非對(duì)稱(chēng)臺(tái)階式板邊插頭印制板制作技術(shù)

李清春 王 佐 蔣 勤 黃劍超

（勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，印制電路板（printed circuit board，PCB）向高密度發(fā)展，層數(shù)越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。其中PCB 的板邊插頭（又稱(chēng)指狀插頭，俗稱(chēng)金手指），厚度要求一般為1.6～1.8 mm，超過(guò)1.8 mm 則無(wú)法滿(mǎn)足組裝要求。部分高多層板厚度已超過(guò)1.8 mm，又需要滿(mǎn)足插拔需求，往往將金手指位設(shè)計(jì)在內(nèi)層并往外延伸，以控制其卡位厚度，使其滿(mǎn)足裝配要求。金手指部位的厚度低于PCB 整體厚度，形成階梯狀（臺(tái)階狀），此類(lèi)PCB被稱(chēng)為臺(tái)階金手指板。臺(tái)階金手指板因金手指分布層別不同，又可分為對(duì)稱(chēng)臺(tái)階板和非對(duì)稱(chēng)臺(tái)階板。

本文以一款18層6階盲孔的非對(duì)稱(chēng)臺(tái)階金手指PCB為例，主要從圖形制作、壓合、電鍍和鉆孔的技術(shù)難點(diǎn)展開(kāi)分析，提出了一套可行的技術(shù)方案。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)常規(guī)金手指板相比，臺(tái)階金手指板的工藝流程更為復(fù)雜，非對(duì)稱(chēng)金手指板因金手指未分布在對(duì)稱(chēng)層別上，需要分2 次制作，難度進(jìn)一步加大。具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

表1 產(chǎn)品規(guī)格要求

1.2 流程設(shè)計(jì)

由圖1可知，此項(xiàng)目為18 層高密度互聯(lián)（high density interconnection，HDI）PCB、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為6 階疊孔，需要經(jīng)過(guò)6 次壓合。金手指層分布在L5 和L18，位置非對(duì)稱(chēng)，因此需要分開(kāi)制作L5 和L18 的金手指。先完成L5 的金手指及防焊制作，壓合金手指區(qū)域進(jìn)行離型膜保護(hù)；

完成后面的增層壓合等工序，再制作L18 的金手指，最后對(duì)L5 金手指區(qū)域進(jìn)行揭蓋處理。

18 層6 階HDI 板制作具體流程如下。

（1）第1 次壓合（內(nèi)層L6-L13 層埋孔層及L6/L13 層盲孔制作）：開(kāi)料→內(nèi)層圖形①→壓合①→棕化①（laser direct drill，LDD）→激光鉆孔①→鉆孔①→除膠沉銅①→填孔電鍍①→樹(shù)脂塞孔①→減銅→蓋帽電鍍→內(nèi)層圖形②→后工序。

（2）第2 次壓合（L5-L14 層：L5 層金手指和盲孔L5/L14 層制作）：壓合②→棕化②→激光鉆孔②→除膠沉銅②→填孔電鍍②→內(nèi)層圖形③→防焊（L5 金手指區(qū)域防焊制作）→電金（L5金手指制作）→外層蝕刻（蝕刻L5 金手指蝕刻）→貼離型保護(hù)膜（保護(hù)L5 金手指）→后工序。

（3）第3、第4 和第5 次壓合（制作L4-L15、L3-L16 和L2-L17 層，這3 層均為填孔疊孔層，流程相同）：壓合→棕化→激光鉆孔→除膠沉銅→填孔電鍍→內(nèi)層圖形→后工序。

（4）第6 次壓合（制作L1-L18 層）：壓合⑥→棕化⑥→激光鉆孔⑥→外層鉆孔②→除膠沉銅⑥→填孔電鍍⑥→外層圖形→外層AOI→防焊②→電金（制作L18 金手指）→外層蝕刻（蝕刻金手指引線(xiàn)）→成型揭蓋（控深銑-激光切割-揭蓋）→成型→……（正常制作）。

2 加工難點(diǎn)分析及改善措施

2.1 壓合制作

2.1.1 制作難點(diǎn)分析

該板需要先制作L5 層金手指，壓合過(guò)程中需要采用特殊材料保護(hù)，防止壓合半固化片（prepreg，PP）粘合內(nèi)嵌金手指，導(dǎo)致后工序無(wú)法剝離開(kāi)，造成報(bào)廢。用于保護(hù)金手指位置的離型保護(hù)膜需滿(mǎn)足耐高溫220 ℃、能耐多次壓合、不老化碎裂、易剝離、無(wú)殘膠。

2.1.2 改善措施

根據(jù)目前制作的軟板及其他類(lèi)型產(chǎn)品可知，滿(mǎn)足此類(lèi)型的材料有3 種，分別為耐高溫膠帶、高黏聚亞酰胺樹(shù)脂（polyimide，PI）和低黏PI。3 種材料的掉膠情況驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，高溫膠帶多次壓合并切片后的殘膠厚度為10～20 μm，揭蓋后金手指位置上存在嚴(yán)重殘膠，無(wú)法去除；高黏PI 的殘膠厚度為20～50 μm，相較于高溫膠帶更加嚴(yán)重，不能滿(mǎn)足要求；低黏PI 效果最佳，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

圖2 3種材料的掉膠情況

2.2 耐高溫保護(hù)油墨層制作

2.2.1 難點(diǎn)分析

對(duì)于該板臺(tái)階的金手指位置，需先制作局部阻焊油墨層，防止后工序制作過(guò)程中出現(xiàn)階梯位置油墨堆積的問(wèn)題。制作阻焊油墨層時(shí)，需要考慮多次壓合過(guò)程中，金手指位置所采用的油墨能否耐多次高溫，保證阻焊層不發(fā)生脫落及變色。

2.2.2 改善措施

為確保能滿(mǎn)足產(chǎn)品需求，需要根據(jù)產(chǎn)品特性評(píng)估阻焊油墨耐高溫次數(shù)及能力。通過(guò)測(cè)試目前市面上的綠色油、黑色油等，發(fā)現(xiàn)綠色阻焊多次壓合后會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑情況，無(wú)法滿(mǎn)足外觀需求，黑色阻焊測(cè)試后無(wú)變化，可滿(mǎn)足產(chǎn)品多次壓合需求，效果見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品規(guī)格要求

2.3 激光鉆孔制作

2.3.1 制作難點(diǎn)分析

該板L2 和L17 介質(zhì)厚度僅為76 μm，且含有1 個(gè)26.850 mm×0.125 mm 的線(xiàn)槽。如采用現(xiàn)有成型控深銑槽方法制作，深度超出公差，因此只能采用激光鉆孔方式生產(chǎn)。目前激光鉆孔所做盲孔孔徑均小于此槽長(zhǎng)度，需要測(cè)試不同參數(shù)是否滿(mǎn)足此產(chǎn)品的長(zhǎng)槽生產(chǎn)需求。電鍍槽需要填平，按現(xiàn)有盲孔填孔參數(shù)，無(wú)法滿(mǎn)足要求。

2.3.2 改善措施

改善前，26.850 mm×0.125 mm 的線(xiàn)槽底部殘膠和填孔凹陷過(guò)大，通過(guò)調(diào)整激光鉆孔參數(shù)，優(yōu)化激光參數(shù)和光圈（Mask）直徑大小，測(cè)試激光效果，滿(mǎn)足產(chǎn)品需求。如采用直接盲孔方式填平此長(zhǎng)槽，槽位置凹陷過(guò)大，且面銅偏厚無(wú)法滿(mǎn)足線(xiàn)路生產(chǎn)需求。因此對(duì)此長(zhǎng)槽位置選用填銅的方式，采用外層圖形鍍槽孔方式制作，再用樹(shù)脂塞孔打磨，設(shè)計(jì)流程如下：前工序→除膠沉銅→填孔電鍍（鍍起鍍銅及其它位置盲孔）→外層鍍孔圖形（其它位置采用干膜蓋住，將需要鍍銅的槽孔露出）→填孔電鍍（只鍍槽孔位置）→退膜→樹(shù)脂塞孔（只過(guò)磨板，將凸出來(lái)的銅打磨干凈）→后工序。采用優(yōu)化激光參數(shù)和優(yōu)化電鍍線(xiàn)槽的做法，使其更好地滿(mǎn)足產(chǎn)生產(chǎn)需求，改善前后結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 激光鉆孔及整板填孔改善前后線(xiàn)槽填銅效果

2.4 成型制作

2.4.1 制作難點(diǎn)分析

對(duì)于臺(tái)階金手指，需要先將制作內(nèi)層L5 金手指，再經(jīng)過(guò)壓合等制作后工序。階梯位置壓合有壓合半固化片（preprey，PP）不開(kāi)窗和開(kāi)窗2 種方式。結(jié)果顯示，不開(kāi)窗做法會(huì)導(dǎo)致階梯金手指位置周邊因貼離型膜位置出現(xiàn)高低差，使揭蓋區(qū)周邊出現(xiàn)銅皺、缺膠、介厚不均等問(wèn)題，影響生產(chǎn)板品質(zhì)。采用PP 開(kāi)通窗做法，因壓合后銅箔與離型膜無(wú)法結(jié)合而形成空洞，后面濕制程銅箔破損會(huì)導(dǎo)致金手指區(qū)域藏藥水，影響良率。

2.4.2 改善措施

針對(duì)該問(wèn)題，將揭蓋位置PP 設(shè)計(jì)為開(kāi)線(xiàn)槽，與金手指位置的線(xiàn)槽間距寬為0.1 mm。通過(guò)優(yōu)化揭蓋區(qū)PP 開(kāi)線(xiàn)槽，使用鋁片緩沖材輔助壓合，開(kāi)槽區(qū)域距離階梯槽位置為1 mm，可改善揭蓋區(qū)銅皺和缺膠問(wèn)題，同時(shí)改善臨近空腔區(qū)域的介質(zhì)厚度，滿(mǎn)足75 μm 的客戶(hù)需求，便于周邊盲孔制作，提升生產(chǎn)品質(zhì)。改善前后效果見(jiàn)表4。

表4 階梯槽PP開(kāi)窗改善前后做法效果

續(xù)表4

2.4.3 階梯槽位置揭蓋

對(duì)于6階HDI，板因非對(duì)稱(chēng)階梯金手指位置在L5，需要滿(mǎn)足盲孔生產(chǎn)需求，每層介質(zhì)厚度僅為65～75 μm。介質(zhì)厚度偏薄，無(wú)法直接采用機(jī)械控深銑方式揭蓋開(kāi)槽。為滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，只能考慮采用激光切割揭蓋，同時(shí)又需要考慮激光揭蓋會(huì)造成金手指位置油墨被激光燒穿，進(jìn)而影響品質(zhì)。因此，對(duì)揭蓋位置做如下設(shè)計(jì)：切割L1-L3銅層開(kāi)窗避開(kāi)激光切割線(xiàn)0.35 mm，L4銅層開(kāi)窗比激光切割線(xiàn)外延0.075 mm，做承接銅，避免激光切割傷到L5金手指區(qū)域阻焊保護(hù)層，如圖3所示。

圖3 階梯槽揭蓋位置設(shè)計(jì)及做法

通過(guò)控制激光切割深度約為0.3 mm，避銅后激光可達(dá)到切割深度要求，因此可取消控深銑流程。同時(shí)為保證不傷到金手指位置邊的阻焊層，需要考慮揭蓋后連接位置距離的大小。通過(guò)首件批確認(rèn)（first article，F(xiàn)A），PP 溢膠寬度為0.4 mm左右，后續(xù)可按此方式管控。

3 產(chǎn)品效果展示

3.1 階梯金手指位置介質(zhì)厚度

為滿(mǎn)足產(chǎn)品插拔需求，金手指位置厚度不能超過(guò)1.8 mm，客戶(hù)需求非對(duì)稱(chēng)金手指位置板厚度為（1.6±10）mm，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)及做法，成功開(kāi)發(fā)出18層6階HDI非對(duì)稱(chēng)階梯金手指板。為確認(rèn)板厚度是否滿(mǎn)足客戶(hù)產(chǎn)品需求，開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試。結(jié)果表明，金手指位置板厚度主要集中在1.5～1.7 mm內(nèi)，復(fù)雜過(guò)程能力指數(shù)（complex process capability index，CpK）為1.51，完全符合標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表5 階梯金手指位置介質(zhì)厚度 單位：mm

3.2 產(chǎn)品制作效果及可靠性測(cè)試

PCB產(chǎn)品制作效果及可靠性測(cè)試見(jiàn)表6。

表6 PCB產(chǎn)品及可靠性測(cè)試

4 結(jié)論

影響非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)金手指板制作的主要工序?yàn)閴汉?、成型、電鍍等，通過(guò)驗(yàn)證及測(cè)試突破了該板的制作難題。

（1）此板為階梯金手指，需要特殊保護(hù)金手指位置，通過(guò)試驗(yàn)可得，低黏度PI 材料滿(mǎn)足多次壓合，保證不掉膠，同時(shí)滿(mǎn)足產(chǎn)品品質(zhì)需求。

（2）階梯金手指槽揭蓋區(qū)PP開(kāi)線(xiàn)槽，使用鋁片做緩沖材輔助壓合，可改善揭蓋區(qū)銅皺、缺膠及PP 開(kāi)通窗導(dǎo)致的空洞滲液?jiǎn)栴}。揭蓋區(qū)PP 開(kāi)線(xiàn)槽壓合后距空腔區(qū)域1 mm左右，介質(zhì)厚度基本與板內(nèi)一致。因此盲孔設(shè)計(jì)距空腔邊至少應(yīng)有1 mm的安全間距。

（3）制作線(xiàn)槽因介質(zhì)層僅為75 μm，超出機(jī)械銑槽控制公差，因此設(shè)計(jì)激光方式制作，需減小破銅能量，降低Mask直徑，確保線(xiàn)槽口徑滿(mǎn)足要求；電鍍采用VCP 填孔電鍍+鍍孔圖形方式制作，可滿(mǎn)足線(xiàn)槽填鍍后的Dimple要求及線(xiàn)路。

（4）通過(guò)測(cè)試不同油墨耐壓及高溫效果，確認(rèn)黑油效果最佳。

（5）為滿(mǎn)足階梯槽位置開(kāi)槽要求，揭蓋后PP溢膠寬度約為0.4 mm，可通過(guò)優(yōu)化調(diào)整PP開(kāi)槽的尺寸及離型膜覆蓋尺寸，進(jìn)一步減小溢膠寬度，目標(biāo)控制在0.3 mm 以?xún)?nèi)；另外，避免CO2激光切割開(kāi)槽時(shí)，損傷目標(biāo)層的阻焊膜，導(dǎo)致出現(xiàn)漏銅等問(wèn)題，在N-1層設(shè)計(jì)承接銅，深度約為0.4 mm，且其精度優(yōu)于控深銑，因此后續(xù)可取消控深銑，直接做激光切割。

（6）臺(tái)階金手指區(qū)域熱應(yīng)力和回流焊測(cè)試，阻焊層無(wú)分層起泡不良，空腔結(jié)合部無(wú)分層爆板，微裂紋異常，可靠性滿(mǎn)足要求。