精確測量板的漲縮，提供精確的系數(shù)；層數(shù)≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線距離≤0.175mm，采用孔位精度≤0.025mm 的鉆機生產(chǎn)；直徑φ4.0mm以上孔徑采用分步鉆孔，厚徑比12:1采用分步鉆，正反鉆孔方法生產(chǎn)；控制鉆孔披鋒及孔粗，高層板盡量采用全新鉆刀或磨1鉆刀鉆孔，孔粗控制25um以內(nèi)。為改善高層厚銅板的鉆孔毛刺問題，經(jīng)批量驗證，使用高密度墊板，疊板數(shù)量為一塊，鉆頭磨次控制在3次以內(nèi)，可有效改善鉆孔毛刺。
對于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用的高層板，背鉆技術是改善信號完整有效的方法。背鉆主要控制殘留stub長度，兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內(nèi)銅絲等。不是所有的鉆孔機設備具有背鉆功能，必須對鉆孔機設備進行技術升級(具備背鉆功能)，或購買具有背鉆功能的鉆孔機。從行業(yè)相關文獻和成熟量產(chǎn)應用的背鉆技術主要包括：傳統(tǒng)控深背鉆方法、內(nèi)層為信號反饋層背鉆、按板厚比例計算深度背鉆，在此不重復敘述。
三、可靠性測試
高層板一般為系統(tǒng)板，比常規(guī)多層板厚、更重、單元尺寸更大，相應的熱容也較大，在焊接時，需要的熱量更多，所經(jīng)歷的焊接高溫時間要長。在217℃(錫銀銅焊料熔點)需50秒至90秒，同時高層板冷卻速度相對慢，因此過回流焊測試的時間延長，并結(jié)合IPC-6012C、 IPC-TM-650標準以及行業(yè)要求，對高層板的主要可靠性測試，如表2所述。
四、結(jié)語
對于高層電路板加工技術方面的研究文獻，業(yè)界相對少。本文介紹了材料選擇、疊層結(jié)構(gòu)設計、層間對準度、內(nèi)層線路制作、壓合工藝、鉆孔工藝等關鍵生產(chǎn)工序工藝控制要點，以提供同行參考與了解，希望更多的同行參與高層電路板的技術研究和交流。
我是標題
我是標題
在線咨詢