階梯板邊插頭板可靠性研究

任堯儒 王小平 范金澤 焦其正

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

槽底無(wú)布線的階梯板已經(jīng)廣泛使用在4G通信產(chǎn)品上，主要實(shí)現(xiàn)大功率散熱（如焊接類金屬化階梯板）和高頻信號(hào)的發(fā)射（如天線發(fā)射非金屬化階梯板）[1]-[3]；同時(shí)隨著電子產(chǎn)品輕薄化，產(chǎn)品體積不斷縮小，PCB厚度也逐步降低，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品布線和電氣傳輸要求并匹配傳統(tǒng)的AGP/PCIe卡槽，一種新型的階梯板邊插頭板也逐漸應(yīng)用在通訊產(chǎn)品上。由于階梯板邊插頭板需實(shí)現(xiàn)插拔和電氣傳輸功能，生產(chǎn)中需要保證階梯槽成型、板邊插頭（金手指）和產(chǎn)品電氣功能，因此研究階梯板邊插頭板制作可靠性。

圖1 階梯槽產(chǎn)品

2 現(xiàn)狀分析

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

一款14層階梯插頭板L1-L10設(shè)計(jì)印制插頭，印制插頭邊緣到槽邊距離4.1 mm，拼板1set=4 unit（圖2）。

圖2 階梯板邊插頭板設(shè)計(jì)和外觀

2.2 流程設(shè)計(jì)

階梯印制插頭板制作流程[4][5]。

2.3 可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 評(píng)價(jià)方法和接收標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1、圖3

圖3 產(chǎn)品可靠性切片圖

2.3.2 失效點(diǎn)和改善點(diǎn)分析

（1）層偏短路表現(xiàn)

圖4 層偏短路水平切片和內(nèi)層芯板對(duì)位環(huán)

小結(jié)：（1）拼板位置見(jiàn)圖5，中間位置（E-H）層偏比例低，板邊（A-D、I-L）層偏比例高且四角比例更高；（2）L3、L7層和L8都存在層偏，L2/3芯板，L10/11開(kāi)槽芯板，L8/9子板的芯板。

表1

表2 單元板在拼板中的位置分布

圖5 拼板位置編號(hào)

（2）印制插頭表面殘膠（圖6）。

圖6 印制插頭表面殘膠

使用茶色耐高溫膠帶貼L10印制插頭表面，過(guò)壓輥壓緊膠帶，層壓200 ℃高溫300PSI高壓60 min，控深銑階梯槽、撕膠帶后表觀檢查印制插頭表觀。由于膠帶膠漬（膠粘劑）主要材料是天然（合成）橡膠，白色透明，檢板人員需要傾斜板面70°觀察印制插頭基材間的膠漬，檢查效率低且存在漏檢，為此需要從材料方面解決殘膠缺陷。

3 原因分析

3.1 缺陷原因分析

3.1.1 層偏影響因素

通過(guò)流程分析，確認(rèn)影響產(chǎn)品層偏短路的主要因素如圖7。

圖7 層偏短路魚(yú)骨圖

3.1.2 階梯槽流膠影響因素

通過(guò)流程分析，確認(rèn)影響階梯槽流膠的主要因素如圖8。

圖8 階梯槽流膠魚(yú)骨圖

3.1.3 印制插頭表面殘膠影響因素

通過(guò)流程分析，確認(rèn)影響印制插頭表面殘膠的主要因素：膠帶種類、層壓壓板參數(shù)。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 層偏

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)孔到圖形距離小。

該14層板孔到線距離設(shè)計(jì)0.18 mm，而14層兩次壓合板正常工藝能力為0.2 mm，超出常規(guī)產(chǎn)品制作能力，說(shuō)明設(shè)計(jì)是導(dǎo)致短路的一個(gè)原因，但是設(shè)計(jì)不能修改，需要從制作工藝上優(yōu)化。

（2）內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移。

圖形轉(zhuǎn)移偏移包括內(nèi)層曝光機(jī)對(duì)位偏移和照相底片系數(shù)不匹配兩個(gè)方面：

內(nèi)層使用16#半自動(dòng)曝光機(jī)，其對(duì)位偏差允許值50 μm，超出50 μm則曝光機(jī)不曝光，可以確定曝光對(duì)位不是層間偏移的主要影響因素。

分析0.127 mm對(duì)位環(huán)相切板發(fā)現(xiàn)孔環(huán)崩孔，而該孔環(huán)設(shè)計(jì)單邊0.075 mm，崩孔說(shuō)明內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移偏移至少超過(guò)0.075 mm，通過(guò)對(duì)0.127 mm環(huán)和5 mil環(huán)的整體偏移方向分析來(lái)看，偏移的方向基本是朝同一個(gè)方向，進(jìn)一步說(shuō)明在照相底片拉伸存在偏差，照相底片拉伸系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)層照片拉伸系數(shù)表

內(nèi)層拉伸是影響短路的關(guān)鍵因素，為此通過(guò)以上分析質(zhì)量輸出：①在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上再次優(yōu)化菲林系數(shù)，制作TCFA調(diào)整優(yōu)化系數(shù)，②內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移照片控制在±0.03 mm以內(nèi)，③指定半自動(dòng)CCD對(duì)位曝光機(jī)生產(chǎn)，生產(chǎn)參數(shù)按對(duì)位偏差允許值50 μm設(shè)置，重合度按0.05 mm控制。

（3）層壓排板。

樣板階段使用pin-lam方式排板，pin-lam方式在相等條件下層間對(duì)位能力較mass-lam高0.0127 mm。層壓后x-ray檢測(cè)0.075 mm和0.127 mm對(duì)位環(huán)存在相切，如圖9，并非層壓排板造成。

圖9 層間對(duì)位環(huán)

（4）填充墊片引起翹曲產(chǎn)生鉆孔偏位。

鉆孔偏移包括定位孔偏移和鉆機(jī)本身位置精度偏移，同時(shí)受到板面平整度的影響。鉆孔孔位精度±0.075 mm，Cpk=1.510，說(shuō)明鉆機(jī)能力足夠，鉆孔偏位非鉆機(jī)自身因素所造成。

3.2.2 階梯槽流膠

（1）芯板、P片開(kāi)槽尺寸： L10/L11芯板和L9/L10半固化片開(kāi)槽用于成型NPTH階梯槽。

芯板開(kāi)槽：開(kāi)槽大，墊片放入后滑動(dòng)，造成流膠長(zhǎng)度超標(biāo)；開(kāi)槽小，墊片不能放入到槽內(nèi)；目前芯板開(kāi)槽尺寸補(bǔ)償比階梯槽單邊要大，生產(chǎn)控制公差±0.1 mm。根據(jù)階梯板制作工藝規(guī)范，芯板開(kāi)槽尺寸滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。因此芯板開(kāi)槽不是影響階梯槽流膠的關(guān)鍵因素。

P片開(kāi)槽：開(kāi)槽小，P片纖維絲外露，槽底絲狀殘膠和玻纖；開(kāi)槽大，槽邊位置板內(nèi)產(chǎn)生空洞，造成滲銅風(fēng)險(xiǎn)，目前P片補(bǔ)償比階梯槽尺寸單邊大，生產(chǎn)控制公差±0.1 mm。根據(jù)階梯板制作工藝規(guī)范，P片開(kāi)槽尺寸滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。因此P片開(kāi)槽不是影響階梯槽流膠的關(guān)鍵因素。

（2）填充墊片尺寸：尺寸大片擠入到槽底，形成縮膠；尺寸小不能有效阻膠。墊片尺寸補(bǔ)償在階梯板制作工藝中已經(jīng)完善規(guī)范，墊片尺寸非影響流膠的關(guān)鍵因素。

（3）填充墊片厚度：墊片埋入板內(nèi)，偏薄則不能有效定位阻膠，同時(shí)排板后墊片偏移到槽底風(fēng)險(xiǎn)大，墊片偏厚則層壓后鉆孔烘板造成膨脹拉裂階梯槽。目前采用L9/L10 P片和L10/L11芯板位置填充墊片，厚度0.33 mm，生產(chǎn)中存在一側(cè)縮膠和相對(duì)應(yīng)一側(cè)流膠現(xiàn)象，說(shuō)明填充階段存在墊片偏移現(xiàn)象，從工藝角度考慮，由于墊片薄排板偏移到槽底，增加墊片厚度可以解決階梯槽流膠和縮膠缺陷，因此墊片厚度是影響階梯槽流膠的關(guān)鍵因素。建議調(diào)整填充墊片的厚度，同時(shí)相應(yīng)調(diào)整排板結(jié)構(gòu)。

（4）銑機(jī)銑階梯槽位置精度。

控深銑槽成型NPTH階梯槽。使用控深銑機(jī)，位置精度控制在±0.10 mm，階梯槽銑槽位置精度也影響流膠長(zhǎng)度，而流膠長(zhǎng)度要求≤0.5 mm，所以銑機(jī)精度滿足生產(chǎn)要求。銑機(jī)精度不是關(guān)鍵因素。

3.2.3 印制插頭表面殘膠

（1）壓板參數(shù)。

使用板料對(duì)應(yīng)壓板參數(shù)，溫度200 ℃，時(shí)間60 min，為了保證PCB的壓合質(zhì)量，制定層壓參數(shù)不做調(diào)整。為此壓板參數(shù)不是影響印制插頭表面殘膠的關(guān)鍵因素。

（2）膠帶類型。

目前使用T公司4428銅色高溫膠帶，經(jīng)過(guò)高溫長(zhǎng)時(shí)間壓板驗(yàn)證，膠帶附著板面殘留乳白色膠漬。膠帶的膠粘劑是導(dǎo)致印制插頭表面殘膠的關(guān)鍵因素。建議試用S公司一款茶色高溫膠帶。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表4）

表4

層間結(jié)構(gòu)：為了改善階梯槽流膠避免縮膠，調(diào)整填充墊片厚度從0.33 mm±0.025 mm到0.44 mm±0.025 mm，即將L10/L11、L12/L13壓合成子板，同時(shí)為了避免翹曲采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)壓板，將L2/L3和L4/L5也壓合成子板。改善前后疊層示意圖如圖10。

4.2 試驗(yàn)方案

高溫膠帶種類選擇直接試板驗(yàn)證，不用DOE試驗(yàn)，試驗(yàn)方案使用水平2；

內(nèi)層拉伸系數(shù)生產(chǎn)首板確認(rèn)，不用DOE試驗(yàn)，試驗(yàn)方案使用水平2；

圖10 層間結(jié)構(gòu)示意圖

疊層結(jié)構(gòu)由于是改善階梯槽流膠，所以試驗(yàn)方案直接使用水平2。

4.3 評(píng)價(jià)方法

電子測(cè)試評(píng)估層偏層偏短路比例：要求≤1.0%（特殊單板制定指標(biāo)）；階梯槽流膠比例：≤0.1%；階梯槽內(nèi)印制插頭表面殘膠比例：0% 。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果（表5）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)，通過(guò)更換高溫膠帶解決了階梯槽內(nèi)印制插頭表面殘膠漬缺陷；通過(guò)增加填充墊片厚度和改善層壓結(jié)構(gòu)，解決了階梯槽底流膠和縮膠缺陷；同時(shí)層間偏移短路報(bào)廢比例也降低了近90%達(dá)到了2.13%，層偏短路改善明顯。

改善后層偏短路的主要原因是三個(gè)子板拉伸系數(shù)匹配可能導(dǎo)致靠近板邊的部分單元相切短路，層偏需要持續(xù)改善。

表5

5 大批量生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化工藝，批量驗(yàn)證電氣連接和表觀可靠性，結(jié)果如表6。

表6

6 總結(jié)

（1）通過(guò)增加墊片厚度可以解決階梯槽流膠和縮膠缺陷，提高階梯槽流膠表觀可靠性。

（2）采用新型的S公司茶色高溫膠帶可以實(shí)現(xiàn)階梯槽內(nèi)印制插頭表面保護(hù)，確保在高溫高壓環(huán)境下印制插頭表觀無(wú)樹(shù)脂點(diǎn)和膠帶膠漬污染。

（3）通過(guò)3個(gè)子板+母板層壓方式，同時(shí)優(yōu)化內(nèi)層拉伸系數(shù)，可以有效控制和降低層間偏移量，實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品一次合格率的提升。

（4）建議：①目前該類階梯槽印制插頭板采用4次層壓（3個(gè)子板層壓和母板層壓），影響生產(chǎn)效率，建議優(yōu)化流程，是否可以一次層壓；②目前印制插頭表面采用耐高溫膠帶保護(hù)，工作量大，建議進(jìn)一步優(yōu)化印制插頭表面保護(hù)方案，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]Zulliquar A. Khau etc. Hybrid S-Parameters for Modeling Cavity-Cable-PCB Interactions, Ohio State University,2010,5.

[2]IEEE. A Novel Low-loss Integrated 60GHz Cavity Filter,2008.05.

[3]華為. 熱設(shè)計(jì)培訓(xùn)教材[M]. 2010,12.

[4]方正集團(tuán).一種特殊階梯PCB板制作工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)[J]. 2011.12.

[5]焦其正,曾紅. 高速板材階梯槽圖形板制作研究[J]. 印制電路信息, 2012.6.