在電路板行業(yè)中,多層線路板(高精密PCB多層板)一般定義為4層-20層或以上的叫做多層線路板,比傳統(tǒng)的多層線路板加工難度大,其品質(zhì)可靠性要求高,主要應用于通訊設備、工控、安防、高端服務器、醫(yī)療電子、航空、軍事等領域。近幾年來,應用通訊、基站、航空、軍事等領域的PCB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,PCB高層線路板市場前景被看好。
目前國內(nèi)能電路板打樣生產(chǎn)的高層線路板廠家,主要來自于外資企業(yè)或少數(shù)內(nèi)資企業(yè)。高層線路板的生產(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PCB多層線路板客戶認證手續(xù)嚴格且繁瑣,因此多層線路板打樣進入企業(yè)門檻較高,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)周期較長。
PCB多層板的平均層數(shù)已經(jīng)成為衡量PCB企業(yè)技術水平和產(chǎn)品結(jié)構的重要技術指標。本文簡述了多層線路板打樣在生產(chǎn)中遇到的主要加工難點,介紹了高層線路板關鍵生產(chǎn)工序的控制要點,供大家參考。
一、主要電路板制作難點
對比常規(guī)線路板產(chǎn)品特點,高層線路板具有PCB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、層間對準度難點
由于PCB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。
2、內(nèi)層線路制作難點
PCB高層線路板采用高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,多層線路板大多數(shù)為系統(tǒng)板,單元尺寸較大,在成品報廢的代價相對高。
3、壓合制作難點
多張PCB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PCB高層線路板壓合程式。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。
多層線路板爆板分層切片圖
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
1、PCB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。對于高層厚銅線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、壓合疊層結(jié)構設計
在疊層結(jié)構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.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。
②.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。
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/C68%、106R/C73%、106HR/C76%;但盡量避免全部使用106高膠半固化片的結(jié)構設計,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-4101C/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-4101C/M級公差。
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,對多層線路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(PinLAM)、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。
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。
5、壓合工藝
目前壓合前層間定位方式主要包括:四槽定位(PinLAM)、熱熔、鉚釘、熱熔與鉚釘結(jié)合,不同產(chǎn)品結(jié)構采用不同的定位方式。對于多層線路板采用四槽定位方式(PinLAM),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)多層線路板疊層結(jié)構及使用的材料,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)的多層線路板壓合程序上,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)。
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,如圖2、圖3所示。
對于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用的高層線路板,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
PCB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,同時多層線路板冷卻速度相對慢,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,對多層線路板的主要可靠性測試。
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