一種無工藝線板邊插頭的階梯印制電路板制作研究

黃 力 曹小冰 楊潤伍 羅家偉

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 510310）

0 前言

為了滿足通訊產(chǎn)品高速、高信息量的需求，加大散熱面積和加強(qiáng)表面元器件的安全性，需設(shè)計(jì)凹陷階梯區(qū)域固定元器件，階梯狀印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生[1]。5G通信服務(wù)器產(chǎn)品需PCB設(shè)計(jì)存在布線密度大，導(dǎo)致高多層（20層以上）高密互聯(lián)設(shè)計(jì)；不但板內(nèi)分布著功能多樣低速差分與高速差分，同時(shí)還有幾十對PCIE（周邊元器件快速互連）。為了滿足PCIE的標(biāo)準(zhǔn)板厚1.6 mm，同時(shí)滿足單板高多層的設(shè)計(jì)需要，板邊階梯式板邊插頭設(shè)計(jì)就是一個理想的選擇。

階梯PCB加工，行業(yè)多有研究，且難點(diǎn)在于既要避免階梯槽底壓合過程半固化片流膠過大至階梯槽內(nèi)污染槽底線路，又要避免槽底四周（槽底拐角處）流膠不足帶來介質(zhì)層填充不完整，影響電氣性能[2]。為進(jìn)一步保證階梯板的品質(zhì)可靠性，階梯板同時(shí)還需控制階梯區(qū)域無裂紋、無分層爆板等，過程需重點(diǎn)監(jiān)控此類品質(zhì)核心。本文介紹一款整體22層無工藝線5G通信服務(wù)器階梯板邊插頭產(chǎn)品的關(guān)鍵制作技術(shù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)

本文介紹的無工藝線階梯板邊插頭板疊構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖及階梯位微切片圖如圖2所示，特點(diǎn)如下。

圖1 PCB疊構(gòu)示意圖

圖2 PCB實(shí)物圖

（1）PCB主體為22層，板厚為（2.6±0.25） mm，階梯板邊插頭位為L1/L14層，板厚為（1.6±0.14） mm；

（2）階梯槽區(qū)域位于板邊，側(cè)壁非金屬化；L14層階梯區(qū)域有覆蓋阻焊劑絕緣要求；

（3）階梯槽區(qū)域?qū)卓讟渲?，機(jī)械盲埋孔板，采用M＋N結(jié)構(gòu)壓合；

（4）表面處理：OSP（元件面/焊接面）＋電鍍厚金（L1/L14層無工藝線板邊插頭）；

（5）阻抗控制（內(nèi)層部分阻抗控制±8%）；

（6）其余特點(diǎn)包含：①R-5725S高速材料（M4S級）、②系統(tǒng)HDI（高密度互聯(lián)）、深微孔、③小孔背鉆、④錐形孔。

1.2 無工藝線階梯指狀插頭板流程設(shè)計(jì)

通過內(nèi)部研討對比階梯板特點(diǎn)并結(jié)合客戶實(shí)際要求，此無工藝線階梯指狀插頭板制作工藝流程設(shè)計(jì)如下。

子流程①：（L2-L13層）開料→……→（1/14 L）壓合→機(jī)械鉆孔→PTH+整板鍍銅→真空塞孔→樹脂研磨→內(nèi)層圖形（僅做L14層圖形）→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→印抗鍍劑→二次干膜→插頭鍍金（L14）→退膜→三次干膜→堿性蝕刻→退膜→絲印阻焊→貼膠帶（板邊插頭區(qū)域）→壓合（壓銅箔）→（UV）激光成型（切割銅箔）→棕化；

子流程②：（L16-21）開料→內(nèi)層圖形→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→（15/22L）壓合→內(nèi)層圖形（僅做L15層圖形）→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化；

成品板流程：壓合（子流程①芯板+子流程②芯板）→……→外層圖形→酸性蝕刻→外層AOI→阻抗測試→防焊+后固化→阻抗測試→印抗鍍劑→二次干膜→插頭鍍金（L1）→退膜→三次干膜→堿性蝕刻→退膜→絲印字符→二次鉆孔→控深銑→一次銑→激光（CO2）鉆孔（揭蓋切割）→成型→斜邊→電測試→后工序。

正常情況下制作有工藝線階梯板邊插頭，為了優(yōu)化流程、節(jié)約成本，板邊插頭電金均是在控深銑后，外層及階梯區(qū)域一起制作。此類流程設(shè)計(jì)缺點(diǎn)在于階梯槽區(qū)域內(nèi)的板邊插頭棕化層及流膠難以有效去除，導(dǎo)致階梯槽區(qū)域板邊插頭鍍金金面粗糙、電鍍不上金等品質(zhì)不良。

但作為5G通訊服務(wù)器產(chǎn)品，需重點(diǎn)考慮傳輸數(shù)據(jù)的高速化，板邊插頭前端做無工藝線處理同時(shí)需考慮品質(zhì)。由于有臺階的存在，無法像常規(guī)階梯板邊插頭板一樣在控深銑后一起進(jìn)行板邊插頭電金，而后再進(jìn)行蝕刻引線。只能在制作子板時(shí)進(jìn)行電金蝕刻完引線后再壓合，待外層完成電金后，最后進(jìn)行控深銑揭蓋完成無工藝線階梯板邊插頭的制作。此類流程設(shè)計(jì)缺點(diǎn)在于流程長，成本高；但能滿足階梯板邊插頭的品質(zhì)。

2 過程重點(diǎn)難點(diǎn)控制及制作

2.1 M+N結(jié)構(gòu)壓合層間對準(zhǔn)度控制

本文研究的無工藝線階梯板邊插頭板在制作過程中需進(jìn)行兩次壓合；第一壓合為1/14 L及15/22 L兩子板分別壓合，同時(shí)子流程1/14 L需機(jī)械鉆孔并樹脂塞孔。第二次將1/14 L子板與15/22 L子板通過常規(guī)PP進(jìn)行壓合得到完整PCB。這類兩次壓合，且兩個子流程芯板不對稱的壓合（M＋N結(jié)構(gòu)壓合），需要考慮不同芯板的過程漲縮，也要考慮壓合時(shí)整體的漲縮情況。對位的控制是該產(chǎn)品的重點(diǎn)難點(diǎn)之一；壓合對準(zhǔn)度與層偏工藝技術(shù)制作如下：

（1）常規(guī)控制要求：烤板釋放芯板熱應(yīng)力、子板流程時(shí)需同時(shí)制作L14與L15層及按漲縮范圍分堆。

（2）內(nèi)層設(shè)計(jì)兩套獨(dú)立同心圓，L14與L15層單獨(dú)設(shè)計(jì)一套同心圓（如圖3所示），便于二次壓合確認(rèn)層偏情況。

圖3 兩套同心圓設(shè)計(jì)示意圖

（3）芯板內(nèi)層與子板內(nèi)層均設(shè)計(jì)16個鉚釘孔模塊（需錯位），壓合采用8熔合+16鉚合（間隔正反鉚合）。熔合時(shí)每次僅生產(chǎn)1 pnl，同時(shí)每次首件需檢測兩套同心圓偏移情況（如圖4所示）。

圖4 同心圓偏移情況圖

（4）壓合采用小壓機(jī)單獨(dú)進(jìn)行壓合；疊板每個BOOK限6 pnl，高度不夠采用全新牛皮紙加墊。

L1/14層子板與L15/28層子板壓合后，測量壓合層間偏移量（PNL偏移量）：77.11～105.83 μm。具體數(shù)據(jù)如圖5所示，滿足層偏要求≤127 μm；制程能力分析（如圖6所示）Cpk＝1.36＞1.33，滿足批量生產(chǎn)制作要求。

圖5 壓合層間偏移量表 （單位：μm）

圖6 壓合層偏制程能力圖

2.2 階梯區(qū)域絕緣阻隔管控

隨著UV激光成型在行業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，采用UV激光切割銅箔既得到想要的輪廓尺寸又不傷及PCB防焊油墨及相關(guān)線路。各種材料對UV及CO2激光的吸收能力不同。UV光可被樹脂及各種金屬材料吸收[3]。UV激光加工可以依據(jù)被加工材料的厚度進(jìn)行加工速度與激光脈沖進(jìn)行調(diào)整；此類加工的優(yōu)點(diǎn)：（1）作用時(shí)間更短；（2）切口更細(xì)；（3）已無明顯熱影響；（4）尺寸精度更精準(zhǔn)。

制作階梯槽的常規(guī)方法主要是采用低流動半固化片（LF-PP）壓合+控深銑（激光）開蓋工藝或內(nèi)層開槽填充硅膠、聚四氟乙烯墊片、離型膜等緩沖材料壓合后開蓋的工藝生產(chǎn)[4]。本文采用銅箔阻隔PP流膠方式制作階梯指狀插頭板對傳統(tǒng)制作工藝進(jìn)行優(yōu)化。

階梯區(qū)域絕緣阻隔制作涉及工序及注意事項(xiàng)為：

（1）網(wǎng)印阻焊：只做L14層防焊，控制對位精度±0.038 mm（1.5 mil）；防焊后嚴(yán)禁烤板，直接插架出下工序；（2）壓合（壓銅箔）：L14層壓一張厚12 μm的銅箔，光面朝L14層，粗糙面朝上；采用中Tg板材參數(shù)壓合（可混壓）；壓合后嚴(yán)禁撕掉銅箔，僅撕掉邊緣，露出CCD對位孔即可；（3）（UV）激光成型（切割銅箔）：激光成型去除L14層壓上去的額外銅箔；撕完銅箔后全檢是否完全覆蓋阻焊位置，防止撕損阻焊區(qū)的銅箔；（4）棕化：棕化后全檢阻焊區(qū)銅箔是否有脫落異常、破裂；階梯區(qū)域額外壓上去的銅箔可以接受棕化不良的現(xiàn)象；使用插架烤板，烘板參數(shù)120 ℃×4 h（如圖7所示）。

圖7 效果圖

2.3 階梯區(qū)域揭蓋制作

無工藝線階梯板邊插頭板的制作由于階梯區(qū)域的特殊性，L14層與COMP層射擊單獨(dú)流程制作即可。最后一個重難點(diǎn)便是階梯區(qū)域揭蓋制作，涉及流程：控深銑+一次銑+激光（CO2）鉆孔。由于采用銅箔進(jìn)行階梯區(qū)域絕緣阻隔，正好利用激光鉆孔的方式進(jìn)行揭蓋制作。

L22層到L14指狀插頭層理論厚度為1.0 mm，為便于后續(xù)激光鉆孔加工，控深銑深度按0.9±0.1 mm控制，不可以銑到L14層及銅箔。采用數(shù)顯深度計(jì)測量控深銑深度，生產(chǎn)前需做首件量測，批量生產(chǎn)過程需抽測控深銑深度，如圖8所示。

圖8 控深銑深度測量圖

便于激光鉆孔后能快速實(shí)現(xiàn)階梯區(qū)域揭蓋，調(diào)控控制激光鉆孔加工參數(shù)。先控深銑再一次性成型，目的防止一次銑后需揭蓋的階梯位置松動導(dǎo)致影響控深銑的加深度工精度。

由于采用銅箔做階梯區(qū)域的絕緣阻隔，銅對CO2激光的吸收率很低，所以 CO2不能直接對HDI（高密度互連）板的銅箔進(jìn)行鉆孔加工[5]。故銅箔能對下面的防焊層有一定的保護(hù)作用，采用激光鉆孔的方式對控深銑余厚直線切割完成最終的揭蓋。需要注意管控的是首件確認(rèn)激光鉆孔能量，能輕松揭蓋的同時(shí)避免激光鉆過蝕傷及L14層防焊及線路。

2.4 階梯區(qū)域可靠性驗(yàn)證

此產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證重點(diǎn)為階梯區(qū)域，需保證無裂紋、無分層爆板。過程及成品可靠性驗(yàn)證合格，具體檢測標(biāo)準(zhǔn)及情況如圖9所示。

圖9 可靠性驗(yàn)證圖

4 結(jié)論

（1）銅箔阻隔PP流膠方式在不需要PP開槽及芯板開槽的情況下制作階梯板邊插頭板；從本款產(chǎn)品結(jié)果來看階梯區(qū)域無裂紋、無分層爆板現(xiàn)象，同時(shí)無流膠污染階梯區(qū)域及板邊插頭；能滿足相關(guān)品質(zhì)要求。

（2）基于此款產(chǎn)品基本信息特點(diǎn)結(jié)合產(chǎn)品工藝流程，子流程中：內(nèi)層圖形（L1/14）&內(nèi)層圖形（L15/22）、網(wǎng)印阻焊（L14）、（UV）激光成型、壓合（壓銅箔）等；成品板流程中：壓合（子流程①芯板＋子流程②芯板）、控深銑、激光（CO2）鉆孔等為關(guān)鍵工序，需要重點(diǎn)管控。

（3）由于流程復(fù)雜且長，許多工序需反復(fù)制作；特別是各工序相關(guān)要求及資料選用一定要留意，避免看錯要求或用錯資料導(dǎo)致返工、報(bào)廢。