多層板漲縮性層偏改善方法及監(jiān)控方式解析

龔 俊 陳 濤 張晃初 趙啟祥 李加余

（勝宏科技（惠州）有限公司，廣東 惠州 516211）

1 前言

隨著生活，生產(chǎn)的需要，電子產(chǎn)品正朝著多元化，便捷化的方向發(fā)展。而線路板作為電子產(chǎn)品的核心元件，其結(jié)構(gòu)也正經(jīng)歷著更苛刻的工藝設(shè)計。多層板中，內(nèi)層芯板的銅厚，殘銅率，板厚等差異巨大的設(shè)計常常出現(xiàn)。而因為這些差異，使內(nèi)層芯板經(jīng)過高溫高壓的壓合后，漲縮表現(xiàn)不一致，使芯板間的對準度發(fā)生偏移，導致了內(nèi)開，內(nèi)短的失效模式，帶給企業(yè)巨大的經(jīng)濟損失。

針對此種情況，目前業(yè)界選擇尺寸安穩(wěn)性較高的基材，或是通過烘烤增加基材的穩(wěn)定性，但這兩種方式增加了購買成本，延長了流程，且芯板差異較大時，改善效果不明顯。因此，不同芯板漲縮表現(xiàn)不一致導致多層線路板壓合后存在品質(zhì)隱患，一直是業(yè)界的制程困擾點。本文主要以走內(nèi)鉆鉚合流程的八層板為例，探討分層補償原則及雙組同心圓監(jiān)控設(shè)計在改善較大差異芯板結(jié)構(gòu)漲縮性層偏的實際應用效果。

2 影響芯板漲縮表現(xiàn)不一致主要影響因子

通過查閱相關(guān)文獻以及平時工作總結(jié)，影響芯板漲縮表現(xiàn)不一致的主要原因如下。

2.1 芯板特性

板材由銅箔、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布三者構(gòu)成，它們經(jīng)高溫壓合冷卻后因膨脹系數(shù)不同而出現(xiàn)內(nèi)應力。環(huán)氧樹脂含量，介質(zhì)厚度與銅箔厚度和纖維布的種類在生產(chǎn)條件下互相影響看，在生產(chǎn)中破壞了它們之間的平衡力時基材將會出現(xiàn)收縮變形，造成基材上的內(nèi)層線路圖形失真。內(nèi)層芯板因為材料、殘銅率、基板厚度、銅厚、夾層PP等不同導致芯板間的尺寸變異量有差異。

2.2 工藝流程

內(nèi)層芯板在蝕刻過程后，由于區(qū)域銅被蝕刻掉，基材原有的應力由于未被銅皮拉扯限制，部分被釋放，產(chǎn)生尺寸變異。跟蹤內(nèi)層酸性蝕刻過程中發(fā)現(xiàn)蝕刻后可對收縮系數(shù)增加（1μm/mm）～（2μm/mm）不等，在蝕刻過程中，不同類型芯板尺寸變異量有差異。

2.3 菲林漲縮控制

線路板廠對菲林房及曝光房的溫濕度都有嚴格管控，一定程度上減輕了菲林的尺寸變異量，但通過跟蹤發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過的舊菲林在放置兩星期后再生產(chǎn)時，即使在曝光前測量菲林無變形，但生產(chǎn)一定時間后出現(xiàn)持發(fā)性變形，造成后繼生產(chǎn)批量性的超差，而在生產(chǎn)過程中并未進行監(jiān)控，導致生產(chǎn)的芯板上的圖形因為生產(chǎn)時間不一致隨著菲林的尺寸變化而發(fā)生變異。

以上三種是造成不同芯板尺寸漲縮有差異的主要因子，尤其是芯板特性及工藝流程造成的影響度更大，且具有一定的規(guī)律性，可以通過漲縮預補償?shù)男问竭M行克服。而菲林漲縮的差異性雖然可能會導致不同芯板漲縮有差異，但菲林的漲縮與芯板本身特性無關(guān)，本文在論述不同芯板漲縮差異時不做重點考慮。

3 失效模式分析

對象選擇：選擇普通八層PCB板，采用統(tǒng)一的內(nèi)層芯板補償系數(shù)，疊構(gòu)如表1。

表1

3.1 失效模式

如圖1所示采用左下角補償，在內(nèi)層芯板統(tǒng)一系數(shù)補償下，出現(xiàn)以下同心圓偏移失效模式。

分析：（1）以上四個同心圓分別設(shè)計在線路板成型線外的板角位置，同心圓環(huán)從小到大依次代表第2、3、4、5、6、7層，同心圓蝕刻后線寬設(shè)計100μm，間距100μm；

（2）從上圖可以看出，第4層已經(jīng)與第3層相切，第5層已經(jīng)與第6層相切，品質(zhì)風險較高；

（3）從同心圓偏移的形態(tài)來看，第4層與第5層之間相對沒有較大偏移，第2層與第3層之間相對沒有較大偏移，同樣，第6層與第7層之間相對沒有較大偏移，故可以說明此次偏移非由某一層在內(nèi)層曝偏而導致；

圖1

（4）從各角同心圓的偏移情況來看，第4層、第5層這張芯板在長邊方向和短邊方向均有一致性像外擴張的趨勢，并非朝一個方向的滑板式偏移，故可以判定此次層偏并非因鉚合不牢固或是壓合升溫速率及壓力參數(shù)不當導致層與層間滑動層偏；

（5）另通過此板疊構(gòu)分析，L4、L5層芯板為0.3 mm，而L2、L3層芯板與L6、L7層芯板均為0.1 mm，再結(jié)合L2、L3與L6、L7層芯板間相對沒有偏移，而L4、L5芯板相對于L2、L3，L6、L7層芯板都有偏移，不難判斷造成此次層偏的真因為：L4、L5層芯板與其他兩張芯板存在差異性。另縱觀L4、L5層芯板呈膨脹的偏移趨勢，再考慮板厚越厚基板本身萎縮幅度越小的常理，就更加證明了此次層偏是因為L4、L5層芯板板厚相對較厚，基板在壓合過程中縮小幅度較其他兩張芯相對較低，出現(xiàn)了漲縮性層偏。

備注：L4、L5層芯板在短邊與長邊方向同為向外漲，但漲的幅度不同，主要是因為長邊距離長，且為經(jīng)向，較短邊的緯向尺寸變異量更大，這與基板漲縮的常識相吻合。

至于此次層偏是否真的是芯板間漲縮不一致導致了層偏，可以通過相關(guān)的數(shù)據(jù)進行驗證。

3.2 真因驗證

以上是針對層間漲縮性層偏的理論推斷，以下通過相關(guān)數(shù)據(jù)進行驗證。

3.2.1 平磨切片

針對以上失效模式板，選取鉆孔后樣品，在成型區(qū)內(nèi)位置進行切片選擇，并進行平磨。

圖2 （L2層）

圖3 （L3層）

圖4 （L4層）

圖5 （L5層）

圖6 （L6層）

圖7 （L7層）

通過平磨切片可以直觀看出，每層層間對準度已經(jīng)發(fā)生偏移，只是偏移的程度不同，風險較高的層次為L4與L5層；另外L2、L3層與L6、L7層的偏移方向相同，異于L4、L5層。

壓合鉆靶采用中心補償?shù)姆绞?，鉆靶中心根據(jù)每層靶標實際漲縮平均分配，通孔鉆帶系數(shù)參考實際鉆靶漲縮數(shù)據(jù)，以上偏移的狀況，說明L4、L5芯板與L2、L3、L6、L7層芯板的漲縮有較大的差異。

以下通過量化的數(shù)據(jù)，說明L2、L3層芯板，L4、L5層芯板，L6、L7層芯板的漲縮差異。

3.2.2 芯板漲縮數(shù)據(jù)抓取

實驗板準備：參照以上八層板結(jié)構(gòu)，在每張芯板的較小層的板邊設(shè)計一銅環(huán)，每邊各一個，短邊的一對以及長邊的一對要相互平行對應，銅環(huán)的排列順序從左到右，從上到下依次代表L2、L3，L4、L5，L6、L7層芯板，每一層內(nèi)層系數(shù)均為1:1。如圖8，八層板共三張芯板，從左到右，三個銅環(huán)分別位于L2，L4，L6層，長條方框挖空設(shè)計。

圖8 測試不同芯板漲縮數(shù)據(jù)測試環(huán)設(shè)計圖

實驗方法：在壓合后，用X-RAY鉆靶機的量取功能，量取每張芯板相對應環(huán)長邊，短邊的距離，并選取一定樣本，求其平均值，看每張芯板之間的漲縮差異。

實驗數(shù)據(jù)收集：

實驗數(shù)據(jù)分析：從以上每張芯板的漲縮數(shù)據(jù)來看，L4、L5層的漲縮較L2、L3，L6、L7層的漲縮差異較大，L2、L3層與L6、L7層芯板的漲縮差異較??；L4、L5層芯板較L2、L3，L6、L7層芯板平均值最大差異：長邊，-0.18 mm，短邊，0.09 mm，層偏報廢的風險較大。

表2 長邊數(shù)據(jù)

表3 短邊數(shù)據(jù)

結(jié)論：以上的實驗數(shù)據(jù)分析與失效模式中的理論分析想吻合，說明了芯板間的漲縮差異是導致此種八層板結(jié)構(gòu)層偏報廢的真因。

4 改善方向

在知道不同芯板間的漲縮是導致此類層偏報廢的真因后，將從以下兩方面進行改善。

（1）針對漲縮性層偏采取分層補償，定義分層補償?shù)姆椒斑m用原則。

（2）針對此類分層補償設(shè)計的線路板，相應品質(zhì)監(jiān)控方法的完善。

5 具體實施方法

5.1 漲縮預補償值的計算原則及方法

（1）補償對象選擇：所有漲縮性層偏，無論是外漲還是內(nèi)縮，且是走內(nèi)鉆流程的鉚合板均可采用此補償原則（還必須滿足左下角補償?shù)臈l件）。至于走沖孔熱熔流程的線路板，由于相對簡單，這里不做介紹。

（2）首先每張芯板都采用1:1的補償方式（即不進行補償），進行樣品試跑測試，在壓合后再通過X-RAY設(shè)備量取每張芯板的伸縮值，在根據(jù)實際尺寸值，轉(zhuǎn)換為漲縮系數(shù)，最終將此補償值運用到下一批產(chǎn)品的正式生產(chǎn)中去。計算公式為：

（3）預補償漲縮系數(shù)＝1＋（伸縮值/原有的標準尺寸值）*100%，芯板間漲縮差異值不超過0.075 mm的，求平均值，用統(tǒng)一的預補償系數(shù)；若超過0.075 mm的，則分別計算預補償系數(shù)，即分層補償；

（4）漲縮補償要依長、短邊的不同表現(xiàn)，分別補償；

（5）漲縮補償時，要對內(nèi)層鉆孔的鉆帶以及內(nèi)層菲林同時作補償；

（6）漲縮補償時，要綜合線路板的整體成型尺寸公差及芯板漲縮差異；

（7）鉚釘孔，定位PIN孔：

當采用分層補償時，為了保證在壓合前每張CORE的鉚釘孔和定位PIN孔能在鉚合時沒有漲縮差異而相配套，故對內(nèi)鉆的鉚釘孔及PIN孔不進行補償，但由于漲縮補償?shù)脑c為左下角，而芯板的實際漲縮是以芯板的中心為原點的，所以為了保證壓合后不同芯板最終能高精度對準，需對鉚釘孔及定位PIN孔做相應的平移，以保證芯板里其他孔及圖形能相對應。平移原則如下：

設(shè)板子的尺寸：長邊為A，短邊為B；內(nèi)鉆鉚釘孔及治具PIN孔要做平移的CORE 正常的分層補償方式的分層補償倍率為：長邊：a，短邊：b；其余不做平移的層次倍率為：長邊：c，短邊：d；需要平移內(nèi)鉆鉚釘孔及治具PIN孔CORE的平移方式如下：X方向距離：L＝(b-d)*B/2；Y方向距離：H＝(a-c)*A/2；若L＞0，向右平移，反之，向左；若H＞0，向上平移，反之，向下。

5.2 品質(zhì)監(jiān)控方法

在進行分層補償后， 壓合前的芯板漲縮系數(shù)有差異，故原有的一組只能監(jiān)控壓合后層偏的同心圓，其不到預先監(jiān)控鉚合效果的作用，所有必須再重新設(shè)計一組同心圓，在鉚合后對層偏品質(zhì)進行先期監(jiān)控，來保證送進壓合機的線路板不具備層偏的風險，若監(jiān)控到有層偏，還可以退鉚進行重工，若不進行此環(huán)節(jié)的監(jiān)控，一旦鉚合層偏的板被壓合，挽救的機會將變得很小。

同心圓設(shè)計原理：鉚合同心圓及壓合同心圓：各4個，分別位于PCB板的板角，外圍4個為監(jiān)控壓合后的同心圓，靠內(nèi)4個為監(jiān)控鉚合后的同心圓,兩組同心圓邊緣之間的距離為3mm ～ 6 mm。兩組同心圓的線寬大小一致，間距一致，只是鉚合同心圓要在壓合同心圓的基礎(chǔ)上某些層做一定的平移（見以下鉚合監(jiān)控同心圓平移原則）。

同心圓平移原則：由于預補償值是在壓合前就已經(jīng)補償進去，即鉚合的同心圓同樣進行了預補償，故在壓合前就不能準確的監(jiān)控層間偏移狀況，為了能準確監(jiān)控，需做相應的平移，平移方法同鉚釘孔，定位PIN孔。

圖9 分層補償同心圓設(shè)計圖

6 實施效果

將前面提到的分層補償具體實施方法，應用到本文提到的八層板案例當中，同心圓表現(xiàn)狀況如下：

6.1 鉚合后壓合前同心圓表現(xiàn)狀況

小結(jié)：由于漲縮補償是采取左下角補償，故依補償原則，右上角是偏移量最敏感區(qū)域，故截取采用分層補償設(shè)計鉚合后的同心圓截圖。依圖可以看出，鉚合后，左邊的同心圓層偏效果良好，而右邊同心圓有偏移相切，然后依本文前面介紹的左邊的應該是監(jiān)控鉚合后層偏的同心圓來判斷，此板鉚合后層偏品質(zhì)無異常。

圖10 鉚合后同心圓偏移圖

6.2 壓合后同心圓表現(xiàn)狀況

小結(jié)：同理，在壓合后右邊監(jiān)控壓合層偏的同心圓無較大偏移，故判定壓合后此板無層偏異常。

圖11 壓合后同心圓偏移圖

6.3 壓合后品質(zhì)狀況

依本文介紹的分層補償監(jiān)控方法，上述實驗板在鉚合后，壓合后均無層偏異常。但此監(jiān)控方法是否準確，還需進行驗證。

通過對鉆孔后的測試板進行X-RAY孔偏監(jiān)控分析，判定所有內(nèi)層均無內(nèi)短風險。

圖12 孔偏監(jiān)控圖片

結(jié)論：通過以上，說明分層補償?shù)姆椒捌焚|(zhì)監(jiān)控設(shè)計對改善漲縮性層偏效果明顯。

7 總結(jié)

采用分層補償?shù)姆绞竭M行漲縮性層偏改善，并通過兩組同心圓對分層補償板壓合前后進行品質(zhì)監(jiān)控在業(yè)界屬于創(chuàng)新，且通過驗證，針對性強，品質(zhì)改善效果明顯。而且無論內(nèi)層芯板是否相同，一旦出現(xiàn)漲縮性層偏，均可采用本文介紹的方法進行改善，且目前此技術(shù)已經(jīng)在本公司大批量運用，技術(shù)成熟，穩(wěn)定，品質(zhì)良好。在多層線路板生產(chǎn)廠，內(nèi)短報廢率一直排在報廢率的前幾名，且居高不下，讓線路板廠很棘手，而層偏作為內(nèi)短的主因之一。而本文所介紹的改善層偏的方法，前期投入低，不僅降低了成本，提升了生產(chǎn)效率，而且極大的滿足了生產(chǎn)品質(zhì)的需求。

[1]袁斌. 淺談多層板漲縮控制[M].PCB論壇.信息雜志社, 2009(3)

[2]鄧丹，許鵬等. 多層板漲縮控制.印制電路信息。