高層電路板一般定義為10層～20層或以上的高多層電路板，比傳統的多層電路板加工難度大，其品質(zhì)可靠性要求高，主要應用于通訊設備、高端服務(wù)器、醫療電子、航空、工控、軍事等領(lǐng)域。近幾年來(lái)，應用通訊、基站、航空、軍事等領(lǐng)域的高層板市場(chǎng)需求仍然強勁，而隨著(zhù)中電信設備市場(chǎng)的快速發(fā)展，高層板市場(chǎng)前景被看好。

    目前內能批量生產(chǎn)高層電路板的PCB廠(chǎng)商，主要來(lái)自于外資企業(yè)或少數內資企業(yè)。高層電路板的生產(chǎn)不僅需要較高的技術(shù)和設備投入，更需要技術(shù)人員和生產(chǎn)人員的經(jīng)驗積累，同時(shí)導入高層板客戶(hù)認證手續嚴格且繁瑣，因此高層電路板進(jìn)入企業(yè)門(mén)檻較高，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)周期較長(cháng)。PCB平均層數已經(jīng)成為衡量PCB企業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)品結構的重要技術(shù)指標。本文簡(jiǎn)述了高層電路板在生產(chǎn)中遇到的主要加工難點(diǎn)，介紹了高層電路板關(guān)鍵生產(chǎn)工序的控制要點(diǎn)，供同行參考與借鑒。

    一、主要制作難點(diǎn)

    對比常規電路板產(chǎn)品特點(diǎn)，高層電路板具有板件更厚、層數更多、線(xiàn)路和過(guò)孔更密集、單元尺寸更大、介質(zhì)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(diǎn)

    由于高層板層數多，客戶(hù)設計端對PCB各層的對準度要求越來(lái)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(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(xiàn)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，對內層線(xiàn)路制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(xiàn)路制作難度。線(xiàn)寬線(xiàn)距小，開(kāi)短路增多，微短增多，合格率低；細密線(xiàn)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(guò)機時(shí)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(jià)相對高。

    1.3  壓合制作難點(diǎn)

    多張內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。在設計疊層結構時(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，并設定合理的高層板壓合程式。層數多，漲縮量控制及尺寸系數補償量無(wú)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(wèn)題。圖1是熱應力測試后出現爆板分層的缺陷圖。

    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。層數多，累計總銅厚和板厚，鉆孔易斷刀；密集BGA多，窄孔壁間距導致的CAF失效問(wèn)題；因板厚容易導致斜鉆問(wèn)題。

    二、 關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制

    2.1  材料選擇

    隨著(zhù)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(mǎn)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(jiàn)表1。對于高層厚銅電路板選用高樹(shù)脂含量的半固化片，層間半固化片的流膠量足以將內層圖形填充滿(mǎn)，絕緣介質(zhì)層太厚易出現成品板超厚，反之絕緣介質(zhì)層偏薄，則易造成介質(zhì)分層、高壓測試失效等品質(zhì)問(wèn)題，因此對絕緣介質(zhì)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(zhì)層厚度等，應遵循以下主要原則。

    (1) 半固化片與芯板廠(chǎng)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) 當客戶(hù)要求高TG板材時(shí)，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(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(hù)無(wú)特別要求，層間介質(zhì)層厚度公差一般按+/-10%控制，對于阻抗板，介質(zhì)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(guān)，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(chǎn)尺寸控制，需要通過(guò)一定的時(shí)間在生產(chǎn)中所收集的數據與歷史數據經(jīng)驗，對高層板的各層圖形尺寸進(jìn)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(zhì)的關(guān)鍵，控制壓合流膠和冷卻效果，減少層間錯位問(wèn)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(xiàn)路工藝

    由于傳統曝光機的解析能力在50μm左右，對于高層板生產(chǎn)制作，可以引進(jìn)激光直接成像機(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，層間對位精度大于50μm。采用高精度對位曝光機，圖形對位精度可以提高到15μm左右，層間對位精度控制30μm以?xún)?，減少了傳統設備的對位偏差，提高了高層板的層間對位精度。

    為了提高線(xiàn)路蝕刻能力，需要在工程設計上對線(xiàn)路的寬度和焊盤(pán)(或焊環(huán))給予適當的補償外，還需對特殊圖形，如回型線(xiàn)路、獨立線(xiàn)路等補償量做更詳細的設計考慮。確認內層線(xiàn)寬、線(xiàn)距、隔離環(huán)大小、獨立線(xiàn)、孔到線(xiàn)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(xiàn)、阻抗線(xiàn)設計補償是否足夠，蝕刻時(shí)控制好參數，首件確認合格后方可批量生產(chǎn)。為減少蝕刻側蝕，需對蝕刻液的各組藥水成分控制在佳范圍內。傳統的蝕刻線(xiàn)設備蝕刻能力不足，可以對設備進(jìn)行技術(shù)改造或導入高精密蝕刻線(xiàn)設備，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、熱熔與鉚釘結合，不同產(chǎn)品結構采用不同的定位方式。對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沖孔機沖出定位孔，沖孔精度控制在±25μm。熔合時(shí)調機制作首板需采用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，以防止后續分層，壓合設備采用高性能配套壓機，滿(mǎn)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，研究合適的壓合程序，設定佳的升溫速率和曲線(xiàn)，在常規的多層電路板壓合程序上，適當降低壓合板料升溫速率，延長(cháng)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、層間錯位等問(wèn)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；保證漲縮系數給定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需采用相應的板材半固化片參數壓合，從未使用過(guò)的特殊材料需要驗證工藝參數。

    2.6  鉆孔工藝

    由于各層疊加導致板件和銅層超厚，對鉆頭磨損嚴重，容易折斷鉆刀，對于孔數、落速和轉速適當的下調。精確測量板的漲縮，提供精確的系數；層數≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線(xiàn)距離≤0.175mm，采用孔位精度≤0.025mm 的鉆機生產(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)?。為改善高層厚銅板的鉆孔毛刺問(wèn)題，經(jīng)批量驗證，使用高密度墊板，疊板數量為一塊，鉆頭磨次控制在3次以?xún)?，可有效改善鉆孔毛刺，如圖2、圖3所示。

    對于高頻、高速、海量數據傳輸用的高層板，背鉆技術(shù)是改善信號完整有效的方法。背鉆主要控制殘留stub長(cháng)度，兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內銅絲等。不是所有的鉆孔機設備具有背鉆功能，必須對鉆孔機設備進(jìn)行技術(shù)升級(具備背鉆功能)，或購買(mǎi)具有背鉆功能的鉆孔機。從行業(yè)相關(guān)文獻和成熟量產(chǎn)應用的背鉆技術(shù)主要包括：傳統控深背鉆方法、內層為信號反饋層背鉆、按板厚比例計算深度背鉆，在此不重復敘述。

    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(shí)，需要的熱量更多，所經(jīng)歷的焊接高溫時(shí)間要長(cháng)。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慢，因此過(guò)回流焊測試的時(shí)間延長(cháng)，并結合IPC-6012C、 IPC-TM-650標準以及行業(yè)要求，對高層板的主要可靠性測試，如表2所述。

    四、結語(yǔ)

    對于高層電路板加工技術(shù)方面的研究文獻，業(yè)界相對少。本文介紹了材料選擇、疊層結構設計、層間對準度、內層線(xiàn)路制作、壓合工藝、鉆孔工藝等關(guān)鍵生產(chǎn)工序工藝控制要點(diǎn)，以提供同行參考與了解，希望更多的同行參與高層電路板的技術(shù)研究和交流。

來(lái)源：高層電路板的關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制