多結(jié)構(gòu)互聯(lián)PCB制作工藝的開發(fā)

袁繼旺 陳立宇 任堯儒

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 課題背景及意義

在激烈的市場環(huán)境中，誰能開發(fā)出既廉價又高新的產(chǎn)品，誰就能在激烈的市場競爭中處于不敗之地。在這種市場環(huán)境中，一些高新PCB產(chǎn)品應(yīng)運而生了，如：埋容板、埋阻板，高密度射頻板等。在制造這些高新產(chǎn)品時需要使用到價格昂貴的埋容、埋阻、射頻等高新材料，制作成本大大增加，如何降低產(chǎn)品成本成了亟需解決的問題。

多結(jié)構(gòu)互連 PCB 技術(shù)，是將一塊具有特殊能力（埋容、埋阻、射頻層）的子板埋入一塊普通母板之中，如圖1所示。

圖1 多結(jié)構(gòu)互連 PCB結(jié)構(gòu)

該技術(shù)能大大的減少特殊材料的使用量，能使用更廉價的基材，增加產(chǎn)量，能降低50%材料成本；與傳統(tǒng)工藝相比，其具有以下幾個方面明顯優(yōu)勢：

（1）減小特種材料使用量，降低材料成本50%以上；

（2）特殊材料制作的電路布線范圍小，漸少了信號損失及信號干擾。

2 客戶要求

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為驗證局部混壓板制作可行性，與客戶共同設(shè)計驗證板，該板為12+8疊層。子板12層，有鉆孔、塞盲孔制作要求，板厚為1.6 mm，146 mm×106 mm；母板為8層板，板厚為2.4 mm，340 mm×140 mm，母板由2個設(shè)計相似的單元以V-CUT方式相連，線路圖形由多種測試coupon（附連試驗板）及銅皮組成.要求12層子板需埋入到母板L1-L4層中，子板和母板線路通過鉆通孔及表層線路相連。

2.2 評估方法設(shè)計

2.2.1 子母板對位方式設(shè)計

多結(jié)構(gòu)互連 PCB 技術(shù)的母板與子板的對位方式直接影響圖形的對位性，因此達(dá)到改善兩板間對位性的方法：增加輔助對位工具設(shè)計，這里采用3種設(shè)計，找到一種比較好的定位方式。

（1）凹凸槽定位，如圖2所示。

圖2 凹凸槽定位俯視

每PCS 子板凹凸槽的個數(shù)為3～6對，凹凸槽尺寸與位置按公司銑外型工序制作能力確定。

（2）銷釘定位，如圖3所示。

圖3 銷釘定位截面

銷釘個數(shù)：3～6，銷釘直徑：小于3.17 mm ，銷釘長度：小于板厚，銷釘?shù)拇笮∨c位置根據(jù)工序可操作性及固定原理選定。

2.2.2 試驗板結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計

（1）試驗板結(jié)構(gòu)設(shè)計（表1）。

表1 試驗板結(jié)構(gòu)信息

母板采用core進(jìn)行積層，兩張core基板作為銑槽深度，子板底部位置采用兩張core基板進(jìn)行積層，結(jié)構(gòu)示意圖4。

圖4 試驗板積層結(jié)構(gòu)

（2）試驗板布局設(shè)計。試驗板主要圖形布局如圖5（綠色部分為母板，灰色部分為子板）。

圖5 多結(jié)構(gòu)互連 PCB 試驗板設(shè)計

各部分測試圖形說明：

（1）對位性測試coupon——Perfect Test 測試

在子板四角位置設(shè)計一對Prefect test測試 coupon，采用標(biāo)準(zhǔn)coupon設(shè)計，孔徑為0.56 mm，孔盤0.89 mm，結(jié)構(gòu)示意圖6。

圖6 Perfect Test 測試 COUPON

每個coupon對應(yīng)五個孔，測試時，以該五孔為基準(zhǔn)，探針探測coupon與五孔接觸程度（該程度以電壓高低來描述）以確定該層在該角偏離基準(zhǔn)的程度，并由軟件自動將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示出來，當(dāng)電壓≥3.25 V 時：五孔分別為50 μm、100 μm、150 μm、200 μm、254 μm，當(dāng)電壓1.75 V ～ 3.25 V時：五孔分別代表為25.4 μm、76.2 μm、127 μm、177.8 μm、228.6 μm（此時coupon剛好接觸孔，處于一種臨界狀態(tài)），當(dāng)電壓＜1.75 V 時：代表coupon沒有接觸孔，即顯示為 0，其設(shè)計和原理示意圖7。

圖7 Perfect Test 作用原理

（2）線路測試coupon。

線路測試coupon目的在于評估跨越兩板間間隙的線路的制作能力，采用蛇形線設(shè)計，線寬 / 線距：100 μm/100 μm、100 μm/127 μm、127 μm/127 μm、150 μm/150 μm、177.8 μm/177.8 μm、200 μm/200 μm、254 μm/254 μm；每組蛇形線彎折處寬度可根據(jù)線寬/線距進(jìn)行調(diào)整，要求在設(shè)計空間下，每組線路設(shè)計在跨越間隙處走線盡可能多，如示意圖8。

圖8 線路設(shè)計

（3）禁布區(qū)過孔可靠性測試coupon。

測試孔徑為0.2 mm，孔盤大小為0.6 mm，子板與母板禁布區(qū)鉆孔定位方式，在母板與子板的板邊分別設(shè)定對準(zhǔn)度標(biāo)靶，用于鉆孔時定位使用；孔邊距間隙間距為0、0.175 mm、0.38 mm、0.5 mm、1.0 mm，各測試間距為孔壁到間隙邊間距，母板子板在每種間距位置各5組孔；同組孔中心距為1.0 mm，不同組孔垂直中心距為1.4 mm， 孔間通過表層線路連接成孔鏈，用于可靠性測試，線寬127 μm，結(jié)構(gòu)如示意圖9所示。

（4）子板塞孔可靠性測試coupon。

塞孔孔徑為0.2 mm，孔盤分別為0.5 mm、0.55 mm。

每種孔盤設(shè)計25個孔，孔中心距均為1.0 mm，布局示意圖10。

圖9 孔壁到間隙邊間距及局部放大

圖10 塞孔測試coupon布局

圖11 成品板的子板塞孔截面

（5）IST測試coupon。

IST測試coupon（圖12）測試通孔結(jié)構(gòu)的可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)的 IST 測試coupon尺寸設(shè)計。

圖12 IST 測試coupon

（6）孔鏈測試coupon。

測試孔徑采用0.2 mm，孔盤大小分別為0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm，每組測試孔徑為100個孔，孔間距為1.0 mm，孔與孔采用表層線路相連形成孔鏈結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 孔鏈布局結(jié)構(gòu)及其截面

2.3 測試項目及接受標(biāo)準(zhǔn)（表2）

表2 測試項目及接受標(biāo)準(zhǔn)

3 制作難點

當(dāng)僅把子板當(dāng)作是一個埋入實體時，相當(dāng)于是埋銅塊板了。在此基礎(chǔ)上改變有兩個：（1）埋入實體與母板間有對準(zhǔn)度要求；（2）埋入實體與母板間有需要制作線路。故需要重點驗證這兩點制作可行性。

3.1 對準(zhǔn)度制作能力控制

對準(zhǔn)度能力是以通孔為基準(zhǔn)，分外層對準(zhǔn)度與內(nèi)層對準(zhǔn)度，由于外層制作是對通孔定位制作，所以內(nèi)外層對準(zhǔn)度能力相對獨立，這里主要討論內(nèi)層對準(zhǔn)度能力，影響；內(nèi)層對準(zhǔn)度能力的因素主要有三個：（1）各層層間的對位能力；（2）層壓板材伸縮；（3）鉆帶拉伸。

（1）對準(zhǔn)度偏差組成因素分解。

多結(jié)構(gòu)互連板對準(zhǔn)度能力可分為高層板對準(zhǔn)度能力及埋入子板時對準(zhǔn)度能力，其能力分別分析如下：

根據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)ME-08-03，通過采用pin-lam壓板方式，x-ray鉆靶，內(nèi)層自動曝光機生產(chǎn)（四層板用自動曝光機及x-ray鉆靶），內(nèi)層Clearance能力及孔到線最小距離如表3所示。

子板放入可以采取定位方式如下：（1）直接放入，單邊補償0.10 mm，（2）凹凸槽定位，單邊補償0.05 mm，（3）銷釘定位；分別分析其對位誤差為：

①直接放入有兩次銑板偏差（±0.075 mm），一次放入偏差：（32＋32＋42）1/2=0.148 mm

②凹凸槽定位有兩次銑板偏差，一次放入偏差：（32＋32＋22）1/2=0.119 mm

③銷釘對位偏差為兩次X-ray，一次銷釘定位偏差為（12＋12＋12）1/2=1.37

綜上分析：要滿足整體對準(zhǔn)度能力較好，只能采取銷釘對位，使用Perfectest測試，只需考慮孔到線最小距離（PTH孔），整體偏差為：（9.02＋1.372）1/2=0.23 mm

為了達(dá)到客戶提出的對準(zhǔn)度能力≤0.178 mm，在使用銷釘定位子母板外，還需要研究對準(zhǔn)度能力，使多層板對位能力達(dá)到0.174 mm以下才能滿足要求。

3.2 交界處外層線路制作

外線線路制作主要考慮為銅厚均勻性，母板位置銅厚17.1 μm，子板由于有埋孔，所以需要先做一次加厚銅再減銅，造成銅厚不均勻性。由于減薄銅誤差為±1 μm，所以銅厚均勻性主要是電鍍銅厚均勻性，為提高鍍銅均勻性，采取脈沖電鍍，減小電流密度，掉頭掛板的方法電鍍?？梢员ＷC銅厚均勻性在±5 μm，所以最后整板銅厚均勻性大約±5 μm，外層蝕刻時，保證厚銅的地方蝕刻干凈，來評估母板上面外層線路制作能力。

表3 內(nèi)層Clearance及孔到線最小間距能力（特別控制）（mm）

4 試板流程

（1）子板流程：開料→ 內(nèi)層干膜（子板單元上面需要設(shè)計三個X－RAY標(biāo)靶）→內(nèi)層沖孔→黑化→層壓→銑板邊→鉆孔（需要鉆出內(nèi)層干膜菲林對位孔、銑板定位孔3個）→沉銅（加厚銅）→塞盲孔→陶瓷磨板1→減薄銅→陶瓷磨板2→內(nèi)層干膜（L12層使用半自動曝光機制作，單元內(nèi)銑板定位孔3個需要做NPTH孔）→內(nèi)層蝕刻→銑板→X－ray→轉(zhuǎn)母板流程（到黑化工序）

（2）母板流程：開料→內(nèi)層干膜（銷釘孔位置需要制作CCD標(biāo)靶）→內(nèi)層沖孔（需額外沖出CCD標(biāo)靶）→銑板（芯板）→銑P片（分兩種情況）→黑化→層壓→銑板邊→陶瓷磨板→鉆孔→沉銅（加厚銅）→外層干膜→電鍍→外層蝕刻→濕菲林→正常流程

5 試板制作

5.1 子板對準(zhǔn)度控制

為保證子板制作對準(zhǔn)度，在子板層壓后X-RAY打靶測量標(biāo)靶數(shù)據(jù)，以0.05 mm一個區(qū)間，按標(biāo)靶位置長度伸縮分板，拉伸鉆帶后鉆孔，以保證減小子板對準(zhǔn)度。

5.2 母板層壓制作跟進(jìn)

（1）壓合情況。在層壓過程中，由于為不對稱板，選擇不對稱板壓合壓板程序壓合，以防止板翹。為保證子板埋入與母板的落差，采用試板上下兩面都使用正常排版方式，上下都使用鋼板。

（2）子板定位方式。為保證層壓的時候子板能夠順利的放入母板之中，母板層壓采用PIN-LAM的方式壓合，子板分別采用銷釘定位、凹凸槽定位及直接放入三種方式制作。

5.3 層壓后磨板情況

子板與母板壓合后間隙切片圖，觀察是否溢膠，壓合后的刷磨后切片圖，觀察間隙的溢膠去除情況如表5所示。

由上述圖片可知，采用3＃層壓線3＃程序?qū)訅海梢员ＷC到縫隙位置填膠充分且縫隙位置流膠較少，通過陶瓷磨板可將樹脂去除干凈。

5.4 子母板厚度匹配性研究

壓板后理論厚度為（2.31±0.22）mm，測量點位置如圖14所示。

圖14 壓板后子母板測試位置

由數(shù)據(jù)可知，壓板后板厚均勻性達(dá)到板厚公差要求，切片分析成品子母板落差如圖15。

切片圖驗證，縫隙位置填滿了樹脂，子母板落差在25 μm以內(nèi)?？p隙位置銅厚交子母板銅厚薄，所以不建議在縫隙位置走線，子母板通過鉆孔連通。

表4 制作難點

表5 子板與母板壓合后間隙切片情況

表6 壓板后子母板位置板厚數(shù)據(jù)

圖15 子母板落差(左圖×5，右圖×20)

5.5 鍍銅厚度均勻性

由以上數(shù)據(jù)可知，子板鍍銅厚度最大23 μm，最小18 μm，都大于母板外層銅厚15 μm，由于銅厚極差為8 μm，所以該處減薄銅應(yīng)該減到13μm ～ 21 μm控制，保證子母板銅厚一致，更好的做外層蝕刻。按圖16中所示位置測量，對母板PPTH后沉銅后銅厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖。

圖16 沉銅后銅厚數(shù)據(jù)測試位置

由以上數(shù)據(jù)可知，控制好子板減薄銅厚度為15±5 μm，可以很好的保證到母板電鍍后子母板位置的銅厚均勻性。

5.6 外層蝕刻控制

由于鍍銅厚度不均勻，所以外層蝕刻只能在保證蝕刻干凈子板位置的面銅為標(biāo)準(zhǔn)來制作外層圖形，通過電測結(jié)果可知，100 μm/100 μm、100 μm/125 μm的線短路現(xiàn)象嚴(yán)重，制作能力不足。100 μm/100 μm線路蝕刻后出現(xiàn)如圖17所示的問題。

100 μm/100 μm線路子板位置由于銅厚不均造成殘銅缺點，但圖18的0.15 mm/0.15 mm線路子板位置蝕刻正常，這是由于線寬間距太小，蝕刻時藥水交換差所導(dǎo)致的殘銅。對縫隙位置線路制作合格率統(tǒng)計如下：

表7 PPTH后銅厚測試數(shù)據(jù)

圖17 100μm/100μm線路子板位置殘銅

圖18 0.15mm/0.15mm位置線路圖

由表8可知，178 μm/178 μm線路未見短路。殘銅現(xiàn)象，178 μm/178 μm及以上的線路都可以制作，如果還需要制作更精細(xì)的線路，改善方向為：子板減薄銅后需要100%確認(rèn)L1層銅厚，與母板表面銅厚（17.1 μm）極差在8 μm以內(nèi)，保證外層蝕刻不殘銅。

5.7 縫隙位置鉆孔可行性

子母板位置線路切片圖19可知，直接在表層走線縫隙位置由于銅厚較薄，可能存在可靠性風(fēng)險，為了實現(xiàn)子母板線路連通，可以通過鉆孔通過內(nèi)層線路連接。本項目在縫隙位置及附近鉆0.25 mm的孔研究鉆孔可行性。

圖19 縫隙位置鉆孔(左×43、右×200)

對成品做熱應(yīng)力288 ℃×10 s×3次測試后，縫隙位置鉆孔切片電鏡觀察可知，縫隙位置鉆0.25 mm的孔未發(fā)現(xiàn)分層缺陷。

5.8 對準(zhǔn)度能力測試

5.8.1 直接放入對位對準(zhǔn)度能力統(tǒng)計

直接放入方式對準(zhǔn)度測試統(tǒng)計如表9。

直接放入定位板只有35%滿足客戶對準(zhǔn)度小于0.178 mm的要求，最大偏移量為0.315 mm。

5.8.2 凹凸槽定位對準(zhǔn)度能力統(tǒng)計（表10）

采用凹凸槽定位板只有55%滿足客戶對準(zhǔn)度小于0.178 mm的要求，最大偏移量為0.259 mm。

5.8.3 銷釘定位對準(zhǔn)度能力統(tǒng)計

銷釘定位方式對準(zhǔn)度測試統(tǒng)計如表11。

銷釘定位板全部滿足客戶對準(zhǔn)度小于0.18 mm的要求，最大偏移量為5.7 mil。

表8 縫隙位置線寬制作能力統(tǒng)計

表9 直接放入方式對準(zhǔn)度測試統(tǒng)計

表10 凹凸槽定位對準(zhǔn)度能力統(tǒng)計

小結(jié)：定位方式選擇銷釘定位可以滿足客戶對準(zhǔn)度小于0.18 mm的要求。

表11 銷釘定位方式對準(zhǔn)度測試統(tǒng)計

6 試驗測試結(jié)果

6.1 介質(zhì)層厚度（表12）

結(jié)論：各層介質(zhì)層厚度均滿足要求

6.2 孔壁銅厚測試（表13）

6.3 可靠性測試

表12 介質(zhì)層厚度數(shù)據(jù)

由表14中結(jié)論可知，各項可靠性測試均滿足要求。

6.4 板變形測試（表15、表16）

由以上數(shù)據(jù)可知，成品板及回流焊后的板翹曲度都滿足客戶小于0.7%的要求。

6.5 客戶反饋

表13 孔壁銅厚測試數(shù)據(jù)

表14 可靠性測試表

表15 成品單元測試數(shù)據(jù)

表16 3次某客戶無鉛曲線回流焊后測試數(shù)據(jù)

該批板成功交貨后，客戶反饋各項測試結(jié)果如表17。由上表可知，各項測試均符合測試要求，樣板得到客戶的認(rèn)可。

7 總結(jié)

7.1 技術(shù)總結(jié)

項目研發(fā)成功后，多結(jié)構(gòu)互聯(lián)PCB產(chǎn)品制作能力如表18。

目前已規(guī)范了制作流程及各工序制作方法，具備了制作多結(jié)構(gòu)互聯(lián)板產(chǎn)品能力。

7.2 經(jīng)濟(jì)社會效應(yīng)

高速數(shù)字PCB發(fā)展，設(shè)計頻率越來越高，當(dāng)設(shè)計頻率達(dá)到1 GHz以上，由于“趨膚效應(yīng)”使得傳輸頻率越高速度越快，此時有效導(dǎo)體損失越大，隨著3G、4G項目的推出，數(shù)字信號傳輸速度越來越快，研發(fā)混合結(jié)構(gòu)和局部混合結(jié)構(gòu)印制線路板可以滿足高速數(shù)字信號傳輸所需要的程控交換設(shè)備，減小信號交換過程中的信號損失的問題。

表17 客戶反饋測試結(jié)果

表18

該項目的開展有利于為國內(nèi)LTE/4G項目在信號的高速傳遞及信號損失上提供了新的解決方案，有利于提高PCB制造技術(shù)水平；該技術(shù)為PCB設(shè)計提供新的思路，PCB設(shè)計可以通過混合結(jié)構(gòu)和局部混合結(jié)構(gòu)來達(dá)到解決減小特殊材料使用量，降低材料成本，保護(hù)環(huán)境及漸少了信號損失及信號干擾等問題，且市場前景廣闊。

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[3]楊宏強等. 印制板機械加工技術(shù)[M]. 上海美維科技有限公司培訓(xùn)中心出版.

[4]東莞生益電子有限公司歷年獲獎?wù)撐募痆C].