立體結(jié)構(gòu)密集單元PCB層偏改善

袁繼旺 范金澤 杜紅兵 王小平（東莞生益電子有限公司研發(fā)中心，廣東 東莞 523039）

立體結(jié)構(gòu)密集單元PCB層偏改善

袁繼旺 范金澤 杜紅兵 王小平
（東莞生益電子有限公司研發(fā)中心，廣東 東莞 523039）

在階梯槽底部制作插頭的工藝已經(jīng)開發(fā)成熟，但制作立體結(jié)構(gòu)密集單元PCB產(chǎn)品出現(xiàn)層偏報廢異常高的難題。以一款立體結(jié)構(gòu)密集單元階梯位插頭的PCB產(chǎn)品為例，剖析階梯位插頭在制作過程中如何有效控制層偏。

層間偏移；階梯槽；板邊插頭；短路

1 層偏現(xiàn)狀

電子設(shè)備為達(dá)到體積變得更輕、更薄、更小，需要在PCB載板上的局部區(qū)域制作階梯式的盲槽，降低安裝元器件的高度，實(shí)現(xiàn)整體器件安裝高度的控制，且讓不同功能的電路板進(jìn)行復(fù)合。但是在制作立體結(jié)構(gòu)密集單元階梯金手指板時，由于線路密集且間距小，同時芯板（子板）大量開槽，由此導(dǎo)致板角單元內(nèi)層層偏短路的問題。

階梯板邊插頭一般采用兩次壓合技術(shù)，先制作三個子板并完成槽內(nèi)板邊插頭制作，再壓合成母板。在電子測試流程檢出批量層偏報廢問題，針對定位的層偏報廢切片分析，發(fā)現(xiàn)層偏問題出現(xiàn)在三個子板（L3/L4、 L7/L8、L11/L12層芯板）。

2 層偏原因分析

2.1 層偏理論分析

根據(jù)層間偏移的表觀及切片特征，可以將層間偏移定義為多層板的內(nèi)層圖形與通孔之間的偏移。解決層偏，從其根源來講就是要提高多層板的對準(zhǔn)度。那么從制作流程來看，影響對準(zhǔn)度的因素及我公司現(xiàn)有最好控制能力如表1所示。

根據(jù)層偏計算模型，理論上孔到線的最小距離能力為T1。

表1 目前各工序按正常引起的偏差

從公司控制能力和理論計算公式來看，多層板一次壓合的對準(zhǔn)度為0.199 mm，那么兩次層壓工藝，層壓流程對層間偏移影響最大，而且人為因素較多。

2.2 階梯金手指板工藝設(shè)計信息

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們遇到特殊產(chǎn)品階梯金手指板設(shè)計線到孔的距離為0.18 mm，層壓設(shè)計為兩次壓合，一些因素積累了兩次偏差，并且在L10-L14層制作階梯槽，造成整板在結(jié)構(gòu)上的不對稱?？赏ㄟ^線到孔的理論計算公式計算出制作能力T1=0.24 mm。按照正?？刂?，顯然不能滿足線到孔0.18 mm的設(shè)計要求。

2.3 魚骨圖分析

對圖形轉(zhuǎn)移、層壓及后續(xù)相關(guān)工序進(jìn)行人、機(jī)、物、法、環(huán)因素分析，尋找產(chǎn)生層間偏位產(chǎn)生的原因（圖1）。

2.4 異常因素分析排查

對“魚骨圖”中所列出的因素進(jìn)行分析，確定影響程度。曝光工序未按要求參數(shù)生產(chǎn)、各層拉伸系數(shù)設(shè)置不合理、預(yù)排排板不規(guī)范、子板制作過程溫差變化大以及子板不對稱設(shè)計并使用鴛鴦銅致子板漲縮異常是導(dǎo)致層間偏移的主要原因。對生產(chǎn)操作異常，通過管理即可糾正。在工藝上，主要是各層拉伸系數(shù)設(shè)置不合理、子板制作過程溫差變化大以及子板不對稱設(shè)計并使用鴛鴦銅導(dǎo)致層間偏移，針對以上原因分析，對各流程進(jìn)行分解分析，定位影響層偏的主次因素，進(jìn)行單因子試驗改進(jìn)。

2.5 關(guān)鍵工序工藝流程及潛在風(fēng)險

2.5.1 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)的工藝流程

在照片制作中，通過各步驟人工檢測，可保證照片品質(zhì)符合生產(chǎn)要求（照片漲縮＜0.03 mm）。顯影過程中產(chǎn)生的漲縮在滿足圖形精度的情況下是基本無可降低的空間。而圖形的重合度是照片和機(jī)器對位精度決定。因此影響圖形轉(zhuǎn)移偏位的關(guān)鍵流程為曝光機(jī)曝光。

2.5.2 層壓工藝流程

主要針對Mass-lam排板方式：預(yù)排 → 排板 →層壓 → 銑板邊。在預(yù)排前有內(nèi)層沖孔，要求減少機(jī)器帶來的誤差。對層壓而言，層壓伸縮、排板偏位、壓合偏位是產(chǎn)生層偏的三大因素。在此立體結(jié)構(gòu)PCB制作中，預(yù)排排板偏位、兩次層壓伸縮及壓合偏位是影響層間偏位的關(guān)鍵流程。

2.5.3 鉆孔流程

在鉆孔加工前，通過X-Ray機(jī)制作通孔定位靶標(biāo)，同時讀取板邊獨(dú)立標(biāo)靶值確定鉆孔前母板漲縮量。根據(jù)漲縮量的大小判定是否需要修改鉆帶。在該流程中存在兩個偏移量：鉆定位標(biāo)靶精度偏差和鉆孔精度偏差。

3 層偏改善策劃

3.1 生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)核查及改善

3.1.1 關(guān)鍵流程生產(chǎn)控制要求(表2)

圖1 層間偏位魚骨圖分析

表2 關(guān)鍵流程控制要求

3.1.2 改善結(jié)果

對各流程進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體措施如圖2。

圖2 層偏改善-各流程優(yōu)化措施

按照上述要求生產(chǎn)150P階梯金手指板，發(fā)現(xiàn)報層偏廢率降低，內(nèi)短報廢降低。但是由層間偏移帶來的報廢依然較高比例，都是由L11/L12層開槽子板帶來。按照以上分析，將L10/L13層開槽子板作為重點(diǎn)改善點(diǎn)，并監(jiān)控X-Ray2制作。

3.2 工藝方法、工藝參數(shù)優(yōu)化

L10/L13層子板是有L11/L12層芯板通過壓合銅箔制成，且每張芯板設(shè)計24個不規(guī)則槽窗，其拉伸系數(shù)不能按照正常芯板漲縮量給出，需要通過多次試驗優(yōu)化。層壓后板的結(jié)構(gòu)不對稱造成子板易翹曲，子板開窗后又會產(chǎn)生不規(guī)則變形。

3.2.1 子板流程過程跟進(jìn)

子板層壓完成后，在圖形轉(zhuǎn)移前需要制作內(nèi)層對位曝光孔。根據(jù)該型號結(jié)構(gòu)設(shè)計為二次壓合，客戶內(nèi)層設(shè)計孔到線的距離為7.2 mil，而常規(guī)生產(chǎn)板制作能力為7.8 mil（一次壓合）。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，需要減少設(shè)備誤差，特采用X-Ray機(jī)直接鉆出圖形轉(zhuǎn)移對位曝光標(biāo)靶，避免采用鉆機(jī)制作對位曝光標(biāo)靶帶來的鉆機(jī)設(shè)備誤差。

通過X-Ray機(jī)讀取X-Ray1標(biāo)靶數(shù)據(jù)與內(nèi)層拉數(shù)機(jī)讀取X-Ray1標(biāo)靶數(shù)據(jù)。看出首先三個子板漲縮不一致，這將導(dǎo)致子板壓合母板時層間對準(zhǔn)度差；其次，X-Ray機(jī)讀數(shù)比內(nèi)層拉數(shù)機(jī)平均偏大，可能受環(huán)境變化影響；最后內(nèi)層拉數(shù)機(jī)測量標(biāo)靶值均偏小標(biāo)準(zhǔn)值，可以考慮在制作X-Ray1標(biāo)靶時進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。補(bǔ)償值設(shè)置為每個子板X-Ray實(shí)際值與照片標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值，將此差值補(bǔ)償至銑板邊打X-Ray靶值中。

3.2.2 母板流程過程跟進(jìn)

產(chǎn)品完成層壓及鉆孔后，內(nèi)層結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。而鉆孔鉆帶是否拉伸，也是根據(jù)層壓后X-Ray機(jī)讀取獨(dú)立標(biāo)靶，分析計算得出。因此，主要針對層壓過程進(jìn)行分析。

（1）監(jiān)控預(yù)排流程的設(shè)備、物料準(zhǔn)備及員工操作。對預(yù)排各過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作現(xiàn)象。在現(xiàn)有制作能力條件下，預(yù)排不對層間偏移造成影響。

（2）采用MASS-LAM 方式壓板，先將L2-L13層鉚合，排版疊層如下：底板/牛皮紙/鋼板/鋁片/銅箔/半固化片/鉚合的PCB（階梯槽朝上，并放入墊片）/半固化片/銅箔/鋁片/鋼板/牛皮紙/蓋板。將開槽芯板/PP完全排完后再放入PTFE墊片，墊片必須完全放入開槽芯板/PP內(nèi)，保證四周平整；

每個panel共含有24個PTFE墊片；疊板層數(shù)正常控制，上下新牛皮紙排滿整BOOK，層數(shù)不夠可以增加牛皮紙。

請注意金手指位置（即L1層到L9層金手指需要控制成品板厚1.0+/-0.1 mm），F(xiàn)A板 層壓后切片測量L1/L9層厚度；只是對L9-L10層粘結(jié)片開槽，其他層P片均不開槽。

層壓過程三個子板之間沒有出現(xiàn)層間偏移。同時，母板無Mark超差板，鉆孔時也不需要更改鉆帶等工具。

3.3 層偏原因定位

影響階梯板邊插頭層間偏移的主要環(huán)節(jié)為子板制作，L10/L13層子板層間偏移，即開槽子板層間偏移是導(dǎo)致成品層偏、短路的主要原因。燒板邊插頭問題主要是L1-L9層板邊插頭層間對準(zhǔn)度差引起，通過增加X-Ray流程避免板邊插頭槽超差問題。

3.3.1 L10/L13層子板制作工藝

L10/L13層子板在圖形轉(zhuǎn)移之前流程為一種簡單的四層板制作流程，但后續(xù)其涉及到第二次層壓、板面開24個階梯槽，設(shè)置照片拉伸系數(shù)時較為復(fù)雜。

L10/L13子板需經(jīng)過銑板流程，制作階梯槽；對應(yīng)層間的半固化片也需要銑出階梯槽孔。如圖3所示，開槽芯板在的A結(jié)構(gòu)區(qū)域短方向玻纖分被切斷成獨(dú)立片段，B結(jié)構(gòu)區(qū)域長方向的玻纖被切成獨(dú)立片段，這些獨(dú)立片段在受到外力時，發(fā)生形變量遠(yuǎn)大于不開槽區(qū)域。只能通過多次試驗得出較為合理的拉伸系數(shù)。

根據(jù)開槽子板在層壓過程中的特點(diǎn)，分析了前幾批次開槽子板層間偏移的方向和大小。將開槽芯板L11/L12層拉伸系數(shù)由原來的0.035%增大至0.055%。

圖3 開槽芯板、半固化片結(jié)構(gòu)示意圖

改善后層間偏移產(chǎn)生的層偏報廢和內(nèi)層短路改善效果明顯。說明改變L11/L12層開槽芯板的拉伸系數(shù)，是改善層間偏移的關(guān)鍵因素。

3.3.2 燒板邊插頭缺陷改善結(jié)果

通過在L1、L9層增加X-Ray2獨(dú)立標(biāo)靶，采用此兩層獨(dú)立標(biāo)靶平均值制作二鉆定位孔，提高了L1、L9層之間的對準(zhǔn)度，

在增加X-Ray2優(yōu)化措施后，批量制作成品抽檢無板邊插頭Slot槽超差情況，無客戶投訴燒板邊插頭問題。

4 總結(jié)

（1）通過優(yōu)化制作流程，取消鉆孔制作X-Ray對位曝光機(jī)，避免帶入鉆機(jī)系統(tǒng)誤差，提高了子板制作對位精度；

（2）根據(jù)多次數(shù)據(jù)收集，驗證了子板層壓到內(nèi)層干膜流程會出現(xiàn)子板收縮情況，在制作X-Ray時，對標(biāo)靶值進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，消除了子板在流程中產(chǎn)生的收縮變形帶來的差異；

（3）確定了影響層偏的主要原因是開槽芯板的拉伸系數(shù)不合理，通過優(yōu)化芯板拉伸系數(shù)，大幅提高了層間對準(zhǔn)度，極大地降低了層偏報廢和內(nèi)層短路報廢；

（4）通過增加X-Ray2流程，在L9層增加二鉆定位標(biāo)靶，提高了板邊插頭Slot槽的位置精度，消除了客戶端使用過程中燒金手指問題；

（5）通過工藝優(yōu)化，該款產(chǎn)品的層偏報廢從19.8%降至2.74%以下，內(nèi)層短路從6.85%降低至1.91%以下，改善效果明顯。

通過一系列試驗，確定了對立體結(jié)構(gòu)密集單元PCB制作開盲槽層次的拉伸系數(shù)，采用X-Ray流程制作定位孔等措施極大地降低了多層板層間偏移，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

征稿啟事 —— 開啟“短兵相接實(shí)戰(zhàn)場”

《印制電路信息》現(xiàn)開啟“短兵相接實(shí)戰(zhàn)場”專欄。

“短兵相接實(shí)戰(zhàn)場”，乃文章短小精干，作者來自一線員工，內(nèi)容為實(shí)際案例與經(jīng)驗教訓(xùn)。此一線員工包括在產(chǎn)業(yè)前線的工程技術(shù)人員、管理人員和操作工人，基本上處于兵的階層。實(shí)際案例與經(jīng)驗教訓(xùn)內(nèi)容包括生產(chǎn)或管理中品質(zhì)改善、工藝改進(jìn)、設(shè)備改革、材料節(jié)約、節(jié)能減排、效率提升、成本降低等各方面，為點(diǎn)點(diǎn)滴滴的心得體會或經(jīng)驗介紹。

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本刊編輯部

Research on mis-registration improvement of dense cells of PCB

YUAN Ji-wang FAN Jin-ze DU Hong-bing WANG Xiao-ping

Making gold finger on cavity bottom to produce the volume PCB has been used. But it is difficult to solve the serious mis-registration with the cavity layers. This paper focuses on how to reduce the mis-registration in the three-dimensions and dense cells of cavity broad with gold finger.

Mis-Registration; Cavity; Edge Board Contacts; Short

TN41

A

1009-0096（2014）08-0061-04