PCB技術 - PCB線路板加工製作難度在哪裡?

近幾年來，應用通訊、基站、航空、軍事等領域的高層板市場需求仍然強勁，而隨著中國電信設備市場的快速發展，高層板市場前景被看好。

目前國內能批量生產高層線路板的PCB廠商，主要來自於外資企業或少數內資企業。高層線路板的生產不僅需要較高的技術和設備投入，更需要技術人員和生產人員的經驗積累，同時導入高層板客戶認證手續嚴格且繁瑣，因此高層線路板進入企業門檻較高，實現產業化生產週期較長。

       PCB平均層數已經成為衡量PCB企業技術水準和產品結構的重要技術指標。本文簡述了高層線路板在生產中遇到的主要加工難點，介紹了高層線路板關鍵生產工序的控制要點，供大家參考。

一、主要製作難點

對比常規線路板產品特點，高層線路板具有板件更厚、層數更多、線路和過孔更密集、單元尺寸更大、介質層更薄等特性，內層空間、層間對準度、阻抗控制以及可靠性要求更為嚴格。

1.1 層間對準度難點

由於高層板層數多，客戶設計端對PCB各層的對準度要求越來越嚴格，通常層間對位公差控制±75μm，考慮高層板單元尺寸設計較大、圖形轉移車間環境溫濕度，以及不同芯板層漲縮不一致性帶來的錯位疊加、層間定位方式等因素，使得高層板的層間對準度控制難度更大。

1.2 內層線路製作難點

高層板採用高TG、高速、高頻、厚銅、薄介質層等特殊材料，對內層線路製作及圖形尺寸控制提出高要求，如阻抗信號傳輸的完整性，增加了內層線路製作難度。線寬線距小，開短路增多，微短增多，合格率低;細密線路信號層較多，內層AOI漏檢的幾率加大;內層芯板厚度較薄，容易褶皺導致曝光不良，蝕刻過機時容易卷板;高層板大多數為系統板，單元尺寸較大，在成品報廢的代價相對高。

1.3 壓合製作難點

多張內層芯板和半固化片疊加，壓合生產時容易產生滑板、分層、樹脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設計疊層結構時，需充分考慮材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質厚度，並設定合理的高層板壓合程式。層數多，漲縮量控制及尺寸係數補償量無法保持一致性;層間絕緣層薄，容易導致層間可靠性測試失效問題。圖1是熱應力測試後出現爆板分層的缺陷圖。

1.4 鑽孔製作難點

採用高TG、高速、高頻、厚銅類特殊板材，增加了鑽孔粗糙度、鑽孔毛刺和去鑽汙的難度。層數多，累計總銅厚和板厚，鑽孔易斷刀；密集BGA多，窄孔壁間距導致的CAF失效問題;因板厚容易導致斜鑽問題。

二、 關鍵生產工序控制

2.1 材料選擇

隨著電子元器件高性能化、多功能化的方向發展，同時帶來高頻、高速發展的信號傳輸，因此要求電子電路材料的介電常數和介電損耗比較低，以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆銅板材料，以滿足高層板的加工和可靠性要求。常用的板材供應商主要有A系列、B系列、C系列、D系列，這四種內層基板的主要特性對比，見表1。對於高層厚銅線路板選用高樹脂含量的半固化片，層間半固化片的流膠量足以將內層圖形填充滿，絕緣介質層太厚易出現成品板超厚，反之絕緣介質層偏薄，則易造成介質分層、高壓測試失效等品質問題，因此對絕緣介質材料的選擇極為重要。

2.2 壓合疊層結構設計

在疊層結構設計中考慮的主要因素是材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質層厚度等，應遵循以下主要原則。

(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(客戶有特殊要求除外)，客戶無介質厚度要求時，各層間介質厚度必須按IPC-A-600G保證≥0.09mm。

(2) 、當客戶要求高TG板材時，芯板和半固化片都要用相應的高TG材料。

(3) 、內層基板3OZ或以上，選用高樹脂含量的半固化片，如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ;但儘量避免全部使用106 高膠半固化片的結構設計，以防止多張106半固化片疊合，因玻纖紗太細，玻纖紗在大基材區塌陷而影響尺寸穩定性和爆板分層。

(4)、 若客戶無特別要求，層間介質層厚度公差一般按+/-10%控制，對於阻抗板，介質厚度公差按IPC-4101 C/M級公差控制，若阻抗影響因素與基材厚度有關，則板材公差也必須按IPC-4101 C/M級公差。

2.3 層間對準度控制

內層芯板尺寸補償的精確度和生產尺寸控制，需要通過一定的時間在生產中所收集的資料與歷史資料經驗，對高層板的各層圖形尺寸進行精確補償，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)、熱熔與鉚釘結合。設定合適的壓合工藝程序和對壓機日常維護是確保壓合品質的關鍵，控制壓合流膠和冷卻效果，減少層間錯位問題。層間對準度控制需要從內層補償值、壓合定位方式、壓合工藝參數、材料特性等因素綜合考量。

2.4 內層線路工藝

由於傳統曝光機的解析能力在50μm左右，對於高層板生產製作，可以引進鐳射直接成像機(LDI)，提高圖形解析能力，解析能力達到20μm左右。傳統曝光機對位精度在±25μm，層間對位精度大於50μm。採用高精度對位元曝光機，圖形對位元精度可以提高到15μm左右，層間對位精度控制30μm以內，減少了傳統設備的對位元偏差，提高了高層板的層間對位精度。

為了提高線路蝕刻能力，需要在工程設計上對線路的寬度和焊盤(或焊環)給予適當的補償外，還需對特殊圖形，如回型線路、獨立線路等補償量做更詳細的設計考慮。確認內層線寬、線距、隔離環大小、獨立線、孔到線距離設計補償是否合理，否則更改工程設計。有阻抗、感抗設計要求注意獨立線、阻抗線設計補償是否足夠，蝕刻時控制好參數，首件確認合格後方可批量生產。為減少蝕刻側蝕，需對蝕刻液的各組藥水成分控制在最佳範圍內。傳統的蝕刻線設備蝕刻能力不足，可以對設備進行技術改造或導入高精密蝕刻線設備，提高蝕刻均勻性，減少蝕刻毛邊、蝕刻不淨等問題。

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、熱熔與鉚釘結合，不同產品結構採用不同的定位方式。對於高層板採用四槽定位方式(Pin LAM)，或使用熔合+鉚合方式製作，OPE沖孔機沖出定位孔，沖孔精度控制在±25μm。熔合時調機制作首板需採用X-RAY檢查層偏，層偏合格方可製作批量，批量生產時需檢查每塊板是否熔入單元，以防止後續分層，壓合設備採用高性能配套壓機，滿足高層板的層間對位精度和可靠性。

根據高層板疊層結構及使用的材料，研究合適的壓合程式，設定最佳的升溫速率和曲線，在常規的多層線路板壓合程式上，適當降低壓合板料升溫速率，延長高溫固化時間，使樹脂充分流動、固化，同時避免壓合過程中滑板、層間錯位等問題。材料TG值不一樣的板，不能同爐排板;普通參數的板不可與特殊參數的板混壓;保證漲縮係數給定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需採用相應的板材半固化片參數壓合，從未使用過的特殊材料需要驗證工藝參數。

2.6 鑽孔工藝

由於各層疊加導致板件和銅層超厚，對鑽頭磨損嚴重，容易折斷鑽刀，對於孔數、落速和轉速適當的下調。精確測量板的漲縮，提供精確的係數;層數≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線距離≤0.175mm，採用孔位精度≤0.025mm 的鑽機生產;直徑φ4.0mm以上孔徑採用分步鑽孔，厚徑比12:1採用分步鑽，正反鑽孔方法生產;控制鑽孔披鋒及孔粗，高層板儘量採用全新鑽刀或磨1鑽刀鑽孔，孔粗控制25um以內。為改善高層厚銅板的鑽孔毛刺問題，經批量驗證，使用高密度墊板，疊板數量為一塊，鑽頭磨次控制在3次以內，可有效改善鑽孔毛刺，如圖2、圖3所示。

對於高頻、高速、海量資料傳輸用的高層板，背鑽技術是改善信號完整有效的方法。背鑽主要控制殘留stub長度，兩次鑽孔的孔位一致性以及孔內銅絲等。不是所有的鑽孔機設備具有背鑽功能，必須對鑽孔機設備進行技術升級(具備背鑽功能)，或購買具有背鑽功能的鑽孔機。從行業相關文獻和成熟量產應用的背鑽技術主要包括：傳統控深背鑽方法、內層為信號回饋層背鑽、按板厚比例計算深度背鑽，在此不重複敘述。

三、可靠性測試

高層板一般為系統板，比常規多層板厚、更重、單元尺寸更大，相應的熱容也較大，在焊接時，需要的熱量更多，所經歷的焊接高溫時間要長。在217℃(錫銀銅焊料熔點)需50秒至90秒，同時高層板冷卻速度相對慢，因此過回流焊測試的時間延長，並結合IPC-6012C、 IPC-TM-650標準以及行業要求，對高層板的主要可靠性測試，如表2所述。