厚銅超薄類四層PCB在流程中的漲縮變化研究

傅立紅

（廣東依頓電子科技股份有限公司，廣東 珠海 519090）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）的制造過(guò)程中尺寸漲縮管控一般有3 步：①由板料供應(yīng)商對(duì)尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行管控；② 在PCB 的內(nèi)層線路制作到層壓之間的漲縮管控；③在PCB 鉆孔到銑板之間各流程的漲縮管控。

在PCB 漲縮管控中，薄板類PCB 較容易出現(xiàn)漲縮不穩(wěn)定的問(wèn)題，對(duì)于內(nèi)層銅厚為0.07 mm、整體板厚為0.45 mm 的超薄厚銅類四層板尤甚。薄板漲縮不穩(wěn)定的影響因素既有來(lái)自于上游覆銅板（copper clad laminate，CCL）的影響，也有在PCB 制作流程中的影響。本文首先介紹上游CCL廠商制作流程工藝參數(shù)的影響，然后主要在PCB的關(guān)鍵流程跟進(jìn)做測(cè)試，收集各流程的漲縮變化數(shù)據(jù)，總結(jié)變化規(guī)律，針對(duì)性地制訂控制方案。

漲縮異常問(wèn)題發(fā)生后主要表現(xiàn)在PCB 的以下幾個(gè)品質(zhì)問(wèn)題上：①鉆孔孔位與內(nèi)層連接盤的位置偏移，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)孔銅與內(nèi)層銅短路的問(wèn)題；② 外層成品的圖形尺寸發(fā)生變化，此異常會(huì)導(dǎo)致在下游客戶端組裝元器件時(shí)出現(xiàn)偏位的問(wèn)題；③在PCB 銑板成型時(shí)，定位孔孔距不符合要求，無(wú)法進(jìn)行正常的銑板操作，在銑板之后出現(xiàn)板邊露銅風(fēng)險(xiǎn)；④ 漲縮異常之后的板在外層線路圖形與阻焊曝光制作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)位偏移問(wèn)題。

以上一系列的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致PCB產(chǎn)品良率下降，因此針對(duì)一款薄芯層、厚銅類的PCB 在制作流程中的漲縮進(jìn)行專門的研究，找出規(guī)律，制訂對(duì)應(yīng)的管控方案，為大批量生產(chǎn)此類PCB 打下品質(zhì)保證的基礎(chǔ)。

1 四層PCB的結(jié)構(gòu)和制作流程

1.1 四層PCB的結(jié)構(gòu)

本文所述的四層PCB結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四層PCB結(jié)構(gòu)

PCB 結(jié)構(gòu)分析：PCB 行業(yè)中一般將0.10～0.35 mm 厚度的芯板稱為薄芯板，圖1 中壓板疊合結(jié)構(gòu)的芯板厚度為0.062 mm，屬于超薄類型，增強(qiáng)材料106 布的厚度為0.045 mm，是尺寸最不穩(wěn)定的布之一。該P(yáng)CB 內(nèi)層銅厚度為0.070 mm（2.75 mil），層壓時(shí)需要大量的樹(shù)脂填充，在該結(jié)構(gòu)中，1080 半固化片（prepreg，PP）的RC（樹(shù)脂含量）已調(diào)整到68%（常規(guī)為62%），106 PP 的RC 為76%（常規(guī)為72%），樹(shù)脂含量越高，尺寸穩(wěn)定性越差。從整體板厚來(lái)看，層壓之后整體厚度僅0.45 mm。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)注定了PCB 的尺寸穩(wěn)定性較差，需要小心應(yīng)對(duì)，并在各相關(guān)流程做好管控。

1.2 四層PCB的制作流程

開(kāi)料→內(nèi)層線路制作→內(nèi)層線路檢查→壓合→鉆孔→沉銅及板面電鍍→外層線路制作→外層圖形電鍍→外層線路蝕板→外層線路檢查→阻焊→銑板成型→開(kāi)短路測(cè)試→最后品質(zhì)檢查→包裝。

2 PCB 流程漲縮測(cè)試數(shù)據(jù)收集及分析

2.1 識(shí)別關(guān)鍵流程

影響PCB 漲縮變化的因素主要有機(jī)械磨板、高溫、高壓等工藝特性，按照此特性對(duì)關(guān)鍵流程進(jìn)行識(shí)別，見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵流程識(shí)別

2.2 漲縮數(shù)據(jù)測(cè)試方案

根據(jù)識(shí)別出的關(guān)鍵PCB 流程，制訂相應(yīng)的漲縮變化數(shù)據(jù)測(cè)試方案。

（1）取板料，做板料的尺寸穩(wěn)定性測(cè)試，收集并分析數(shù)據(jù)。

（2）板料切板開(kāi)料后，分烤板與不烤板在內(nèi)層線路蝕板后測(cè)量，并分析漲縮變化數(shù)據(jù)。

（3）收集測(cè)試板在層壓前后的漲縮變化數(shù)據(jù)。

（4）收集測(cè)試板在沉銅前機(jī)械磨板前后的漲縮變化數(shù)據(jù)。

（5）收集測(cè)試板在阻焊高溫前后的漲縮變化數(shù)據(jù)。

2.3 各流程試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 板料的尺寸穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

（1）板料尺寸穩(wěn)定性測(cè)試。

測(cè)試方法參照IPC-TM-650 2.4.39，測(cè)試如下。

①取1 張大料裁切成9 塊300 mm×280 mm 的樣品，徑向?yàn)?00 mm；② 在板的4 個(gè)角鉆孔，孔距為254 mm，如圖2 所示，并測(cè)量好數(shù)據(jù)記錄W1、W2、F1、F2；③通過(guò)蝕板的方法將銅箔全部蝕去；④ 在烤箱內(nèi)垂直懸掛并沿與風(fēng)向平行的方向烤板，（105±5）℃，4 h±10 min；⑤ 放入干燥器冷卻1 h；⑥ 用二次元測(cè)量并分析數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 板料尺寸穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

圖2 板料尺寸穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

（2）板料尺寸穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析。

板料的漲縮系數(shù)平均數(shù)值為：W1方向，0.624 μm/mm；W2方向，0.567 μm/mm；F1方向，0.596 μm/mm；F2方向，0.664 μm/mm。該數(shù)據(jù)高于其他厚板的漲縮系數(shù)數(shù)值（約0.2 μm/mm），尺寸穩(wěn)定性的極差最大已達(dá)到0.33 μm/mm，說(shuō)明板料本身的尺寸穩(wěn)定性較差。

此薄板的結(jié)構(gòu)中使用的玻纖布為106 布，玻纖布的厚度約為0.033 mm，在CCL 制造中有上膠、層壓兩道關(guān)鍵流程。106布在上膠過(guò)程中由牽引力帶動(dòng)在上膠設(shè)備上高速傳送，此時(shí)會(huì)在布的玻纖絲上產(chǎn)生較大的張力，此張力因玻纖布浸上的樹(shù)脂在半固化定形之后無(wú)法正常釋放，被半固化的樹(shù)脂封在布的玻纖絲里。在層壓時(shí)玻纖布上的樹(shù)脂開(kāi)始熔化，玻纖絲的張力可以釋放一部分出來(lái)，其表現(xiàn)的方式是收縮；常規(guī)的106 PP的RC一般在72%以上，固化后厚度約0.055 mm。所研究結(jié)構(gòu)的介電層厚度標(biāo)準(zhǔn)為0.062 mm，采用的106 PP 的RC 為74%，RC 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他布種。比如7628 PP 的RC 為42%，2116 PP 的RC 為52%，1080 PP的RC為62%。

PP 上的樹(shù)脂是一種高分子物質(zhì)，在層壓的高溫過(guò)程中發(fā)生聚合反應(yīng)，分子聚合收縮，由于106 PP的RC高，會(huì)增加玻纖布的厚度，因此，收縮的程度也就更加明顯。同時(shí)，層壓是一個(gè)在高壓下擠壓樹(shù)脂的過(guò)程，此過(guò)程會(huì)讓樹(shù)脂向板的四周擴(kuò)散流動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)向板料周邊擠壓的機(jī)械應(yīng)力，隨著樹(shù)脂在高溫下的充分固化，板料中也就形成了一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力。縮放系數(shù)數(shù)值的大小與板料內(nèi)應(yīng)力的大小有較大的關(guān)系，因此，從層壓參數(shù)上考慮，在層壓高溫、高壓固化段的壓力設(shè)置需要合適，不宜設(shè)計(jì)太高的壓力，后段冷卻的過(guò)程更應(yīng)該將壓力適當(dāng)降低，這樣可以減小層壓板的內(nèi)應(yīng)力。

針對(duì)此類內(nèi)層薄板，CCL 制造商要從固定上膠設(shè)備、層壓設(shè)備、上膠的牽引力及層壓參數(shù)以及物料方面考慮，需要固定玻纖布及樹(shù)脂的供應(yīng)商，從源頭做好板料本身的尺寸穩(wěn)定性的管控。

2.3.2 烤板與不烤板測(cè)量

測(cè)量方法如下：

（1）在板料開(kāi)料后，分烤板（160 ℃/5 h）與不烤板各取25 塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并分別做好標(biāo)識(shí)。

（2）跟進(jìn)做板到內(nèi)層線路蝕板后，分開(kāi)測(cè)量?jī)深惏鍢?biāo)靶間的距離數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)測(cè)量的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)兩種條件下的數(shù)據(jù)差異。

開(kāi)料流程烤板與不烤板在內(nèi)層線路蝕板后測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)總結(jié)見(jiàn)表3。

表3 烤板與不烤板測(cè)試數(shù)據(jù)

從以上開(kāi)料流程中烤板與不烤板的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，烤板后的樣本在內(nèi)層蝕板后測(cè)量數(shù)據(jù)整體比不烤板的樣本數(shù)據(jù)在X方向平均小0.015 2 mm，在Y方向平均小0.012 7 mm，差異不明顯。

對(duì)比以上極差數(shù)據(jù)，烤板的板在X、Y兩個(gè)方向極差的數(shù)值均大于不烤板數(shù)值約0.025 4 mm，說(shuō)明測(cè)試樣品在烤板后尺寸穩(wěn)定性的變異稍有增加。

烤板的目的是為了讓板料在高于材料Tg的溫度及基本處于無(wú)壓力的狀態(tài)下充分釋放內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)前，烤板的方式為疊板，每疊高標(biāo)準(zhǔn)不超過(guò)50 mm，每疊的上、中、下的板在烤板的過(guò)程中受熱存在一定的差異，此差異對(duì)板料的尺寸穩(wěn)定性有少許的影響。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，薄板使用疊板的方式烤板，在尺寸穩(wěn)定性方面的變異會(huì)更大，不利于尺寸穩(wěn)定性管控，建議此類薄板在開(kāi)料流程中取消疊板烤板。

2.3.3 壓合前后漲縮測(cè)量

（1）測(cè)量方法。

①跟進(jìn)25塊樣品，在壓合棕化前測(cè)量標(biāo)靶的距離，記為X1、Y1；② 每塊板做好標(biāo)記，在壓合后再測(cè)量標(biāo)靶的距離，記為X2、Y2；③對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)板料的漲縮變化系數(shù)。

（2）壓合前后測(cè)量25 塊板的數(shù)據(jù)總結(jié)見(jiàn)表4。

表4 壓合前后測(cè)量數(shù)據(jù)

（3）壓合漲縮變化數(shù)據(jù)分析。

X方向?yàn)榘辶系慕?jīng)向，對(duì)應(yīng)的是玻纖布在上膠過(guò)程中的牽引方向；Y方向是緯向，對(duì)應(yīng)的是玻纖布的寬幅方向。由表4可見(jiàn)，在X方向板料的漲縮系數(shù)比在Y方向的漲縮系數(shù)平均大0.37 μm/mm，說(shuō)明此類106 PP在上膠過(guò)程中在經(jīng)向受上膠牽引力的影響產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，在半固片中，在PCB 壓合流程中內(nèi)應(yīng)力才被釋放出來(lái)，從而較大程度地影響了板料的漲縮變化。

為了較穩(wěn)定地管控板料的尺寸穩(wěn)定性，首先需要從上游板料廠商開(kāi)始對(duì)影響尺寸穩(wěn)定性的相關(guān)因素進(jìn)行管控。比如，固定板料廠商上膠的牽引力參數(shù)，固定壓合參數(shù)，甚至固定玻纖布的供應(yīng)商等，以減少這些變異導(dǎo)致尺寸異常問(wèn)題發(fā)生概率。

壓合前后X方向的漲縮系數(shù)為-1.36 μm/mm，Y方向的漲縮系數(shù)為-0.99 μm/mm，遠(yuǎn)大于一般的PCB 在壓合前后的漲縮系數(shù)（約-0.25 μm/mm），說(shuō)明此類板料在壓板前后的漲縮變化較大。

2.3.4 沉銅磨板前測(cè)量磨板前后板的漲縮

考慮到機(jī)械磨板可能存在機(jī)械力分布不均勻的問(wèn)題，因此在取數(shù)時(shí)分別取4 條邊的數(shù)據(jù)。跟進(jìn)此薄板25 塊，在板邊做好記號(hào)，在沉銅磨板前測(cè)量板角4 個(gè)管位孔的距離，4 條邊的數(shù)據(jù)分別記為X1、X2、Y3、Y4。

跟進(jìn)磨板后再測(cè)量4 條邊的距離數(shù)據(jù)X1、X2、Y3、Y4，按對(duì)應(yīng)編號(hào)記錄數(shù)據(jù)。測(cè)試前先對(duì)磨板機(jī)的磨痕進(jìn)行測(cè)量，以保證磨板參數(shù)的準(zhǔn)確性，磨痕管控要求為8～14 mm。在制板過(guò)磨板機(jī)的方向按照流程標(biāo)準(zhǔn)為橫向過(guò)磨板機(jī)。繼續(xù)跟進(jìn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

沉銅磨板前后測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)見(jiàn)表5。

表5 沉銅磨板前后測(cè)量數(shù)據(jù)

由表5 可見(jiàn)，經(jīng)沉銅磨板后，在磨刷的機(jī)械力作用下，板在X方向與Y方向均發(fā)生了形變，在X方向平均伸長(zhǎng)0.025 4～0.043 2 mm，在Y方向平均伸長(zhǎng)0.086 4～0.091 4 mm。

沉銅磨板發(fā)生的板料尺寸變化，會(huì)導(dǎo)致在外層圖形制作時(shí)發(fā)生曝光菲林對(duì)偏位的現(xiàn)象，因此在沉銅磨板時(shí)需要做好磨痕的管控，以保證板面所受的機(jī)械力均勻，保證板變形的一致性。一般要求左中右磨痕極差大小不超過(guò)1 mm，否則需要對(duì)磨刷進(jìn)行整平或更換新的磨刷。

2.3.5 阻焊高溫固化烤板前后的變化

跟進(jìn)此薄板25 塊，在板邊做好記號(hào)，在阻焊高溫前測(cè)量板角管位孔在X方向與Y方向的距離，數(shù)據(jù)分別記為X1、Y1。

在高溫后測(cè)量管位孔在X方向與Y方向的距離，數(shù)據(jù)分別記為X2、Y2，按對(duì)應(yīng)編號(hào)記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)使用高溫隧道爐進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。阻焊高溫前后測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)見(jiàn)表6。

表6 阻焊高溫前后測(cè)量數(shù)據(jù)

由表6 可見(jiàn)，PCB 在阻焊高溫后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的收縮，在X方向平均收縮0.109 2 mm，在Y方向平均收縮0.185 4 mm。

PCB 在阻焊高溫中出現(xiàn)較嚴(yán)重的收縮，可導(dǎo)致光學(xué)點(diǎn)尺寸異常、定位孔間距離異常，銑板時(shí)出現(xiàn)定位孔裝不上釘，銑邊時(shí)出現(xiàn)板邊露內(nèi)層銅的嚴(yán)重問(wèn)題。

PCB 在阻焊高溫中的漲縮系數(shù)：X方向?yàn)?.30 μm/mm，Y方向?yàn)?.32 μm/mm。阻焊高溫導(dǎo)致PCB 的尺寸發(fā)生較嚴(yán)重的收縮變化，實(shí)際上是無(wú)法避免的，只能找準(zhǔn)漲縮變化系數(shù)，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q。

3 關(guān)鍵流程測(cè)量漲縮變化數(shù)據(jù)總結(jié)分析

3.1 關(guān)鍵流程測(cè)量系數(shù)匯總

關(guān)鍵流程測(cè)量系數(shù)總結(jié)見(jiàn)表7。

表7 關(guān)鍵流程測(cè)量系數(shù)

3.2 漲縮數(shù)據(jù)分析及補(bǔ)償方法

根據(jù)以上測(cè)量漲縮系數(shù)，了解到此PCB 在層壓中發(fā)生了非常嚴(yán)重的收縮，沉銅磨板時(shí)又出現(xiàn)了伸長(zhǎng)，阻焊高溫前后也出現(xiàn)了嚴(yán)重的收縮。了解到這些漲縮變化規(guī)律后，在內(nèi)層圖形曝光資料、鉆孔資料、外層圖形曝光資料、印網(wǎng)曝光資料、阻焊圖形曝光資料等工具上做相應(yīng)的漲縮系數(shù)補(bǔ)償，可以解決PCB的尺寸異常品質(zhì)問(wèn)題。

補(bǔ)償方法：內(nèi)層曝光資料補(bǔ)償系數(shù)包括了全流程的漲縮變化系數(shù)總和；鉆孔資料補(bǔ)償系數(shù)則只需要補(bǔ)償鉆孔后的流程變化系數(shù)總和；外層圖形曝光資料補(bǔ)償用阻焊的變化系數(shù)減去沉銅磨板的變化系數(shù)；阻焊絲印網(wǎng)曝光資料補(bǔ)償按阻焊高溫前后的變化系數(shù)。各流程工具補(bǔ)償系數(shù)見(jiàn)表8。

表8 關(guān)鍵流程工具補(bǔ)償系數(shù)

4 補(bǔ)償方法驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方法

（1）根據(jù)以上補(bǔ)償系數(shù)對(duì)內(nèi)層線路曝光資料、鉆孔資料、外層線路曝光資料、阻焊絲印網(wǎng)曝光資料、阻焊圖形曝光資料等進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）用相應(yīng)的已加補(bǔ)償系數(shù)的工具制作線路板30 塊，在內(nèi)層圖形蝕板后、層壓后、鉆孔后、阻焊高溫后等流程進(jìn)行尺寸數(shù)據(jù)測(cè)試。

（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2 各流程的尺寸數(shù)據(jù)測(cè)試及收集

各流程的尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 各流程的尺寸數(shù)據(jù)

由表9 可見(jiàn)，幾個(gè)關(guān)鍵流程測(cè)量板的尺寸數(shù)據(jù)，均在±0.076 2 mm 的公差內(nèi)，整體數(shù)據(jù)表現(xiàn)滿足流程品質(zhì)控制要求。通過(guò)驗(yàn)證，證明此補(bǔ)償方法是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在PCB 的各關(guān)鍵流程中，對(duì)內(nèi)層芯板厚度為0.062 mm、內(nèi)層銅厚為0.070 mm、整體板厚為0.45 mm 等特點(diǎn)的四層板漲縮進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)此類板的漲縮變化數(shù)據(jù)較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通厚度PCB 在流程中的漲縮變化數(shù)據(jù)。此PCB 使用的PP為薄的106 及1080 PP，并且樹(shù)脂含量均為對(duì)應(yīng)布種RC 的上限。解決此類PCB 漲縮的關(guān)鍵是需要建立嚴(yán)格的流程參數(shù)及設(shè)備和物料的管控機(jī)制，固定設(shè)備、參數(shù)、物料供應(yīng)商以保證流程的穩(wěn)定性；同時(shí)，在PCB 的流程中，通過(guò)測(cè)量各關(guān)鍵流程的變化系數(shù)，找準(zhǔn)變化規(guī)劃，在鉆孔資料、外層線路曝光菲林、阻焊曝光菲林等流程進(jìn)行漲縮系數(shù)補(bǔ)償。