不對稱高頻混壓結(jié)構(gòu)印制電路板壓合翹曲問題研究

楊先衛(wèi) 孫志鵬 黃金枝

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

5G通信的興起，這一個非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)導(dǎo)致5G用印制電路板（PCB）向大尺寸、高多層、高頻高速低損耗、高密度、剛撓結(jié)合、高低頻混壓方向發(fā)展，無線通信、光纖通信、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)路產(chǎn)品不斷推出，信息處理高頻、高速化的趨勢愈加明顯。在同一塊PCB中既要滿足高頻通訊應(yīng)用，又要滿足低頻的使用要求，這給PCB的板材和制造工藝提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的PCB板材（如FR-4）具有易加工、成本低等一系列優(yōu)點，但因其本身材料固有的特性無法滿足高頻、高速的需求，在更高的頻段上則需要使用特殊的板材。如羅杰斯（Rogers）等的板材，這類板材高頻性能好，介電常數(shù)穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好，但其板材成本較高，業(yè)界采用將兩種不同的板材進行層疊、混壓而形成多層板結(jié)構(gòu)，以達到在高、低頻的應(yīng)用要求。但兩種材料膨脹系數(shù)差異較大，容易產(chǎn)生翹曲，如何確保成品的平整度是混壓多層板的一個難題。本文對不對稱高頻板混壓技術(shù)進行了實驗研究，獲得了一套適用于不對稱高頻板的混壓技術(shù)。

1 問題描述

在制作一款5G升降頻控制器的高頻板，壓合之后發(fā)現(xiàn)板面翹曲非常嚴(yán)重，如圖1所示，翹曲平均值達55.6 mm，嚴(yán)重影響了鉆孔、電鍍、外層圖形、防焊等工序的正常生產(chǎn)，同時對客戶裝配也帶來一系列問題。

圖1 壓合之后翹曲的高頻板

2 產(chǎn)品基本信息

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 產(chǎn)品工藝流程

開料→內(nèi)層線路→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→壓合→減銅→激光鉆孔→機械鉆孔→沉銅→填孔電鍍→樹脂塞孔→樹脂研磨→外層線路→外層AOI→防焊→文字→成型→電測→FQC→FQA→包裝出貨。

3 原因分析

PCB出現(xiàn)翹曲從本質(zhì)上講，是由PCB所涉及的各種材料性能的不同，在生產(chǎn)過程中形成或殘留的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力等造成的，影響PCB翹曲的因素很多，而且極其復(fù)雜的，要完全消除PCB翹曲是很困難，各種設(shè)計的優(yōu)化及制程的改善旨在不斷降低翹曲度，并減少其帶來的負面影響，對于高頻混壓設(shè)計而言，其影響因素則成倍增加。

3.1 不同樹脂材料X/Y熱應(yīng)力分析

為了確認不同體系樹脂材料在同一流程下壓合后的收縮量，按照設(shè)定的疊構(gòu)壓合，測量Rogers芯板和FR-4芯板四個方向的收縮量，進行對比，其中R-X1、R-X2、R-Y1、R-Y2，表示Rogers材料在X、Y、4個邊的收縮量（mil）,F-X1、F-X2、F-Y1，F(xiàn)-Y2，表示FR4材料在X、Y4個邊的收縮量（mil）。

（1）試板疊構(gòu)（見圖3）。

圖3 試板疊構(gòu)

（2）試板流程。

開料→內(nèi)層線路→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→壓合→漲縮測量

（3）實驗數(shù)據(jù)（見表1）。

（4）實驗結(jié)論。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知，Rogers材料在X/Y兩個方向收縮量均要比FR-4大0.075 mm～0.10 mm（3～4 mil），不同材料在同一PCB上X/Y兩個方向上應(yīng)力差異，導(dǎo)致PCB板翹曲。

3.2 力學(xué)模型分析

力學(xué)模型見圖4。從圖4（A）可知：Rogers材料在壓合過程中，X、Y兩個方向產(chǎn)生的應(yīng)力Fx、Fy，F(xiàn)R-4材料在壓合過程中X、Y產(chǎn)生的應(yīng)力為fx、fy，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)收縮量可知，F(xiàn)x＞fx，F(xiàn)y＞fy。

表1 Rogers和FR4壓合后收縮量（單位：mm）

從圖4（B）可知，整體PCB上下在X、Y方向受力不同，根據(jù)力的合成原理：

X方向：△F=Fx-fx；Y方向：△F=Fy-fy。合成力方向是PCB的中心點，所以PCB的翹曲收縮面在Rogers基材面。

圖4 基板壓合收縮的力學(xué)模型

3.3 結(jié)論

（1）翹曲主要是同一PCB上兩種不同的材料壓合收縮量差異導(dǎo)致。

（2）PCB疊板結(jié)構(gòu)不對稱，壓合過程中X、Y產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力導(dǎo)致PCB翹曲。

（3）Rogers和FR-4兩種材料混壓后的翹曲有板材在X、Y方向上的CTE差別及PCB混合體彈性模量決定，其中X、Y方向上的CTE差別是根本原因。

（4）如何消除不同材料在X、Y方向的CTE差異，到達PCB混合體內(nèi)部應(yīng)力一致性，是改善板翹曲的方向所在。

4 翹曲改善及效果確認

根據(jù)上面的實驗數(shù)據(jù)，影響壓合后板翹曲的因素，根據(jù)PCB流程分析可以歸納如下幾點：

（1）Rogers和FR-4在X、Y方向上的CTE，降低壓合后X、Y方向的CTE差異；

（2）樹脂流動的不均勻性對板材的拉扯、固化收縮等同樣嚴(yán)重影響板的翹曲，如何在壓合排板過程中優(yōu)化是考慮的一個重要問題。

（3）壓合過程中材料的彈性模量隨溫度的變化而變化，樹脂的固化過程如熔化、流動、固化等也會影響彈性模量，所以壓合參數(shù)也會影響板翹曲。

4.1 優(yōu)化排板方法

在壓合過程中，根據(jù)緩沖材料的流動特性，使Rogers和FR-4材料在X、Y方向CTE保持一致性，如圖5a在FR-4面次放置緩沖，或圖5b在Rogers面次放置緩沖材料。經(jīng)壓合后出現(xiàn)不同的翹曲度，測得數(shù)據(jù)見表2。

圖5 壓合時放置緩沖材料方式

表2 不同排板方法壓合翹曲測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

結(jié)論：在FR4面次放置緩沖材料，可以明顯降低翹曲，相反在Rogers面次放置緩沖材料，翹曲則更加嚴(yán)重。

4.2 優(yōu)化壓合參數(shù)

（1）根據(jù)各種因素，再驗證不同壓合參數(shù)對壓合翹曲的影響，尋找最佳工藝參數(shù)，采用2K全因子分析法（見表3）。

（2）實驗實施，記錄實驗結(jié)果并檢查實驗數(shù)據(jù)（見表4）。

（3）縮減不重要的主效應(yīng)或交互作用。根據(jù)圖6分析的效應(yīng)的pareto圖和效應(yīng)的正態(tài)圖，C的影響被認為是可能顯著的因子。逐步移除不重要的因子或交貨作用以簡化數(shù)學(xué)模型，先去除最不重要的或最高階的交互作用。

（4）分析主效應(yīng)圖、交互作用。根據(jù)主效應(yīng)圖分析得知（見圖7），降溫速率影響最大,當(dāng)降溫速率設(shè)置2.5℃/min時，翹曲度可以達到1.5 mm，三因子交互作用不明顯，可以不予考慮。

（5）分析響應(yīng)優(yōu)化器，尋找最優(yōu)工藝參數(shù)。復(fù)合任意性0.99接近1，表明在溫度200℃，壓力2.4 Mpa（350 Psi），降溫速率2.5℃/min工藝參數(shù)下，翹曲度接近1.52 mm，基本上可以滿足品質(zhì)要求（見圖8）。

表3 2 K全因子分析

表4 DOE運行數(shù)據(jù)表

圖6 效應(yīng)分析的柏拉圖（A）和正態(tài)圖（B）

圖7 影響翹曲主效應(yīng)和交互作用圖

圖8 響應(yīng)優(yōu)化圖

4.3 批量確認效果

（1）工藝方案。①更新排板方法，在FR-4面次放置緩沖材料；②更新壓合參數(shù)，溫度200℃，壓力2.41 Mpa，降溫速率2.5℃/min；③在a、b的壓合條件下通過FA確認，修改內(nèi)層芯板FR-4和Rogers拉伸系數(shù)，保證壓合后長度一致，解決因為X/Y漲縮問題帶來的翹曲。

（2）壓合之后確認翹曲數(shù)據(jù)，抽取100 pnl測量結(jié)果（見圖9）。根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)分析，平均值為1.672 mm，翹曲度對后續(xù)制程影響較小，可以滿足品質(zhì)要求。

（3）對比改善前后數(shù)據(jù)。通過優(yōu)化排板方法、壓合參數(shù)、拉伸系數(shù)，根據(jù)前期翹曲數(shù)據(jù)和改善后的數(shù)據(jù)進行追蹤對比，效果比較明顯（見圖10）。

5 結(jié)論

圖9 翹曲數(shù)據(jù)控制圖

圖10 翹曲改善前后數(shù)據(jù)

（1）高頻混壓結(jié)構(gòu)，同一PCB上不同的材料壓合收縮量差異，導(dǎo)致不同芯板漲縮造成x/y方向應(yīng)力差異，導(dǎo)致PCB翹曲，前提條件保證各層芯板漲縮一致性，通常PCB工廠均是通過FA（首件）來調(diào)整解決；（2）樹脂流動的不均勻性對板材的拉扯、固化收縮等同樣嚴(yán)重影響板的翹曲，可以在壓合排板時放置一些緩沖材料來平衡，改善翹曲程度比較顯著；（3）壓合過程中材料的彈性模量隨溫度的變化而變化，樹脂的固化過程如熔化、流動、固化等也會影響彈性模量，壓合參數(shù)至關(guān)重要，可以通過DOE來尋找最優(yōu)工藝參數(shù)，上面DOE結(jié)果表明溫度、壓力、降溫速率是關(guān)鍵因子，在下限控制時改善效果顯著。