厚銅多層印制板的工程設(shè)計與生產(chǎn)控制

柯 勇 譚小林 張柏勇 胡定益

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

1 前言

厚銅多層印制板是一種特殊類的印制電路板，此類印制電路板的主要特點：一般層數(shù)在4至12層，內(nèi)層基板銅箔厚度在102.9 μm（3 oz/ft2）～ 205.7 μm（6 oz/ft2），品質(zhì)可靠性要求高。厚銅多層印制板具有良好的載電流能力和優(yōu)良的散熱性，主要應用于網(wǎng)絡(luò)能源、通訊、汽車、大功率電源、平面變壓器、功率轉(zhuǎn)換器等方面，因此具有廣闊的市場發(fā)展前景。

隨著國內(nèi)3G行業(yè)的繼續(xù)擴展，智能手機、平板電腦、綠色基站等電子終端的興起等已對PCB產(chǎn)生強大的拉動作用。全球著名PCB市場分析機構(gòu)（Prismark）公司的統(tǒng)計結(jié)果表明，2012年不同應用領(lǐng)域的PCB相對于2011年而言，應用于汽車的PCB增長率和應用于通訊的增長率最大。其中應用于汽車的PCB增長率達到3.7%，應用于通訊的增長7.4%。

鑒于厚銅多層印制板的技術(shù)特點及其廣闊的市場前景，以及品牌客戶中興的需求，產(chǎn)品開發(fā)組對厚銅多層印制板產(chǎn)品進行技術(shù)難題攻關(guān)并實現(xiàn)厚銅多層印制板產(chǎn)業(yè)化。本文結(jié)合我公司用于通訊基站的137.2 μm（4 oz/ft2）厚銅多層印制板系列產(chǎn)品，在批量生產(chǎn)中遇到的加工難點和容易出現(xiàn)的品質(zhì)問題，介紹了厚銅多層印制板的工程優(yōu)化設(shè)計及其關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制要點，以及介紹了411.6 μm（12 oz/ft2）超厚銅多層印制板重要生產(chǎn)工序（蝕刻、壓合、阻焊）的制作要點，有效提高了厚銅多層印制板的品質(zhì)可靠性。

2 主要制作難點簡析

2.1 內(nèi)外層厚銅箔線路制作難點

（1）受蝕刻設(shè)備技術(shù)限制，厚銅多層印制板一次圖形蝕刻，其線寬和間距難以達到品質(zhì)要求。

（2）由于“水池效應”，使得板件的中間區(qū)域和板邊區(qū)域線路蝕刻不均勻、側(cè)蝕嚴重。為保證蝕刻效果，常規(guī)的解決方法是通過多次蝕刻和正反兩面交替方向蝕刻，由此導致蝕刻速度較慢，線路蝕刻能力較低。圖1是厚銅印制板蝕刻過度，導致線寬過小的缺陷圖與線寬合格圖對比效果。

圖1 線寬過小和線寬合格對比圖

2.2 壓合制作難點

（1）由于厚銅多層印制板銅箔較厚，壓合中需要保證樹脂能夠充分填充線路圖形之間的縫隙，同時確保壓合介質(zhì)層的厚度，因此對厚銅多層印制板的疊層結(jié)構(gòu)和品質(zhì)可靠性提出較高的要求。

（2）因內(nèi)層銅箔偏厚，壓合填膠困難，容易出現(xiàn)爆板分層、樹脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設(shè)計疊層結(jié)構(gòu)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(shè)定合理的厚銅多層印制板壓合專用程式。圖2是厚銅多層印制板熱應力測試后出現(xiàn)爆板分層的缺陷圖。

圖2

2.3 鉆孔制作難點

（1）由于內(nèi)層或外層厚銅箔厚度為≥102.9 μm（3 oz/ft2），鉆孔時容易出現(xiàn)孔壁粗糙度過大、斷鉆頭、孔壁質(zhì)量差等問題。

（2）厚銅多層印制板各層累計銅厚高，對鉆頭磨損比較嚴重，容易出現(xiàn)鉆孔拉傷內(nèi)層焊盤等問題。圖3（a）是內(nèi)層焊盤被拉傷的切片圖，圖3（b）是熱應力測試后出現(xiàn)孔壁分離的缺陷切片圖。

圖3

2.4 阻焊制作難點

厚銅多層印制板因銅面與基材面落差較大，印刷時線路拐角和銅皮邊緣不易下油，出現(xiàn)油墨厚度偏薄、油墨厚度不均、阻焊氣泡、板面聚油等品質(zhì)問題。影響阻焊品質(zhì)的主要因素是：銅箔厚度、油墨類型、油墨粘度、刮膠、印刷網(wǎng)版、阻焊制作工藝等。

3 工程設(shè)計

3.1 材料選擇

通訊基站用厚銅多層印制板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)層厚銅箔基板的主要特性對比，見表1。

通過批量使用A系列高Tg厚銅且含有填料的PN固化型板材，并經(jīng)中興、騰訊等終端客戶上線測試，該板材具有良好的耐熱性、絕緣性和機械加工性能。

在壓合時要求層間半固化片的流膠量足以將內(nèi)層圖形填充滿，就需選用高用樹脂含量的半固化片。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。

表1 板材性能對比表

3.2 壓合疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計

在疊層結(jié)構(gòu)設(shè)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）根據(jù)板厚和介質(zhì)層厚度，選用高樹脂含量的半固化片，如1080 RC（樹脂含量）65%、1080 H RC 68%、106 RC 73%、106H RC 76% ；但盡量避免全部使用106 高膠半固化片的結(jié)構(gòu)設(shè)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。

（2）不同的半固化片組合需將1080 H 貼內(nèi)層厚銅基板設(shè)計。

（3）內(nèi)層銅厚≥102.9 μm的厚銅多層印制板，使用Tg≥150 ℃的板料及配套半固化片。

（4）通訊基站常用的6層137.2 μm（4 oz/ft2）厚銅印制板壓合疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4～圖7所示。

圖4 1080（樹脂含量65%）

圖5 1080（樹脂含量68%）

圖6 106（樹脂含量76%）

圖7 106（樹脂含量73%）

以上四種疊層結(jié)構(gòu)均使用內(nèi)層銅箔厚度為137.2 μm的高耐熱性（Tg≥170 ℃）且含有填料的厚銅專用板材，介質(zhì)層使用高樹脂含量的半固化片，以滿足層間填膠量，提高產(chǎn)品可靠性。

3.3 內(nèi)層圖形線路設(shè)計

3.3.1 未經(jīng)過電鍍的內(nèi)層線寬、線距、孔環(huán)設(shè)計補償

由于內(nèi)層基板銅箔較厚，在蝕刻中側(cè)蝕量較大，因此需對線路的寬度、焊盤寬度做適當?shù)墓に囇a償。線路補償值的多少需要根據(jù)實際蝕刻設(shè)備線的情況，通過試驗和生產(chǎn)驗證來確定銅箔厚度與蝕刻側(cè)蝕量的關(guān)系。經(jīng)過多次試驗和批量生產(chǎn)后，我公司按表2的補償值對線寬和焊盤補償后，并對蝕刻過程嚴格管控，能達到客戶的品質(zhì)要求。

3.3.2 圖形封閉區(qū)域開導氣槽設(shè)計

若單元與單元連接外圍為封閉形狀或填銅后形成封閉區(qū)塊，為利于樹脂流動和排氣，改善壓合空洞，內(nèi)層菲林需開0.5 mm寬度的導氣槽，且每層導氣槽應錯開位置，避免內(nèi)層基板蝕刻后折斷以及確保壓合厚度均勻性，如圖8所示。

表2 內(nèi)層圖形線路補償

圖8

3.3.3 無銅區(qū)填銅制作

（1）在交貨單元內(nèi)，如線路分布不均勻，應詢問客戶，建議客戶接受單元內(nèi)加銅皮。在客戶允許情況下，可在交貨單元內(nèi)加銅皮，同時保證銅皮邊緣離線路及孔邊≥2 mm。

（2）在交貨單元以外，如果空間允許，應盡量加銅皮，需保證銅皮邊緣離單元外形邊0.30 mm ～0.50 mm，如圖9所示。

圖9 填銅后銅皮間距要求

3.3.4 壓合工藝邊阻流塊設(shè)計

由于厚銅多層印制板使用多張高樹脂含量的半固化片，因此流膠量比常規(guī)多層印制板要大，我公司在工藝邊設(shè)計成S形阻流銅塊，有效起到擋膠、阻流作用，如圖10所示。

圖10 壓合工藝邊阻流塊設(shè)計圖形

3.4 鉆孔設(shè)計

鉆孔設(shè)計主要考慮因素：2.0 mm≤孔徑＜4.0 mm需增加預鉆，預鉆刀徑＝要求刀徑－0.5 mm；孔徑≥4.0 mm增加卸力孔及擴孔方式設(shè)計；在設(shè)計允許的條件下，要盡量加大內(nèi)層焊環(huán)，以避免鉆孔拉傷內(nèi)層焊盤等問題。

3.5 阻焊設(shè)計

阻焊設(shè)計主要考慮曝光菲林制作。在客戶接受重影的情況下，第一次菲林與第二次菲林相同；在客戶不接受重影的情況下，第一次對位菲林綠油橋開通窗，焊盤單邊開窗比第二次對位菲林單邊開窗大0.05 mm，如相連則開通窗；第二次對位菲林正常制作。

4 關(guān)鍵工序生產(chǎn)控制

4.1 內(nèi)外層厚銅箔線路制作

4.1.1 內(nèi)外層銅箔厚度控制

內(nèi)層銅箔厚度102.9 μm ～ 137.2 μm的基板一般可以直接采購。由于內(nèi)層銅箔厚度171.5 μm ～ 205.7 μm的基板在批量生產(chǎn)中使用少，因此板材供應商很少庫存，需要特殊訂購。我公司是通過在137.2 μm厚銅箔基板上通過全板電鍍鍍至171.5 μm ～ 205.7 μm的銅厚要求。為了提高厚銅多層印制板的線路制作精度，建議批量生產(chǎn)時特殊訂購內(nèi)層厚銅箔基板。

參照IPC-6012C（剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范）中的表3-11和3-12，常用的厚銅多層印制板加工后完成銅箔最小厚度，概括見表3。

大于137.2 μm的厚銅箔，參照IPC-6012C的3.6.2.13節(jié)中的的公式。

a = 銅箔最小厚度絕對值（比IPC-4562中的標稱值減少10%）；

b = 最小銅鍍層厚度（對于1級和2級產(chǎn)品，為20 μm；對于3級產(chǎn)品，為25 μm）；

表3 加工后銅箔最小厚度

c =加工允許減少的最大值。

4.1.2 蝕刻控制要點

由于厚銅多層印制板側(cè)蝕量大，同時受蝕刻設(shè)備能力限制，若達到厚銅多層印制板線路的加工精度，一次蝕刻線寬和間距不易做到。為了提高厚銅多層印制板的線路蝕刻能力，需要在工程設(shè)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(shè)計考慮。

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)。內(nèi)層使用抗蝕強的干膜或采用濕膜涂布二次，適當?shù)难娱L曝光時間，以提高抗蝕能力。蝕刻時采用正反面兩次或兩次以上的蝕刻方式，并調(diào)整放板方向，使板的兩面蝕刻均勻，減少蝕刻毛邊、蝕刻不凈等問題。

4.1.3 超厚銅多層印制板蝕刻技術(shù)

對于銅箔厚度411.6 μm （12 oz/ft2）的超厚銅多層印制板因設(shè)備技術(shù)瓶頸，可采用分步蝕刻工藝解決蝕刻技術(shù)難題。以下是我公司4層超厚銅外層411.6 μm厚銅箔制作工藝概要，如外層厚銅箔分步蝕刻流程，分步蝕刻示意圖，成品切片圖以及技術(shù)備注。

（1）411.6 μm外層厚銅箔分步蝕刻流程

銅板開料—鉆鉚合孔—L1-和L4-線路制作（正常線路鏡像處理，命名L1-和L4-）-酸性蝕刻（411.6 μm厚銅箔蝕刻后保留約205.7 μm銅厚）—壓合（將內(nèi)層基板、半固化片和蝕刻后的厚銅箔壓合）—銑定位孔—鉆孔—沉銅--板電—第二次線路（正常L1+ 和正常L4+線路）—圖電—堿性蝕刻

外層超厚銅箔制作按L1-、L4-和L1+、L4+要求出2套菲林，其中L1-、L4-在內(nèi)層蝕刻線使用，與外層線路（L1+、L4+）相比鏡像處理，線路在同一對應位置，注意對位精度控制，采用負片直接蝕刻工藝；L1+和L4+按外層線路正常工藝制作。

（2）411.6 μm超厚銅箔分步蝕刻圖（圖11）。

圖11

（3）411.6 μm超厚銅印制板采用分步蝕刻工藝后的成品切片圖，如圖12。

從圖12成品切片圖可以分析，在壓合時已將411.6 μm 厚銅箔蝕刻后保留銅厚229.727 μm的線路層樹脂已填滿，無裂縫，無樹脂空洞等缺陷。在壓合樹脂填充區(qū)域外面部分，剩余181.873 μm 銅箔厚度的空隙區(qū)域是阻焊油墨覆蓋部分，此阻焊油墨印刷屬于205.7 μm厚銅印制板的加工能力，因此解決了411.6 μm超厚銅印制板的阻焊制作技術(shù)難點。

圖12

4.2 厚銅多層印制板壓合工藝

為提高厚銅多層印制板的可靠性，選用高耐熱性且含有填料的厚銅專用板材，以及使用高樹脂含量的半固化片。根據(jù)不同材料，對疊層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)定專用的厚銅多層印制板壓合程式，使樹脂充分填充和材料完全固化，確保厚銅印制板的耐熱性和耐電壓。由于厚銅材料、疊層結(jié)構(gòu)、圖形設(shè)計以及生產(chǎn)設(shè)備等差異，在批量生產(chǎn)中，需要綜合考量與改善。

4.2.1 壓合生產(chǎn)控制要點

（1）棕化處理：內(nèi)層厚銅箔基板棕化后需要確保烘干效果。少數(shù)廠家在內(nèi)層厚銅箔基板棕化后增加烘烤流程，主要作用是改善爆板問題。至于是否需要增加烘烤，取決于棕化水平線的烘干效果。

（2）半固化片開料后抽濕4 h ～ 6 h，抽濕后立即使用。

（3）降低壓合板料升溫速率，延長高溫固化時間。在厚銅多層印制板批量生產(chǎn)中，一般升溫速率控制1.6 ℃/min ～ 2.0 ℃/min ，固化時間控制70 min ～80 min。

（4）411.6 μm超厚銅多層印制板壓合控制要點：經(jīng)試驗及樣品制作，使用106和2113的高膠半固化片組合，或者導入SP系列特殊高膠半固化片（樹脂含量高達88%～92%，介質(zhì)厚度達到130 μm ～ 200 μm），可以滿足超厚銅印制板的壓合填膠要求?；诔胥~印制板疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計多張半固化片，在壓合中容易出現(xiàn)滑板和介質(zhì)不勻等問題，選用緩沖效果較好的材料，可得到有效改善。主要改善方法是：增加緩沖紙張數(shù)量或使用全新的緩沖紙，選用硅膠墊或其它覆形材料緩沖等（圖13）。

圖13 4層超厚銅印制板疊層結(jié)構(gòu)

4.3 鉆孔制作

4.3.1 鉆孔生產(chǎn)控制要點

由于內(nèi)外層銅箔偏厚且各層累計銅箔厚度高，對鉆頭磨損嚴重，鉆孔時容易出現(xiàn)拉傷內(nèi)層焊盤等問題。在設(shè)計允許的條件下，要盡量加大內(nèi)層焊環(huán)，以避免鉆孔拉傷內(nèi)層焊盤等問題。小孔采用分步鉆孔的方式，對于孔數(shù)、落速和轉(zhuǎn)速需適當?shù)南抡{(diào)。

為改善厚銅多層印制板的鉆孔毛刺問題，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。對于205.7 μm銅厚或以上的超厚銅多層印制板，從實驗結(jié)果分析，蓋板使用鋁片，或增加0.30 mm ～ 0.50 mm厚的環(huán)氧玻璃布板做蓋板；墊板使用中密度墊板并增加一張鋁片（0.13 mm ～ 0.15 mm厚度），鉆孔毛刺可明顯改善。

表4 壓合品質(zhì)管控

4.3.2 鉆孔品質(zhì)管控要點

圖14為成品可靠性測試部分切片圖。

圖14

4.4 阻焊制作

4.4.1 阻焊生產(chǎn)控制要點

（1）兩次印刷兩次曝光對位工藝

厚銅印制板因銅面與基材面落差較大，印刷時線路拐角不易下油，出現(xiàn)油墨厚度偏薄、油墨厚度不均、阻焊氣泡等問題。完成表面銅厚為102.9 μm ～137.2 μm的厚銅印制板，目前主要采用兩次印刷兩次曝光對位工藝。

①油墨黏度控制。油墨黏度控制在40 dpa·s ～80 dpa·s，塞孔油墨不加稀釋劑，使用原液。

②網(wǎng)版使用。使用51T擋點網(wǎng)版印刷，網(wǎng)版為18°～ 22.5°的斜拉網(wǎng)。

③印刷要點。選用肖氏硬度為70°的刮膠或65°與70°刮膠組合使用，使用的刮膠邊刃要鋒利平滑，否則要研磨。為改善厚銅線路面的油墨均勻性，印刷時刮膠與網(wǎng)版調(diào)整好角度，刮膠印刷方向與板面要保持一定的斜角。印刷完成后水平靜置時間控制1 h ～ 2 h后再進行預烘烤。

（2）啞色阻焊油墨打底和光亮阻焊油墨印刷相結(jié)合工藝

對于完成表面銅厚為171.5 μm ～ 205.7 μm的厚銅印制板，可采用啞色阻焊油墨打底和光亮阻焊油墨印刷相結(jié)合工藝，即第一次使用啞色阻焊油墨打底，第二次使用光亮阻焊油墨印刷。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，啞色阻焊油墨印刷后便于油墨氣泡逸出，印刷靜止后不易出現(xiàn)油墨氣泡和針孔。啞色油墨黏度控制在60 dpa·s ～ 100 dpa·s，靜止時間在30 min以上。第二次印刷按光亮油墨正常條件即可。通過客戶上線測試，使用相同系列啞色油墨打底和加光亮油墨板面印刷，可靠性測試滿足相關(guān)品質(zhì)要求，在外觀上與兩次光亮油墨印刷無明顯差異。

（3）印刷和噴涂相結(jié)合工藝

對于411.6 μm超厚銅印制板制作，可采用印刷和噴涂相結(jié)合工藝?？刂埔c如下：

①第一次油墨制作（印刷工藝）

（A）流程：前處理1→印刷→曝光1→預固化→顯影1→后固化1（分段烘烤）；

（B）使用43T或51T 擋點網(wǎng)版，采用釘床雙面印刷，油墨稀釋劑添加量（100～120）ml/kg，印刷后水平放置1 h ～ 2 h后預固化。

②第二次油墨制作（靜電噴涂設(shè)備或半自動噴涂設(shè)備）

表5 鉆孔品質(zhì)管控

（A）流程：前處理2（洗板、關(guān)磨刷）→噴涂→曝光2→顯影2→后固化2（分段烘烤）；

（B）關(guān)鍵參數(shù)：預噴0.18 Mpa ～ 0.25 Mpa，主噴0.30 Mpa ～ 0.35 Mpa；根據(jù)板的線路分布情況和表銅厚度調(diào)整噴涂壓力，預噴油墨粘度控制在50 s ～ 80 s，主噴油墨黏度80 s ～ 100 s。

若無噴涂設(shè)備，可采取三次印刷三次曝光對位制作，每次印刷后抽真空約20 min，將油墨中的氣泡排出來，再進行預烘烤，并參考前章節(jié)介紹的411.6 μm超厚銅多層印制板分步蝕刻工藝，以解決阻焊技術(shù)難題。

5 結(jié)語

我公司對厚銅多層印制板做了一系列技術(shù)難題攻關(guān)及品質(zhì)管控，如工程設(shè)計優(yōu)化和關(guān)鍵工序生產(chǎn)控制，有效提高了厚銅多層印制板的品質(zhì)可靠性。由于產(chǎn)品類型、壓合疊層結(jié)構(gòu)、原材料、生產(chǎn)設(shè)備等差異，需要綜合分析與改善。

表6 阻焊品質(zhì)管控

[1]周鋒. 汽車用厚銅多層板的工程設(shè)計與制程控制[C]. 印制電路信息, 2012秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇.

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