汽車用厚銅多層板的工程設(shè)計與制程控制

周 鋒 蘇藩春

汕頭超聲印制板公司

1 前言

目前，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用已十分廣泛，無論是發(fā)動機系統(tǒng)，還是底盤系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、車內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)等都無一例外地采用了電子技術(shù)產(chǎn)品。電子化、智能化和信息化是汽車工業(yè)的主流發(fā)展趨勢，不可否認，汽車電子顯然已成為一個發(fā)展焦點；同樣不可忽視，電子產(chǎn)品都離不開PCB。自1957年第一塊PCB應(yīng)用于汽車后，汽車用PCB隨汽車電子的發(fā)展而飛速發(fā)展。2010年汽車用PCB市場規(guī)模已達27億美元，占全部PCB市場的5.5%份額，未來5年內(nèi)將以年復(fù)合增長率6.6%遞增，預(yù)計到2015年可達38億美元。在過去相當(dāng)長的時間內(nèi)，汽車用PCB主要是以雙面板、4-6層剛性板設(shè)計為主，隨著LED在汽車內(nèi)的逐步應(yīng)用以及混合動力車、電力車的發(fā)展，高導(dǎo)熱PCB如金屬基/芯板和厚銅多層板將明顯增加，本文結(jié)合實際情況，針對汽車用PCB厚銅板在生產(chǎn)過程中易發(fā)生的品質(zhì)問題，重點闡述了與此密切相關(guān)的工程資料設(shè)計（板材選用、拼板設(shè)計及其線路設(shè)計等）及生產(chǎn)控制要點（層壓、蝕刻、感光絲印等），有效改善了此類多層板的品質(zhì)。

2 工程設(shè)計

厚銅板的CAM設(shè)計在整個生產(chǎn)過程起著非常重要的作用，設(shè)計的好壞往往決定板件的品質(zhì)是否滿足客戶的需求，針對涉及厚銅板的工程設(shè)計的關(guān)鍵點做簡要介紹。

2.1 板材選用

目前汽車用PCB的工作環(huán)境溫度一般在-40 ℃ ～ 150 ℃，但其工作環(huán)境溫度后續(xù)有可能增加至150 ℃ ～ 200 ℃，可見對PCB的耐熱性有很高要求，一般而言，選用高Tg（玻璃化溫度）板料可有效提升其耐熱性，Tg高，其PCB的通孔應(yīng)力減小、PTH缺陷幾率降低，尤其是對于ABS、發(fā)動機控制、空氣壓傳感器等發(fā)動機室內(nèi)溫差大的PCB需用高耐熱性FR-4或高耐熱低熱膨脹FR-4。

2.2 拼板設(shè)計

2.2.1 拼版尺寸設(shè)計

一般多層板的拼版，由于層壓時樹脂流動量小，拼板尺寸越大越好，大尺寸利用率較高，而厚銅板的拼板，則相反，由于內(nèi)層銅較厚，所選用的半固化片樹脂含量高，壓合時流動性大，采用小拼板在壓合過程中，對避免滑板或空氣揮發(fā)物排除非常有利。

2.2.2 拼板工藝邊設(shè)計

拼板工藝邊在PCB生產(chǎn)過程中起著輔助作用，但卻是必不可少的。

（1）標(biāo)靶圖形設(shè)計：對于厚銅PCB，內(nèi)層加工的用于后工序的標(biāo)靶圖形，都可能由于側(cè)蝕過大需加大圖形，如圖1所示，避免整個圖形被蝕刻掉。

圖1 改動前后標(biāo)靶示意圖

（2）內(nèi)層拼板工藝邊的設(shè)計：厚銅PCB由于內(nèi)層銅厚，需選用高樹脂含量的半固化片，為減少壓合過程中樹脂的流失，避免內(nèi)層白斑、板厚不均、分層、爆板、滑板等現(xiàn)象的產(chǎn)生，內(nèi)層拼板工藝邊的設(shè)計需不同于一般的板件，如圖2所示，內(nèi)層拼板工藝邊設(shè)計有多個正方形阻流銅塊，正方形阻流銅塊均與板邊成統(tǒng)一角度，每個正方形阻流銅塊之間均有空隙，與常規(guī)板件板邊相比，設(shè)置統(tǒng)一的正方形阻流銅塊減少了流膠通道，避免了壓板過程中流膠過多的問題。

圖2 厚銅PCB板內(nèi)層拼板工藝邊設(shè)計示意圖

（3）厚銅PCB內(nèi)層無銅區(qū)域（稱之低壓區(qū)）需更多樹脂來填充，樹脂填充量多，流動性大，因而作用力大于其它區(qū)域，在設(shè)計排版的過程中把無銅區(qū)相對而置，如圖3所示，可減少壓合過程中樹脂流動產(chǎn)生拉力疊加的情況。

圖3 排版受力分析圖

2.3 線路設(shè)計

2.3.1 線路補償

由于厚銅PCB各層銅箔較厚，蝕刻過程側(cè)蝕量較大，為保證圖形的完整性，不同的銅厚線路補償值也不一樣，隨著銅箔厚度增加，為滿足蝕刻后線寬可達到客戶的設(shè)計要求，需增加補償量，相同厚度銅箔，因為外層還有電鍍加厚，線寬補償值也比內(nèi)層線寬補償值大。

2.3.2 線路設(shè)計

不少客戶在前期設(shè)計中，未考慮PCB的可加工性，時有厚銅細線路的高密度布線，如某汽車板最小線寬0.075 mm，且要求厚103 μm的銅箔，考慮到PCB線路電流或電壓容載量，厚銅小線寬PCB在通電時將會出現(xiàn)擊穿、熔線等問題，一方面小線寬設(shè)計，另一方面要求厚銅箔，這給PCB 加工帶來很大的挑戰(zhàn)。作為可靠性要求高的汽車PCB 板，設(shè)計時應(yīng)該要考慮這兩者的關(guān)系，避免出現(xiàn)矛盾，厚103 μm的銅箔最小線寬最好在0.2 mm以上。

3 生產(chǎn)控制

由于銅箔厚度厚，厚銅PCB板的生產(chǎn)工藝與普通PCB的生產(chǎn)工藝不同，在許多工序都需要調(diào)整工藝參數(shù)，如層壓、鉆孔、蝕刻、阻焊等。

3.1 層壓

相對于普通Tg板件，厚銅PCB板一般采用高Tg板料、樹脂含量高的半固化片，層壓需采用專用程式，采用較低的入料溫度，高壓段時間延后、高壓壓力減小，相對于普通板件，適當(dāng)降低升溫速率，以利于半固化片流動并充分填滿無銅區(qū)，如一款內(nèi)層厚172 μm的厚銅PCB板，根據(jù)層壓料溫控制曲線，其升溫速率比普通板件升溫速率低0.5 ℃/min。

3.2 鉆孔

厚銅PCB板含銅量的增加加大了鉆孔時的阻力，對鉆頭磨損比較厲害，鉆孔易出現(xiàn)內(nèi)層拉傷及釘頭問題，一般地，鉆頭直徑≤1.0 mm時采用全新鉆頭，同時鉆孔采取分步鉆的方式，如一款內(nèi)層137 μm板件，0.85 mm全新鉆頭、分步鉆孔孔壁切片圖顯示孔粗、釘頭均滿足要求，如圖4所示。

圖4 鉆孔孔壁切片圖

3.3 蝕刻

3.3.1 目前蝕刻存在的問題

蝕刻一直是厚銅板制作的難點，在水平蝕刻時，上板面中央?yún)^(qū)域反應(yīng)后的蝕刻液無法像板邊的噴淋液一樣快速的流出板外，從而造成在板中央?yún)^(qū)域殘留了許多反應(yīng)后不新鮮的蝕刻液，可形象的稱為“水池”，正是由于“水池效應(yīng)”使得板中間區(qū)域和板邊區(qū)域線路難以蝕刻均勻，導(dǎo)致側(cè)蝕嚴重，目前對于厚銅PCB板的蝕刻，業(yè)界多是通過多次蝕刻并改變放板方向交替蝕刻的方式來改善蝕刻效果，然而，此種方法甚為麻煩，既耗費人力又對設(shè)備產(chǎn)能影響大。

針對厚銅線路蝕刻側(cè)蝕嚴重的問題，業(yè)界已有不少改進方法來制作厚銅板細線路，目前比較多有兩種：

3.3.2 多次電鍍、蝕刻，加成法制作出線路，

流程：（1）在PCB板上用化學(xué)方式沉積金屬銅，再經(jīng)電鍍加厚；（2）蝕刻出線路圖形；（3）將樹脂涂覆在已蝕刻好線路圖形的板面上，然后加熱固化形成樹脂層；（4）待樹脂完全固化后，將凹凸不平的樹脂去除，使表面光滑，同時將線路圖形部分裸露出來。重復(fù)（1）～（4），直至銅厚滿足要求。

3.3.3 分步蝕刻

流程：（1）在銅箔的正面按照設(shè)計的線路圖形制作抗蝕層，在銅箔反面全部敷上抗蝕層保護起來；（2）對銅箔進行蝕刻，當(dāng)正面的蝕刻區(qū)深度大于銅箔厚度的三分之一，小于銅箔厚度的三分之二時停止蝕刻；（3）去掉銅箔正、反兩面的抗蝕層，將正面與絕緣介質(zhì)壓合粘接；（4）再次在銅箔的反面制作與正面上的線路圖形成鏡像的抗蝕層；（5）再次對銅箔進行蝕刻，當(dāng)反面的蝕刻區(qū)與正面的蝕刻區(qū)蝕刻穿透時停止。分步蝕刻使得側(cè)蝕量減少了一半，或者在要求同樣側(cè)蝕量的前提下，蝕刻銅箔的厚度可以提高一倍。

以上兩種方法雖然減少了側(cè)蝕，但是過程甚為麻煩。

3.3.4 真空蝕刻

既然“水池效應(yīng)”導(dǎo)致蝕刻不良，我們可以通過對蝕刻設(shè)備改進，在蝕刻部分傳動面近近距離的上方加裝簡單的抽氣裝置真空抽吸單元，如圖5所示，這些真空抽吸單元吸取噴淋到印制板表面已經(jīng)發(fā)生過反應(yīng)的蝕刻液，然后將其返回到蝕刻液槽內(nèi)，這里的真空指的是使噴淋操作系統(tǒng)產(chǎn)生負壓，產(chǎn)生一個低的吸取力，吸取富含銅離子的舊蝕刻液，從而增加板上面蝕刻液的交換，如圖6所示，有效地阻止“水池”產(chǎn)生，經(jīng)過測試的數(shù)據(jù)顯示，在線路板的上表面，600 mm×600 mm的整個板面銅厚度波動范圍只有±1 μm，板的上表面和下表面的銅厚度異也非常小。

圖5 抽氣裝置真空抽吸單元

圖6 真空蝕刻示意圖

3.4 阻焊

對于厚銅PCB板來說，阻焊涂覆是較難控制的工序之一，常見的缺陷有導(dǎo)線和基材上阻焊厚度相差較大而產(chǎn)生色差、基材與厚銅箔間的阻焊氣泡、厚銅箔導(dǎo)線上阻焊厚度不夠等。

目前較常見的阻焊制作方式有兩種：一種是先印線路，停放一段時間后進行預(yù)烘，再正常整板面印刷，如圖7所示，此種方式能有效減少基材與厚銅箔間的阻焊氣泡，同時增加了線路表面阻焊劑的厚度；另一種是二次絲印，先用較大目數(shù)網(wǎng)絲印，停放一段時間后進行預(yù)烘，再用較小目數(shù)網(wǎng)絲印，兩種方式后固化均采用分段方式制作。

圖7 先印線路后整板面印刷示意圖

圖8 二次絲印示意圖

4 結(jié)語

通過對厚銅PCB板的工程資料設(shè)計（板材選用、拼板設(shè)計及其線路設(shè)計等）及生產(chǎn)要點（層壓、蝕刻、感光絲印等）控制，可有效改善此類多層板的品質(zhì)。

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[4]曾凡初, 史書漢. 水池效應(yīng)對厚銅板蝕刻的影響分析[J]. 印制電路信息, 2012,4.

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