復(fù)合補償在印制板尺寸變形修正中的應(yīng)用

趙宏靜 龍亞山 敖在建

（通元科技(惠州）有限公司，廣東 惠州 516005）

0 引言

尺寸穩(wěn)定是印制電路板（PCB）在制作環(huán)節(jié)中的一項重要功能指標(biāo)，直接影響貼片環(huán)節(jié)錫膏、元件能否對準(zhǔn)連接盤（焊盤）。以分布在成品四角區(qū)域的光學(xué)點間距來進(jìn)行判別，一般是對角兩個光學(xué)點間距較設(shè)計稿偏差不超過±75 μm，而部分LED拼接屏用PCB對成品尺寸要求更是提高到50 μm，甚至更小。此標(biāo)準(zhǔn)對于成品尺寸較小的PCB而言問題不大，但部分設(shè)計成品尺寸較大或為提高貼片效率而采用多連拼的PCB（尺寸超過250 mm），再碰上多次（3次甚至4次、5次）壓合的疊構(gòu)時，工程師時常會面對壓合后尺寸漲縮過大這個棘手的問題。

1 PCB形變產(chǎn)生

1.1 PCB的構(gòu)造

一般的多層PCB是由芯板、半固化片、銅箔三項主體材料，加上表層防焊、焊盤表面處理等組成。其中，芯板由高固化程度樹脂、玻璃纖維布、銅箔組成，半固化片由低固化程度樹脂及玻璃纖維布組成，如圖1所示。

圖1 多層PCB組成示意圖

樹脂成分很大程度上決定覆銅板以及印制電路板的性能，樹脂多由基礎(chǔ)樹脂與固化劑組成。常見的基礎(chǔ)樹脂有四溴雙酚A環(huán)氧樹脂、聚苯醚、聚酰亞胺、聚富馬來酰胺、聚改性烯烴等。通過自身不飽和化合鍵加聚或與固化劑如雙氰胺樹脂（立體網(wǎng)狀交聯(lián)）、酚醛樹脂（平面交聯(lián)）等不飽和化合鍵進(jìn)行聚合形成長鏈高分子化合物。

1.2 PCB形變原因

在熱應(yīng)力的作用下，組成物質(zhì)的原子的活動范圍及形態(tài)受能量影響，單一相態(tài)的物質(zhì)表現(xiàn)出一定程度的熱脹冷縮現(xiàn)象，此種漲縮形變往往是可逆的，如上述結(jié)構(gòu)中的銅、玻璃纖維在受熱過程中均呈現(xiàn)此種變化。

樹脂作為一種高分子化合物材料，是由聚合程度不一、分子大小不一的有機化合物組成的混合體，其在受熱作用下，相態(tài)變化呈現(xiàn)出與單一物質(zhì)截然不同的情況。

受熱情況下，玻璃態(tài)樹脂溫度逐漸上升，粘度逐漸下降，轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)，當(dāng)溫度持續(xù)上升，樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)固化，部分不飽和化學(xué)鍵再次聚合，粘度轉(zhuǎn)而上升，原子間鍵合更為緊密，分子鏈進(jìn)一步加長，大分子團呈現(xiàn)出收縮的趨勢。印制電路板加工的層壓過程中，半固化狀態(tài)的樹脂（半固化片）即發(fā)生此種不可逆的固化收縮變形，同時固化狀態(tài)相對較高的芯板也會在本體內(nèi)以及半固化片界面再次交聯(lián)固化發(fā)生變形，多呈現(xiàn)出原子間距縮小，芯板總體尺寸收縮的情形，也有薄芯板尺寸不縮反漲的情況（比較少見），即PCB加工過程中所謂的壓合漲縮。圖2所示為Tg150 ℃的FR-4半固化片材料的動態(tài)黏度曲線，值得注意的是，隨著材料的固化程度不同，其最低粘度對應(yīng)的溫度也不同。

圖2 Tg150 ℃的FR-4半固化片材料的動態(tài)黏度曲線

1.3 PCB平面二維線性形變

玻璃纖維布由單根玻璃纖維絲組成的玻纖束編織而來，總體來講是一種平面構(gòu)造，它構(gòu)成整個電路板的骨架。產(chǎn)生不可逆固化變形的樹脂是附著于這個平面，并將多個平面進(jìn)行粘合，而且樹脂本身被作為一種分散均勻的混合體，即在不同位置其形態(tài)、性能基本一致。因此，這種樹脂固化變形引起的PCB尺寸漲縮沿玻纖布平面均勻分布，由于玻纖布的經(jīng)、緯向玻纖絲的根數(shù)、應(yīng)力并不相同，基板的尺寸漲縮也體現(xiàn)出經(jīng)向與緯向不一致的變化率。行業(yè)常用經(jīng)向及緯向兩個維度尺寸線性變化率來表征和計算芯板的漲縮，如Y（緯）/X（經(jīng)）：+0.00025/+0.00050。

根據(jù)組成芯板的玻璃布配布結(jié)構(gòu)不同，不同厚度的芯板在層壓過程中變形率（漲縮系數(shù)）不盡相同。同時，經(jīng)紗細(xì)而密，緯紗粗而稀，經(jīng)向收縮一般大于緯向。表1是常見厚度的Tg150 ℃基板的經(jīng)、緯向經(jīng)驗漲縮系數(shù)（見表1）。

1.4 預(yù)補償

為了保證PCB最終成品的尺寸與設(shè)計尺寸一致，一般采取對層壓過程中的漲縮進(jìn)行逆向預(yù)補償，即在制作最初的線路或埋孔時，對資料進(jìn)行經(jīng)向和緯向整體伸縮，再通過層壓使得尺寸回歸到目標(biāo)值。這種預(yù)補償一般建立在經(jīng)驗系數(shù)或者首件測量的基礎(chǔ)之上。

有別于單一組分的材料，PCB的構(gòu)造是由多種材料組成的混合體，受芯板配布、層壓結(jié)構(gòu)、壓合程式、線路圖形、銅厚等多種因素影響，芯板的漲縮系數(shù)并不是恒定的值，而是一個統(tǒng)計值。很多時候?qū)訅哼^程統(tǒng)計得出的實際漲縮系數(shù)會與經(jīng)驗系數(shù)有較大的差別，導(dǎo)致層壓之后工件的尺寸與目標(biāo)值存在較大偏差。

表1 常見厚度的Tg150 ℃基板的經(jīng)、緯向經(jīng)驗漲縮系數(shù)

2 PCB形變尺寸修正

PCB經(jīng)層壓后尺寸變形過大，將導(dǎo)致鉆孔偏孔、短路、通孔與盲孔對位無法兼顧、成型切割露銅、成品尺寸超公差等一系列功能性問題，必須對其進(jìn)行修正處理。修正工具涉及到鉆帶、線路、阻焊、銑帶等一系列資料。這些資料的修正必須同步進(jìn)行，缺一不可，方能確保鉆孔對內(nèi)層線路、外層線路對孔、阻焊對外層線路、外形對線路等對準(zhǔn)度符合要求。各工具資料的對位關(guān)系見圖3示意圖。

圖3 各工具資料的對位關(guān)系示意圖

針對壓合后PCB尺寸漲縮，一般采用兩種方式對工具資料進(jìn)行修正。

2.1 整體線性系數(shù)補償

多應(yīng)用于內(nèi)層、次外層，少見于外層（主要是對尺寸要求不高的產(chǎn)品）；其優(yōu)勢在于可最大限度模擬芯板的線性變形，提高外層工具與內(nèi)層的對準(zhǔn)度，而存在的問題也很明顯，即產(chǎn)品尺寸存在一定程度的漲縮。

2.2 整體移動補償

借助人為調(diào)整成品位置，縮小因漲縮引起的相對位移，多用于外層。其優(yōu)勢在于可以盡量保證產(chǎn)品尺寸滿足客戶設(shè)計要求，而主要的問題是存在通孔對內(nèi)層偏位（嚴(yán)重者可導(dǎo)致短路）。

不同的生產(chǎn)廠家在面對PCB層壓后尺寸變形的問題，或采用第一種整體系數(shù)補償保證孔對內(nèi)層的對準(zhǔn)度，或采用第二種平移成品位置保證（外層）成品尺寸滿足要求，但都難以很好的兼顧到焊盤與孔的對位精準(zhǔn)度和整體尺寸變形兩個方面，尤其是碰到有激光盲孔、機械盲孔、通孔、多次壓合、超大漲縮等復(fù)雜情形時，問題變得尤為棘手。

3 復(fù)合補償修正

3.1 復(fù)合補償修正的思路

結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，現(xiàn)提出基于抓取幾何中心的復(fù)合補償修正方案，可以妥善解決復(fù)雜對位體系的大漲縮量變形，大大提升PCB形變修正的成功率。

復(fù)合補償修正方案的核心思路：線路板漲縮過大又同時存在盲孔和通孔的情況下，可以在抓取成品單元以及工作片幾何中心基礎(chǔ)上，精確平移使得成品單元外層工具與變形后的內(nèi)層圖形的幾何中心完全重合，再以單個成品單元幾何中心為原點，分別進(jìn)行線性修正，達(dá)到中心對正，四邊均分的效果。

3.2 復(fù)合補償修正的步驟

激光盲孔按線性補償正常加工，通孔及外層線路、阻焊、銑帶等按以下方法修正：

（1）首先確認(rèn)PCB外層整個工作片的漲縮比例系數(shù)。

（2）在1:1生產(chǎn)圖紙資料上找出工作片以及每個成品單元的幾何中心，測量并按工作片整體的漲縮系數(shù)核算每個成品單元的幾何中心到工作片中心的實際距離與理論值的偏差值。

（3）在1:1生產(chǎn)圖紙資料上，按上述計算得出的偏差值，分X、Y軸分別平行移動每一個成品單元，使每個成品單元的幾何中心與實際存在漲縮的板件的成品中心位置對齊，注意移動后中心點相對工作片的幾何中心的方向不變。

（4）各成品單元移動完成后，以各成品中心點為基準(zhǔn)點，長/寬方向以線性模式按可接受的變形量調(diào)整漲/縮，具體以客戶要求為準(zhǔn)。

（5）工作片板邊的工具孔按實際漲縮系數(shù)進(jìn)行線性漲縮，以工作片幾何中心點為原點。

（6）復(fù)合補償資料修改后，與整體線性漲縮修正資料進(jìn)行比對，一般通孔、盲孔偏移量均小于50 μm即可，生產(chǎn)試鉆確認(rèn)。

3.3 實例解析

如圖4所示，工作片拼版有A1-E5總共5行5列25個成品單元，層壓后工作片整體漲縮長/寬為-0.406 mm/-0.508 mm，漲縮比例長/寬0.99921/0.99900，成品單元尺寸為115.69 mm×96.93 mm。單個成品單元尺寸相對標(biāo)準(zhǔn)值縮短0.08 mm/0.10 mm，超出漲縮變形量0.05 mm的要求范圍。

對此作復(fù)合補償修正如下：

（1）查設(shè)計資料，行A/B/C/D/E到工作片中心點Y方向的距離分別為234.58 mm、117.29 mm、0、-117.29 mm、-234.58 mm。

圖4 工作片拼版示意圖

（2）查設(shè)計資料，列1/2/3/4/5到工作片中心點X方向距離分別為206.66 mm、108.13 mm、9.6 mm、-108.13 mm、-206.66 mm。

（3）計算出列1，X方向（206.66×0.99900-206.66）×39.37＝0.206 mm，需向右移；

列2，X方向（108.13×0.99900－108.13）×39.37＝0.107 mm，需向右移；

列3，X方向（9.6×0.99900－9.6）×39.37＝0.01 mm，需向右移；

列4，X方向（-108.13×0.99900－108.13）×39.37＝-0.107 mm，需向左移；

列5，X方向（-206.66×0.99900－206.66）×39.37＝-0.206 mm，需向左移；

（4）計算出行A，Y方向（234.58×0.99921－234.58）×39.37＝0.185 mm，需向下移；

行B，Y方向（117.29×0.99921－117.29）×39.37＝0.091 mm，需向下移；

行C，Y方向（0×0.99921－0）×39.37＝0，Y方向不動；

行D，Y方向（-117.29×0.99921－117.29）×39.37＝-0.091 mm，需向上移；

行E，Y方向（-234.58×0.99921－234.58）×39.37＝-0.185 mm，需向上移。

（5）移動完后，以各成品單元中心為原點，長/寬各整體縮0.05 mm，漲縮系數(shù)為：0.99957/0.99949。

（6）板邊工具孔按PNL 漲縮長/寬0.99921/0.99920比例進(jìn)行漲縮。

（7）修改后的資料對比正常線性漲縮修正的資料，孔位置偏差0.037 mm。

（8）同步修正鉆孔、線路、阻焊、成型資料，并試鉆確認(rèn)符合對準(zhǔn)度要求。圖5為試鉆后四角偏孔情況，符合品質(zhì)要求。

圖5 試鉆四角偏孔X-RAY檢查圖

3.4 復(fù)合補償處理能力

經(jīng)過多次生產(chǎn)實踐驗證，采用前述尺寸變形復(fù)合補償方法，可以分區(qū)塊對齊中心，并最大限度分區(qū)中心對稱（如圖6效果示意），可以處理單個成品單元漲縮在0.30 mm內(nèi)的通孔板，以及單個成品單元漲縮在0.228 mm內(nèi)的HDI板，保證最終成品尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸偏差不超過0.075 mm，且通孔對內(nèi)層孔盤、盲孔對外層孔盤偏位在常規(guī)的品質(zhì)允收范圍內(nèi)。

圖6 漲縮均分效果示意圖

4 結(jié)束語

PCB的漲縮控制是一個復(fù)雜的問題，受限于材料穩(wěn)定性、加工制程等多方面的影響，時常會發(fā)生超出預(yù)期的尺寸漲縮變形。通過分區(qū)精確抓取幾何中心點，核算各成品單元中心點偏移量并分區(qū)平移至理論偏移位置，再分區(qū)域作微量線性補償，可實現(xiàn)分區(qū)中心對稱，大幅改善超大變形帶來的成品單元尺寸超公差、鉆偏、通盲不兼等常見問題，提升HDI板制作過程中漲縮、偏位等問題的應(yīng)對處理能力。