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PCB多层板层压偏位及其它影响偏位的因素


一、多层板层间偏位

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多层板层间对位偏差包含层与层之间重合度偏差、内外层环宽偏差两个概念,两者既密切相关又有区别。但我们最关心的是环宽的问题,除了外层环宽保证外,还要特别注意内层环宽问题,这关系到多层板内层电气互连可靠性的问题,也是讨论多层板层间偏差的重要依据。

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有关内层环宽的规定和定义:

对于多层板内层功能性(即指与导线相连接)连接盘在钻孔后可能出现的情况有三种情况:

第一、为理想情况,即环宽处处相等尺寸;

第二、为最小环宽处≥0.05mm的情况;

第三、为最小处为0(相切)情况,也即破盘情况。

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根据ANSI/IPC-ML-950C和MIL-P-55110等有关规定,为了确保多层印制板内层电气互边的可靠性,多层板内层(特别是功能性连接盘)的环宽最小处应≥0。05mm,对于重要的电子设备和军用品不允许破盘或钻孔与连接盘相切的情况出现。这是因为一旦破盘或相切处于功能性连接盘的内边导线处时,将会严重影响多层板电气互边的可靠性问题。其理由是:内连导线仅以其导线的截面积而显露于孔壁上,然后通过金属化孔的电镀与镀通孔孔壁直接连接。由于原基材铜箔层上的铜和镀层上的铜在特性上(物理上和化学上)产生差异,如化学沉积铜层较疏松、延展性较差等,这些将会造成该处电气互连的薄弱环节,再加上接触面少得多,会经不起热冲击和作用条件的要求而易于发生断裂,造成多层内层电气互连开路。这是电子设备的“要命”问题。

二、生产过程对位偏差的控制


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限定多层板对位偏差本质上是整个生产过程中其尺寸变化的分配和控制问题。因此首先要分析和掌握多层板生产过程中影响尺寸变化的因素;并找出哪些因素是主要矛盾和哪些因素是矛盾的主要方向,然后针对主要影响因素和影响因素的主要方面采取措施,严加控制来达到目的。
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各种因素的影响:

从多层板生产角度和长期实践经验的结果来看,多层板整个生产过程中影响其尺寸变化因素有:

☆多层板线路设计的合理性

☆内层覆铜箔层压尺寸稳定性

☆照相底片制作和作用过程中尺寸稳定性

☆多层定位系统的精确度

☆多层板层压过程尺寸的变化

☆数控钻床和钻孔精度的控制

☆多层板尺寸大小

☆环境条件(主要是温、湿度)

☆操作者水平等一系列因素。

三、多层板设计合理性


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对于高密度、小孔、高层、薄板的多层板(≥10层)来说,设计者通常是把电源层地层和信号层分开独立地占有某一整层或几层,由于内层各种功能性导体面积有相等,加上每一层上导体部分分布不均,形成局部区域导体密度很高而另一部分区域导体密度稀疏,甚至电、地层上留有局部大面积的铜箔区,而基材厚度很薄(如0.01mm),这些都会造成各层尺寸变化不一致和每一层上局部尺寸变化不相同(如引起X、Y方向收缩差异等)。以上种种导体不均匀设计结果会造成各层尺寸的差异而导致多层板层间对位的偏差,尽管完全布设是不现实的,但是更合理的布设是能做到的。
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 合理或理想的多层板导体布设主要是:各层面上铜导体的分布应尽量分配均匀,避免局部导体疏密差别悬殊过大,电、地层面上导体形成“网状”结构,不采用大面积或局部大面积铜箔结构,这样做还有利于层间结合力,为了改善薄片基材的刚性(利于表面处理)和层压时层间气体均匀流动填满导体间的间隔,从而改善层压时基材尺寸变化均匀性,每层面上四周边(成品加工框线外)应设计成交叉或“梅花状”而不是四周包围着整片铜箔,相邻层面的导线走向成90℃角或整体图形倾斜45℃角后互为垂直等等。

四、层压材料尺寸稳定性


    多层板层压材料是指制造内层用的覆铜箔基材(芯材)和用于内层间既起绝缘作用又起层间粘结作用的B-阶段粘结片等两种材料为主。前者是由铜箔、玻璃布和固化(C-阶段)了的树脂组成复合材料,后者是由玻璃布和B-阶程度的树脂组成的复合材料。为了掌握和控制这些层压材料尺寸稳定性情况必须了解各种材料的性能。

五、树脂材料


     Tg(玻璃化转变温度)高的树脂其固化(C-阶)前熔融状态粘度大,因此在固化阶段收缩较大,但是一旦固化完成之后,其整体尺寸稳定性好,易于控制。所以Tg高的聚酰亚胺、氰酸脂树脂的BT树脂比下Tg较低的环氧树脂来说,尽管进行固化过程中引起较大的尺寸收缩,但不会象环氧树脂那样常常引起(特别是内层线路制造和层压过程及以后加工过程,如HAL)不规则的局部尺寸不均匀收缩。树脂的热膨胀系数小于Tg温度下,膨胀一般为40~~80ppm/℃。由于树脂是作为绝缘填充和粘结作用物质而存在于覆铜箔层压材料B-阶粘结片之中,这就是说树脂是填充度粘结玻璃纤维布提方格细缝中,如果残留在玻璃纤维布上很薄仅起层间粘结作用时,在这种情况下,尽管树脂尺寸收缩较大,但它受到玻璃布机械阻隔挡式束缚作用,这样玻璃纤维布伸缩是主要的。对于铜箔来说,由于一般采用的为“ED”得到的并经过一系列处理,加上又薄(作为多层板用的一般为≤35um厚度)其尺寸变化是很小的,一般为5~~7ppm/℃。所以层压材料尺寸稳定性在很程度上是取决于玻璃纤维布。

六、玻璃纤维布材料


      玻璃纤维布对层压板基材尺寸稳定性有很大影响,对于同一类型玻璃纤维布(如E-玻璃纤维)来说有如下规律:玻璃丝直径和捻线越

粗,其刚性越好,抗树脂伸缩变化越强。因而其组成的层压板基材的尺寸稳定性越高,如“7628”玻璃纤维布(厚度为0。173mm)比起“1080”玻璃布(厚度为0。056mm)其尺寸稳定性约提高7~~8倍,玻璃布的经、纬向其尺寸稳定性也不同,由于形成玻璃布过程中经线方向受到强力拉伸作用而合尺寸伸长,同时组成布后一系列处理和浸渍树脂、烘烤等过程中一直受到强力拉伸着,而纬线受拉伸作用要小得多,因而在形成覆铜箔板和B-阶粘结片并用于制造多层板时便引起经线与纬线方向尺寸收缩不一致,一般来说,经线方向尺寸收缩要比纬线方向收缩大30~~50%。同时,玻璃纤维布厚时,由于抗拉作用强,其经纬方向的尺寸稳定性要好得多。

七、B-阶段粘结片


     多层板层间对位的偏差是指各个层面上铜导体图形位置变化(参照布设理想位置)的情况,而B-阶段粘结片表面无铜箔层,仅由玻璃纤维布和树脂来组成的,因而在多层板层压过程中对相邻铜箔导体图形仅起绝缘隔离填充和粘结作用。所以B-阶段粘结片与覆铜基板最大区别是:      ⑴表面无覆铜箔层,在层压过程中本身不存在着铜导体图形位移和尺寸变化问题。

  ⑵玻璃布的树脂处于B-阶段而不是处于C-阶段状态的树脂,这种树脂在多层板层压加热过程中会形成熔融状态并在一定压力而流动,排挤掉相邻层上导体间的间隙中的空气并填满把相邻的层粘结起来。总之在加热加压下完成固化反应和控制多层板厚度,很显然,B-阶段粘结片对多层板层间对位偏差的影响主要是通过树脂固化反应前流动和玻璃布尺寸变化影响,但是对于已固化(C-阶段)了的粘结力很强的覆铜箔基材形成的铜导体图形内层来说,B-阶段粘结片这种作用对相邻的导体图形层尺寸变化(含位移)的影响相对是很小的。正因为这样,冲制B-阶段粘结片的定位孔精度不必提出严格要求也不必冲制成相应的四槽位也进行“紧配合”形式,一般是制成比销钉孔尺寸更大的圆孔,以便装模叠层时轻松的套进四槽销钉上便可。

八、覆铜箔基材


     覆铜箔基材是用B-阶段粘结片和经处理过去时铜箔在加热加压下形成并固化了的芯材。它是形成多层板内层导体图形的基材。多层板层间对位度就是指这些内层导体位置变化程度。在形成多层板过程中它除了受B-阶段粘结片影响外,最主要的是取决于覆铜箔基材本身尺寸稳定性情况。影响覆铜箔基材尺寸稳定性因素很多,很复杂,主要是:

   ⑴.覆铜箔基材中树脂固化程度,在固化时与固化后由于树脂收缩大和玻璃布收缩中玻璃布经、纬线方向收缩差异等引起内应力和尺寸的变化。为了克服这些缺陷,剪裁后的覆铜箔基材在还没有表面处理前必须进行严格的烘烤。对于环氧树脂玻璃布的铜箔板材应在160~~170℃*4~~6h处理,为便于移转和防止损伤铜表面以及保证烘烤的均匀性,首先平放一光洁的钢板(或铝合金板)叠放覆铜箔基材至25~`30mm厚度,再盖上一块光洁的钢板,然后再叠放覆铜箔基材,这样重复3~`5层,最上面要压上钢板,平放于烘箱内烘烤。这种处理方法可使基材内部树脂进一步充分固化,充分消除内应力和提高尺寸稳定性。通过试验和长期生产实践表明可大大改善基材尺寸稳定性,一般其尺寸稳定性可提高1~~3倍。

   ⑵.覆铜箔基材中绝缘材料的厚度和结构,即玻璃布厚度(或类型)和树脂的含量问题。一般说来,玻璃布越厚、树脂含量越少,其尺寸稳定性越高,因此采用较厚的玻璃布和较低含量的树脂尺寸稳定性、提高层间对位度是有好处的。因此,在满足多层板厚度和可靠性要求下,覆铜箔基材的厚度尽量选取厚些(即用厚玻璃布),而B-阶段粘结片可选取薄些、树脂含量相对高些(保证填满相邻铜导体图形间隙并粘结牢固),这样既便于调节多层板厚度又有利于主体基材尺寸稳定性。

九、照相底片尺寸稳定性

    从照相底片结构可清楚地知道,照相底片尺寸稳定性是由基材尺寸稳定性来决定的,而不是由银盐、乳胶层等等来决定的,因此照相底片基材一般选用尺寸稳定性较好的聚酯(PET)材料为基体,而较厚的聚酯薄膜比较薄的聚酯薄膜尺寸稳定性好。同时,为了提高聚酯薄膜尺寸稳定性,聚酯薄膜要进行特殊处理,因为聚酯薄膜尺寸变化受温度、湿度变化的影响很大。温度控制可以通过房间温控(±1℃或更小到±0.5℃)和冷光源(如控温的曝光机或平行光曝光机)等达到较好的控制效果,而湿度要在小范围内(±3%RH)控制就困难得多,因此在聚酯薄膜表面进行“防潮”处理以提高其尺寸稳定性是一种有效的方法。如杜邦(Dupont)公司已提供的Dimension naster 高稳定性的底片,具有保护的乳胶层,其抗潮性能比没有处理过的一般底片其尺寸稳定性提高了3~~5倍。同时还可以避免工作时划伤照相底片。因此对于生产大尺寸和高密度精细导线的多层板应选用经过防潮处理的较厚0.18mm的照相底片,而不选取一般的或较薄(0.10mm)的照相底片。

十、内层制作和处理过程


     高层数多层板是采用薄的覆铜箔基材(0.1~~0.2mm)完成内层导体图形后再压制成多层板的,因此覆铜箔基材要经过清洁处理、图象转移、氧化处理、烤板、层压后固化等处理过程。由于基材很薄,这样易受温度(如烘干、烤烘、层压等)、湿度(如化学清洁、蚀刻和清洗等)和机械(如擦板)等因素的影响而引起基材尺寸变化。一般规律是:烘干、烘烤和固化要引起基材尺寸缩小,而湿法处理过程由于吸温要引起尺寸变化,这些变化一般在±2*10-4mm/mm之间。但不同材料其变化情况是不同的,变化程度也不一样,如FR-4在内层蚀刻烘干后尺寸变化小些,而BT(G200)和聚酰亚胺的基材其内层图形蚀刻烘干后尺寸变化应大些,而聚酰亚胺基材的内层烘烤之后尺寸缩小竟可达3*10-4mm/mm,如果以500mm的长度基材计算,则尺寸将收缩0.15mm,这对于生产高密度、小环宽(≤0.20mm理想环宽)不太现实。由于内层处理过程尺寸的变化,对于小尺寸的高密度多层板来说,影响较小,但对于大尺寸或拼板的高密度多层板,这种尺寸变化影响很大的。如以500*500mm的多层板为例,其X、Y方向的尺寸变化可达0.1mm以上,而对角线方向的尺寸变化应为2倍。因此,必须制定合理的处理工艺和制度,控制其尺寸变化,才能保证内层制作和处理过程的尺寸要求。


                                                                 PCB汇总--原创:起点培训合伙人姜鹏