高層線路板的關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制

高層線路板一般定義為10層——20層或以上的高多層線路板，比傳統(tǒng)的多層線路板加工難度大，其品質(zhì)可靠性要求高，主要應(yīng)用于通訊設(shè)備、高端服務(wù)器、醫(yī)療電子、航空、工控、軍事等領(lǐng)域。近幾年來(lái)，應(yīng)用通訊、基站、航空、軍事等領(lǐng)域的高層板市場(chǎng)需求仍然強(qiáng)勁，而隨著中國(guó)電信設(shè)備市場(chǎng)的快速發(fā)展，高層板市場(chǎng)前景被看好。
目前國(guó)內(nèi)能批量生產(chǎn)高層線路板的PCB廠商，主要來(lái)自于外資企業(yè)或少數(shù)內(nèi)資企業(yè)。高層線路板的生產(chǎn)不僅需要較高的技術(shù)和設(shè)備投入，更需要技術(shù)人員和生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)導(dǎo)入高層板客戶(hù)認(rèn)證手續(xù)嚴(yán)格且繁瑣，因此高層線路板進(jìn)入企業(yè)門(mén)檻較高，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。PCB平均層數(shù)已經(jīng)成為衡量PCB企業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)指標(biāo)。本文簡(jiǎn)述了高層線路板在生產(chǎn)中遇到的主要加工難點(diǎn)，介紹了高層線路板關(guān)鍵生產(chǎn)工序的控制要點(diǎn)，供大家參考。
一、主要制作難點(diǎn)
對(duì)比常規(guī)線路板產(chǎn)品特點(diǎn)，高層線路板具有板件更厚、層數(shù)更多、線路和過(guò)孔更密集、單元尺寸更大、介質(zhì)層更薄等特性，內(nèi)層空間、層間對(duì)準(zhǔn)度、阻抗控制以及可靠性要求更為嚴(yán)格。
1.1 層間對(duì)準(zhǔn)度難點(diǎn)
由于高層板層數(shù)多，客戶(hù)設(shè)計(jì)端對(duì)PCB各層的對(duì)準(zhǔn)度要求越來(lái)越嚴(yán)格，通常層間對(duì)位公差控制±75μm，考慮高層板單元尺寸設(shè)計(jì)較大、圖形轉(zhuǎn)移車(chē)間環(huán)境溫濕度，以及不同芯板層漲縮不一致性帶來(lái)的錯(cuò)位疊加、層間定位方式等因素，使得高層板的層間對(duì)準(zhǔn)度控制難度更大。
1.2 內(nèi)層線路制作難點(diǎn)
高層板采用高TG、高速、高頻、厚銅、薄介質(zhì)層等特殊材料，對(duì)內(nèi)層線路制作及圖形尺寸控制提出高要求，如阻抗信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕黾恿藘?nèi)層線路制作難度。線寬線距小，開(kāi)短路增多，微短增多，合格率低；細(xì)密線路信號(hào)層較多，內(nèi)層AOI漏檢的幾率加大；內(nèi)層芯板厚度較薄，容易褶皺導(dǎo)致曝光不良，蝕刻過(guò)機(jī)時(shí)容易卷板；高層板大多數(shù)為系統(tǒng)板，單元尺寸較大，在成品報(bào)廢的代價(jià)相對(duì)高。
1.3 壓合制作難點(diǎn)
多張內(nèi)層芯板和半固化片疊加，壓合生產(chǎn)時(shí)容易產(chǎn)生滑板、分層、樹(shù)脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，需充分考慮材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)厚度，并設(shè)定合理的高層板壓合程式。層數(shù)多，漲縮量控制及尺寸系數(shù)補(bǔ)償量無(wú)法保持一致性；層間絕緣層薄，容易導(dǎo)致層間可靠性測(cè)試失效問(wèn)題。圖1是熱應(yīng)力測(cè)試后出現(xiàn)爆板分層的缺陷圖。

1.4 鉆孔制作難點(diǎn)
采用高TG、高速、高頻、厚銅類(lèi)特殊板材，增加了鉆孔粗糙度、鉆孔毛刺和去鉆污的難度。層數(shù)多，累計(jì)總銅厚和板厚，鉆孔易斷刀；密集BGA多，窄孔壁間距導(dǎo)致的CAF失效問(wèn)題；因板厚容易導(dǎo)致斜鉆問(wèn)題。
　二、 關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制
2.1 材料選擇
隨著電子元器件高性能化、多功能化的方向發(fā)展，同時(shí)帶來(lái)高頻、高速發(fā)展的信號(hào)傳輸，因此要求電子電路材料的介電常數(shù)和介電損耗比較低，以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆銅板材料，以滿(mǎn)足高層板的加工和可靠性要求。常用的板材供應(yīng)商主要有A系列、B系列、C系列、D系列，這四種內(nèi)層基板的主要特性對(duì)比，見(jiàn)表1。對(duì)于高層厚銅線路板選用高樹(shù)脂含量的半固化片，層間半固化片的流膠量足以將內(nèi)層圖形填充滿(mǎn)，絕緣介質(zhì)層太厚易出現(xiàn)成品板超厚，反之絕緣介質(zhì)層偏薄，則易造成介質(zhì)分層、高壓測(cè)試失效等品質(zhì)問(wèn)題，因此對(duì)絕緣介質(zhì)材料的選擇極為重要。

　2.2 壓合疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的主要因素是材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)層厚度等，應(yīng)遵循以下主要原則。
（1） 半固化片與芯板廠商必須保持一致。為保證PCB可靠性，所有層半固化片避免使用單張1080或106半固化片（客戶(hù)有特殊要求除外），客戶(hù)無(wú)介質(zhì)厚度要求時(shí)，各層間介質(zhì)厚度必須按IPC-A-600G保證≥0.09mm。
（2） 當(dāng)客戶(hù)要求高TG板材時(shí)，芯板和半固化片都要用相應(yīng)的高TG材料。
（3） 內(nèi)層基板3OZ或以上，選用高樹(shù)脂含量的半固化片，如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ；但盡量避免全部使用106 高膠半固化片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以防止多張106半固化片疊合，因玻纖紗太細(xì)，玻纖紗在大基材區(qū)塌陷而影響尺寸穩(wěn)定性和爆板分層。
（4） 若客戶(hù)無(wú)特別要求，層間介質(zhì)層厚度公差一般按+/-10%控制，對(duì)于阻抗板，介質(zhì)厚度公差按IPC-4101 C/M級(jí)公差控制，若阻抗影響因素與基材厚度有關(guān)，則板材公差也必須按IPC-4101 C/M級(jí)公差。
2.3 層間對(duì)準(zhǔn)度控制
內(nèi)層芯板尺寸補(bǔ)償?shù)木_度和生產(chǎn)尺寸控制，需要通過(guò)一定的時(shí)間在生產(chǎn)中所收集的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層板的各層圖形尺寸進(jìn)行精確補(bǔ)償，確保各層芯板漲縮一致性。選擇高精度、高可靠的壓合前層間定位方式，如四槽定位（Pin LAM）、熱熔與鉚釘結(jié)合。設(shè)定合適的壓合工藝程序和對(duì)壓機(jī)日常維護(hù)是確保壓合品質(zhì)的關(guān)鍵，控制壓合流膠和冷卻效果，減少層間錯(cuò)位問(wèn)題。層間對(duì)準(zhǔn)度控制需要從內(nèi)層補(bǔ)償值、壓合定位方式、壓合工藝參數(shù)、材料特性等因素綜合考量。
2.4 內(nèi)層線路工藝
由于傳統(tǒng)曝光機(jī)的解析能力在50μm左右，對(duì)于高層板生產(chǎn)制作，可以引進(jìn)激光直接成像機(jī)（LDI），提高圖形解析能力，解析能力達(dá)到20μm左右。傳統(tǒng)曝光機(jī)對(duì)位精度在±25μm，層間對(duì)位精度大于50μm。采用高精度對(duì)位曝光機(jī)，圖形對(duì)位精度可以提高到15μm左右，層間對(duì)位精度控制30μm以?xún)?nèi)，減少了傳統(tǒng)設(shè)備的對(duì)位偏差，提高了高層板的層間對(duì)位精度。
為了提高線路蝕刻能力，需要在工程設(shè)計(jì)上對(duì)線路的寬度和焊盤(pán)（或焊環(huán)）給予適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償外，還需對(duì)特殊圖形，如回型線路、獨(dú)立線路等補(bǔ)償量做更詳細(xì)的設(shè)計(jì)考慮。確認(rèn)內(nèi)層線寬、線距、隔離環(huán)大小、獨(dú)立線、孔到線距離設(shè)計(jì)補(bǔ)償是否合理，否則更改工程設(shè)計(jì)。有阻抗、感抗設(shè)計(jì)要求注意獨(dú)立線、阻抗線設(shè)計(jì)補(bǔ)償是否足夠，蝕刻時(shí)控制好參數(shù)，首件確認(rèn)合格后方可批量生產(chǎn)。為減少蝕刻側(cè)蝕，需對(duì)蝕刻液的各組藥水成分控制在最佳范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的蝕刻線設(shè)備蝕刻能力不足，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造或?qū)敫呔芪g刻線設(shè)備，提高蝕刻均勻性，減少蝕刻毛邊、蝕刻不凈等問(wèn)題。
　2.5 壓合工藝
目前壓合前層間定位方式主要包括：四槽定位（Pin LAM）、熱熔、鉚釘、熱熔與鉚釘結(jié)合，不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用不同的定位方式。對(duì)于高層板采用四槽定位方式（Pin LAM），或使用熔合+鉚合方式制作，OPE沖孔機(jī)沖出定位孔，沖孔精度控制在±25μm。熔合時(shí)調(diào)機(jī)制作首板需采用X-RAY檢查層偏，層偏合格方可制作批量，批量生產(chǎn)時(shí)需檢查每塊板是否熔入單元，以防止后續(xù)分層，壓合設(shè)備采用高性能配套壓機(jī)，滿(mǎn)足高層板的層間對(duì)位精度和可靠性。
根據(jù)高層板疊層結(jié)構(gòu)及使用的材料，研究合適的壓合程序，設(shè)定最佳的升溫速率和曲線，在常規(guī)的多層線路板壓合程序上，適當(dāng)降低壓合板料升溫速率，延長(zhǎng)高溫固化時(shí)間，使樹(shù)脂充分流動(dòng)、固化，同時(shí)避免壓合過(guò)程中滑板、層間錯(cuò)位等問(wèn)題。材料TG值不一樣的板，不能同爐排板；普通參數(shù)的板不可與特殊參數(shù)的板混壓；保證漲縮系數(shù)給定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需采用相應(yīng)的板材半固化片參數(shù)壓合，從未使用過(guò)的特殊材料需要驗(yàn)證工藝參數(shù)。
　2.6 鉆孔工藝
由于各層疊加導(dǎo)致板件和銅層超厚，對(duì)鉆頭磨損嚴(yán)重，容易折斷鉆刀，對(duì)于孔數(shù)、落速和轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)南抡{(diào)。精確測(cè)量板的漲縮，提供精確的系數(shù)；層數(shù)≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線距離≤0.175mm，采用孔位精度≤0.025mm 的鉆機(jī)生產(chǎn)；直徑φ4.0mm以上孔徑采用分步鉆孔，厚徑比12:1采用分步鉆，正反鉆孔方法生產(chǎn)；控制鉆孔披鋒及孔粗，高層板盡量采用全新鉆刀或磨1鉆刀鉆孔，孔粗控制25um以?xún)?nèi)。為改善高層厚銅板的鉆孔毛刺問(wèn)題，經(jīng)批量驗(yàn)證，使用高密度墊板，疊板數(shù)量為一塊，鉆頭磨次控制在3次以?xún)?nèi)，可有效改善鉆孔毛刺，如圖2、圖3所示。

對(duì)于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用的高層板，背鉆技術(shù)是改善信號(hào)完整有效的方法。背鉆主要控制殘留stub長(zhǎng)度，兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內(nèi)銅絲等。不是所有的鉆孔機(jī)設(shè)備具有背鉆功能，必須對(duì)鉆孔機(jī)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)（具備背鉆功能），或購(gòu)買(mǎi)具有背鉆功能的鉆孔機(jī)。從行業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)和成熟量產(chǎn)應(yīng)用的背鉆技術(shù)主要包括：傳統(tǒng)控深背鉆方法、內(nèi)層為信號(hào)反饋層背鉆、按板厚比例計(jì)算深度背鉆，在此不重復(fù)敘述。
　三、可靠性測(cè)試
高層板一般為系統(tǒng)板，比常規(guī)多層板厚、更重、單元尺寸更大，相應(yīng)的熱容也較大，在焊接時(shí)，需要的熱量更多，所經(jīng)歷的焊接高溫時(shí)間要長(zhǎng)。在217℃（錫銀銅焊料熔點(diǎn)）需50秒至90秒，同時(shí)高層板冷卻速度相對(duì)慢，因此過(guò)回流焊測(cè)試的時(shí)間延長(zhǎng)，并結(jié)合IPC-6012C、 IPC-TM-650標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)要求，對(duì)高層板的主要可靠性測(cè)試，如表2所述。