大尺寸背板工程設(shè)計和壓合制作關(guān)鍵技術(shù)探討

張軍杰 韓啟龍 龔 偉 季 輝

（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

1 前言

隨著集成電路等元件的集成度提高及其I/O數(shù)的增加、電子組裝技術(shù)的進(jìn)步和信號傳輸?shù)母哳l化和高速數(shù)字化的發(fā)展，以及電子設(shè)備高速發(fā)展的升級與換代需求，有一類PCB漸漸走向承載功能子板、信號傳輸及電源傳輸?shù)裙δ苌希湫盘柼幚砉δ苤饾u弱化，該類PCB即為背板。背板一直是PCB制造業(yè)中具有專業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品，屬于PCB中的高端產(chǎn)品。背板作為關(guān)鍵元件之一，廣泛應(yīng)用于通訊、航天、超級計算機、醫(yī)療設(shè)備、軍用基站等重要場合。此類板具有板子尺寸大、層數(shù)高、厚度大、孔徑縱橫比高等特點，背板（Backplane或Back panel）是指具有線路和眾多排插孔，主要用于承載其它功能性子板和芯片，起到高速信號傳輸?shù)囊活愑≈凭€路板。此類板具有板子尺寸大、層數(shù)高、厚度大、孔徑縱橫比高等特點。

目前，行業(yè)內(nèi)能批量生產(chǎn)大背板的廠家屈指可數(shù)，大尺寸背板的生產(chǎn)與開發(fā)是PCB制作企業(yè)技術(shù)能力的重要體現(xiàn)，大尺寸背板生產(chǎn)對PCB制造企業(yè)來說即是挑戰(zhàn)也是機遇，在高難度制作的同時往往也會帶來高附加值的利潤。我公司作為一個快、樣板特色PCB制造商，對大背板的生產(chǎn)開發(fā)也高度重視，有幸接到了長沙國防科技大學(xué)天河云2號超級計算機上用的大尺寸背板（660 mm×810 mm），下面就以此款板為例介紹壓合工序的關(guān)鍵技術(shù)。

2 材料選擇與工程資料設(shè)計

2.1 材料的選擇

大尺寸背板需要有良好的電氣性能、耐熱性及抗老化性能，一般選擇耐熱性好、可靠性好等各方面性能穩(wěn)定的高Tg值板材（選用Tg值≥170 ℃的FR4板料及半固化片PP）。故在選擇材料時需要綜合考慮，表1為不同廠家材料性能從板材Tg值（玻璃轉(zhuǎn)化溫度）、Td值（熱分解溫度）、X-Y-Z軸膨脹系數(shù)、T260-T288耐熱性、Dk值（介電常數(shù)）、Df值（介質(zhì)損耗）剝離強度、吸水率幾個方面進(jìn)行綜合評估，板材評分高低依次為B材料＞C材料＞D材料＞A材料，按照此評估結(jié)果最終選擇了B材料進(jìn)行大背板的制作。

2.2 工程資料設(shè)計

2.2.1 背板信息

表1 不同廠家材料性能指標(biāo)對比

圖1 壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計圖例

2.2.2 工程設(shè)計

（1）大背板內(nèi)層板邊工具圖形除需要包括靶孔、鉚釘孔、切片孔、編號孔等一系列常用工具孔外，還需要增加同心圓、漲縮PAD、層偏測試模塊三個關(guān)鍵檢查層間對準(zhǔn)度的工具圖形。

同心圓：每個角2組，1組不加補償用于鉚合后層間對準(zhǔn)度檢查，1組用于壓合后層間對準(zhǔn)度的檢查，每層一個圓環(huán)，層與層之間圓環(huán)相距0.075 mm。見圖2（以8層板為例）。

圖2 同心圓設(shè)計圖例

漲縮PAD：每層設(shè)計1個實心PAD，層與層之間錯位式疊加，對所有層對應(yīng)的PAD位置全部做成無銅區(qū)，以便在后續(xù)X-RAY測量漲縮時透光，主要用于壓合后測量漲縮數(shù)據(jù)來監(jiān)控層間偏差與整體偏差，從而來調(diào)內(nèi)層菲林預(yù)給系數(shù)，設(shè)計時需要注意因大背板尺寸較大，一般X-RAY的最長測量距離小于700 mm，因此漲縮PAD需要設(shè)置在長邊（因板子尺寸長為810 mm，若設(shè)置在短邊將無法測量）且要保證測量距離小于700 mm。見圖3（以8層板為例）。

圖3 漲縮PAD設(shè)計圖例

層偏對位模塊：因大背板尺寸大，板子易變形，在生產(chǎn)制作過程中因控制不到位、各種設(shè)備都有對位公差存在，難免或多或少會出現(xiàn)偏差，故在板子四角分別設(shè)計一組層偏對位模塊，中間孔徑大小為1.06 mm，內(nèi)層Clearance單邊依次為0、0.076 mm、0.1 mm、0.125 mm、0.15 mm、0.175 mm、0.2 mm，通過層偏測試模式來目檢監(jiān)控壓合、鉆孔、圖形的對位情況。見圖4。

圖4 層偏對位設(shè)計圖例

（2）內(nèi)層圖形內(nèi)添加假銅：因大背板設(shè)計的特殊性，內(nèi)層芯板多數(shù)設(shè)計為一邊大銅皮一邊為線路層，導(dǎo)致同張芯板殘銅率相差很大，為了助于壓合時填膠均勻及平衡板厚，建議客戶在無銅區(qū)添加銅皮或假銅，同時要保留內(nèi)層獨立PAD（特殊情況除外）。見圖5。

圖5 內(nèi)層無銅區(qū)添加假銅前后對比設(shè)計圖例

（3）壓合填膠設(shè)計：

半固化片PP選擇：為了滿足大背板的可靠性及壓合時填膠均，優(yōu)先選用高膠薄玻纖布半固化片（一般選用RC＞60%，樹脂流動度＞40%），這樣可利于樹脂通過玻纖布滲透到無銅區(qū)；

滿足板厚介厚同時需要考慮到殘銅率、填膠量、奶油層厚度：

雙面填膠壓合后介電層厚度=全銅PP厚度-[基板銅厚1×（1-殘銅率1）+基板銅厚2×（1-殘銅率2）]

雙面填膠時樹脂層厚度（奶油層厚度一般大于5 μm）= ｛全銅PP厚度-[基板銅厚1×（1-殘銅率1）+基板銅厚2×（1-殘銅率2）]-玻布厚度｝/2 ；見圖6。

圖6 樹脂層厚度測量方法

3 壓合制作關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉚合制作要點

3.1.1 鉚釘與沖針的選擇

此板理論鉚合板厚在6.5 mm左右，我公司依次選擇8.5 mm、9.0 mm、9.5 mm、10.0 mm長的鉚釘均不合適，最終訂做長9.1mm的鉚釘和特制的加長15.5 mm沖針下模，正常沖針下模沖針長度為13 mm。

3.1.2 鉚合方法與步驟

鉚釘機臺面平鋪鋼板，鋼板貼上珍珠棉防止擦花，調(diào)機臺面與下模具開花刀面平齊；

鉚合時先鉚合長邊再鉚合短邊，采用兩面鉚合的方式制作，每次鉚合時不鉚合的鉚釘孔需用沖針套住才可鉚合，在鉚合過程中加釘時，因板比臺面大很多，必須把板超出臺面的部分抬起保證板面全部在一個水平面才可鉚合；如圖7。

圖7 鉚釘機臺面示意圖

如圖8所示，第一次鉚第一面2、4、9、11、7、13這6個孔（2與4、9與11同時打釘，7、13最后打）；第二次翻面打剩下的8個孔。

圖8 鉚釘示意圖

鉚合裝板時需要注意，先從層次高的芯板依次往層次低的芯板裝板，芯板的孔必須和PP的孔對齊；

X-RAY檢查頻率：以檢查板四角的無補償對位同心圓為主，同時參考靶孔無層偏為準(zhǔn)。如圖9。

圖9 鉚合對比示意圖

3.2 排板制作要點

3.2.1 排板物料的選擇

鏡面鋼板的選擇：特指壓合工序所使用的分隔鏡面鋼板，其主要作用是導(dǎo)熱，其次是為壓合作業(yè)提供一個平整的臺面，目前PCB行業(yè)壓合鏡面鋼板按熱膨脹系數(shù)分為低膨脹系數(shù)鋼板和高膨脹系數(shù)鋼板。低膨脹系數(shù)鋼板主要有二種材質(zhì)分別是SUS630（日本）和1.4021（德國），高膨脹系數(shù)鋼板主要有三種材質(zhì)分別是SUS301（日本）、NTK S-4（日本）和RHC40（德國）。

我公司制作大背板選用的為SUS301 AS45-H高膨脹系數(shù)鋼板主要有如下優(yōu)點: AS-45H是為了用于大背板、BGA、HDI的高多層精密電路板的生產(chǎn)所特別設(shè)計的壓合用鋼板，具有最好的平坦度、很高的硬度、很長的使用壽命、很高的熱膨脹系數(shù)[（16～17×10-6/℃與銅箔的熱膨脹系數(shù)相同]，所以在壓合過程中可避免銅箔折皺、板厚介厚不均，漲縮變化大等品質(zhì)問題的出現(xiàn)。

緩沖材的選擇：大多PCB生產(chǎn)廠家在排板時都會選擇牛皮紙做為緩沖材，因牛皮紙柔軟透氣，可達(dá)到緩沖受壓均勻施壓的效果，且可防止滑動，但如在高溫條件下使用，牛皮紙會逐漸失去透氣的特性，一般使用3次后必須更換。

我公司制作大背板選用的是美國Pacothane公司推出的Pacopads和Pacoplus。其中Pacopads是一種獨特的紙纖基產(chǎn)品，使用的是純凈的纖維，經(jīng)專設(shè)計用以滿足多層板制造中的性能要求，常用規(guī)格厚度0.89 mm、1.4 mm、2.2 mm幾種；Pacoplus是一種耐高溫型剝離膜，經(jīng)專門設(shè)計起到復(fù)型、緩沖作用。常用規(guī)格厚為0.5 mm左右。兩者配套使用，可以使升溫速率更均勻、板面的壓力負(fù)荷均衡分布、可以3-維成型（即可以消除X-Y-Z軸方向上的應(yīng)力）、膠體流動更均勻。

3.2.2 排板方法的優(yōu)化

采用高膨脹鋼板、Pacopads和Pacoplus作緩沖材料、2層/BOOK、紅外線對位的排板方法。如圖10。

圖10 排板示意圖

3.3 壓合程序的優(yōu)化

壓合程序需要從轉(zhuǎn)壓時間、轉(zhuǎn)高壓溫度、升溫速率等幾個方面來綜合調(diào)整，表2為三種壓合程序通過測實際料溫而得到的參數(shù)。（因各廠家壓機類型不一，僅供參考）。

通過試驗數(shù)據(jù)對比，壓合參數(shù)三為最優(yōu)參數(shù)，能使樹脂的粘度曲線比較平緩，溢膠量少，可以使PP膠有效的填充層間空隙，進(jìn)而控制板厚的均勻性。見表3。

4 相關(guān)測試

4.1 Tg值測試

差分掃描熱量測定玻璃態(tài)溫度和固化因素（DSC法），△Tg=0.04℃。

表2 不同壓合程序各項關(guān)鍵參數(shù)對比

表3 背板壓合程序和料溫曲線圖

圖11

4.2 可靠性測試

5 結(jié)語

以上為我公司在背板制作過程中關(guān)于工程資料設(shè)計和壓合制作技術(shù)方面的一些經(jīng)驗，希望給同行能提供幫助。

表4

[1]曾紅. 大背板壓合空洞滲銅研究[J]. 印制電路信息,2012, 04.

[2]呂永. 厚銅板壓合工藝研究[C]. 2012秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇論文集.

[3]林金堵等. 印制電路信息[J]. 2008,12.