多层印制板层压工艺技术及品质控制

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多层印制板层压工艺技术及品质控制（二）
3 层压过程之品质控制简介
    3．1 前定位系统层压过程品质控制
    3．1．1 半固化片来料品质控制
    凡新购进的1080型或2116型半固化片，为掌握压制的具体工艺方案和检验材料是否符合要求，应对材料性能进行测定。在材料入库保存期超过三个月后，由于材料随着存放期延长产生老化现象，也应进行测试以判定材料是否适合生产需要。具体性能测试有树脂含量测试、树脂流动度测试、挥发物含量测试和凝胶化时间测试。
    (1)树脂含量测试
    ①取样
    试样为正方形，其对角线平行于经纱斜切而成，尺寸为4×4英寸，共计三组，每组重量大于7克。其中一组切自半固化片的中央部位，另两组分别切自半固化片的两侧，但到边缘的距离不得小于1英寸。
    ②测试
    把试样放入坩埚中(坩埚应先称重)一起称重，精确至1mg，连同坩埚放入马福炉中加温至500~600℃，灼烧时间不少于30分钟，从炉中取出坩埚和残渣，放入干燥器里，冷却至室温，称重量精确至1mg。
    注：炉温应控制在不造成玻璃布有熔融现象，而且树脂应完全灼烧呈全白状态，否则应延长时间或调整温度重新制作。
    ③计算
    G(％)＝(m1—m2)/m1×100
    式中：G——半固化片树脂含量百分数；m1—试样重量；m2—失去树脂后玻璃布重量。
    ④记录
    将测试的三组试样，分别记录结果。
    说明：如果没有马福炉，可作一般精度的测试。样品用浓硫酸将树脂彻底溶解后，用水洗涤干净，100~110℃烘干，取样品原重与失去树脂后重量，按上述公式计算。
    (2)树脂流动度测试
    ①取样
    试样为正方形，边长4×4英寸，精确至0.01英寸，切割方向为对角线平行于经纱斜切，样品总重20克为一组，共3组。重量精确至0．005克。
    ②测试
    每组以布纹方向一至叠合在一起，放于两平板模具内，压机预热至170±5℃，入模立即施压力(1—1.5)×106Pa/cm2，压力升至最大值约为5秒钟，保温保压20分钟，开机取件冷却至室温。
    切取一个正方形，其边与试样对角线平行，边长为2倍的2的平方根±0.01英寸，或切成3．192±0．01英寸的圆，圆心为试样对角线交点。
    用分析天平称取小方块重量，精确至0．005克。
    ③计算
    n(％)＝(m1—2m2)／m1×100
    式中：n——树脂流动度；m1——试样切片初始重量(20)；m2——小块取样的重量。
    (3)挥发物含量测试
    ①取样
    试样为正方形半固化片，尺寸为4×4英寸，裁切方向为对角线平行于经纱，每个试样的一个角冲上一个直径1／8英寸(3．175mm)孔，每种半固化片切取三块试样，切取试样时，两边离半固化片边缘距离不小于1英寸。
    ②测试
    用分析天平称试样重量，精确至1mg。然后用金属小钩把试样挂在163±2℃的恒温鼓风干燥箱内15分钟。从烘箱中取出试样置于干燥器里冷却至室温。用分析天平对试样称重时，环境相对湿度应低于65％，快速称重，精确至1mg。
    ③计算
    W(％)＝(m1—m2)／m1×100
    式中：W——挥发份百分数；m1——干燥前试样重量，g；m2——干燥后试样重量，g。
    (4)凝胶化时间测试
    ①测定用设备
    凝胶化时间测试仪。
    ②取样
    按前同样方法裁切200mm×200mm试样三张。
    ③测定
    取一张半固化片试样，从中取出树脂粉约0．15克，放入已加热恒温在170±3℃的钢板平底孔中，用不锈钢或玻璃棒搅拌，从熔融状态直至拉起树脂能成为不断的丝状物，即为已固化。记录树脂粉由熔融状态至能拉起树脂间的时间，即为凝胶化时间。三件试样分三次测试，取三次时间的算术平均值为准。(在每做完一次测试后，应立即消除废胶，清洁平底孔。)
    3．1.2 内层单片黑化质量控制
    3．1．2．1 微蚀速率控制范围及方法
    (1)控制范围：1．0-2.0μm／cycle
    (2)测试方法：
    a.FR—4双面无钻孔基板，并清洁其表面；
    b.切成10cm×10cm试片，并钻一小孔；
    c.100℃下烘10min，并在干燥器中冷却至室温；
    d.称重W1；
    e．微蚀液中处理，清洗并在100℃下干燥10min；
    f．在干燥器中冷却至室温；
    g．称重W2；
    h．微蚀速率＝(W1-W2)／5.6（μm／cycle）
    3．1．2．2 黑化称重控制范围及方法
    (1)控制范围：0.2—0．35mg/cm2
    (2)测试方法：
    a.FR-4双面无钻孔基板，切成7．2cm×7．2cm试面；
    b．随生产板挂入缸内，黑化水洗后取出；
    c．100℃下烘10min，并在干燥器中冷却至室温；
    d．称重W1；
    e．用10％H2SO4溶掉黑膜，水洗净；
    f：100℃下烘10min，并在干燥皿中冷却至室温；
    g．称重W2；
    h．黑化称重＝(W1-W2)mg／100cm2。
    3．1．2．3 内层单片黑化操作过程控制记录(参见下表4)
表 4 多层印制板内层黑化操作过程控制表
令  号        图  号        数  量        图形面积
                       
                       
                       
                       
                       
                       
总图形面积：
操作参数控制
温 度        除 油        微 蚀        预 浸        黑 化        还  原
                                       
备 注：操作者：                      监控者：年   月    日

    3．1．2．4 增加内层结合力、减少楔形空洞及粉红圈缺陷的产生
    在制造多层印制板的制程中，许多年以来，铜表面的氧化(或黑氧化)工艺是内层板铜表面处理所普遍采用的标准。由于处理后的表面状况，铜的氧化层表面对于内层单片与半固化片间提供了较高的结合力。但随着印制电路技术的发展（如更高的层数、更细的线宽及间距、更小的孔径和盲孔的出现），传统的黑氧化技术竭尽所能而难再上一层楼。
    此外，新的印制板制造工艺技术的出现，如直接电镀技术的迅猛发展，对黑氧化提出了更高的要求。在传统的多层印制板PTH制程中，多层板内层孔环之黑化层侧缘，常受到各种强酸槽液的横向攻击，其微切片截面上会出现三角形的楔形缺口，称为楔形空洞(Wedge Void)。若黑化层被侵蚀得较深入时，甚至会出现板外也可见到的粉红圈(Pink Ring)。对于这种Wedge Void发生的比例，“直接电镀”要比传统的“化学沉铜”发生的更多，原因是化学沉铜槽液为碱性，较不易攻击黑化膜，而直接电镀流程(含钯系、高分子系或碳粉系等)多由酸槽组成，在既无化学沉铜层之迅速沉积层，又无电镀铜之及时保护下，一旦黑化层被攻击成破口时，将会出现Wedge Void，直至出现Pink Ring。
    (1)鉴于上述原因，安美特公司推出了旨在提高多层板层间结合力的“Multibond体系”。具体流程如下：
    除油→微蚀→活化→黑氧化→还原(Multibond SR)→增强(Multibond Enhancer)
    通过使用Multibond SR和Multibond Enhancer改进并发展了Multibond处理工艺，可有效增加对酸侵蚀的抵抗力。
    Multibond SR作为还原液能将在氧化浴中形成的氧化铜(或氧化亚铜)还原成金属铜：
    Cu2+十2e-→Cu°
    Cu+十le-→Cu°
    试验证明，氧化表面未经还原处理，则有粉红圈现象；而氧化表面经Multibond SR还原处理后，则没有粉红圈现象产生。
    当还原处理后的板处于湿、热环境下时，再次被氧化的可能性很大。Multibond Enhancer专门被用来阻止经Multibond SR还原处理后的表面再次被氧化。其结果是，经Multibond Enhancer处理后，抵抗酸侵蚀的能力得到了进一步的提高、黑化处理后板直至层压这一段的存放时间得以延长、消灭了粉红圈现象、在随后进行的制程中无楔形空洞出现。
    (2)宝利得科技有限公司(Polyclad Technologies)针对粉红圈现象的产生，也提出了相应的对策。在传统的黑氧化制程上，增加黑氧化后处理，采用黑氧化还原剂(Enbond Xtra)进行，也达到了提高结合力，消灭了粉红圈现象的出现。
    (3)为进一步解决多层板内层之黑化膜易受酸液攻击，而出现楔形空洞与粉红圈；黑氧化结晶之厚度不易掌控，细密线路中容易出现短路，内层板厚度小于0．2mm，造成制作上持取的难题。安美特公司新近推出了水平棕化的Bondfilm制程，并开发了薄板输送与槽液喷流技术。它具有以下特点：
    ①仅需三站、数分钟内即可完成全部处理，省水、省电；
    除油(BondFilmTM Cleaner) →活化(BondFilmTM Activator)→BondFilm(BondFilmTM Part A十B)
    ②可高速稳定的进行超薄板(50μ)的制作；
    ②具有最佳的有机金属膜之耐酸性，见下表5；
表 5 有机金属膜之耐酸性对比
        Non Reduced Oxide        Reduced Oxide        BondFilm
Acid resistance（secs）        3~5        70~80        >400

    ④可提高内层的固着力；
    ⑤增长压合前所需的等待时间；
    ⑧操作范围宽广，药液寿命长。
    3．1.3 正式生产前之试压
    为保证多层印制板的层压质量，每批半固化片投产压制前，应拟订具体压制的工艺方案进行试压，试件进行厚度测量、耐焊性能试验、分层起泡状态的评定及抗弯强度测量，符合产品性能要求后，方可正式进行产品压制。(试压用的内层单片可用同批产品中有断线、图形精度超差等废品板，但其它处理工艺完全符合成品单片要求。)
    3.1．4 层压板之质量控制要数
    (1)层压后板面铜箔与绝缘基材的粘接强度测试；
    (2)将外层铜蚀刻掉，检查多层板内层应无肉眼可见的分层、起泡、显露布纹、露纤维和起白斑；
    (3)耐浸焊性：260±6℃的焊锡或硅油中浸渍20秒钟，无分层起泡现象；
    (4)压制件应保留足够的胶量，板子的静抗弯强度不低于1.6×108Pa；
    (5)内层图形相对位置和各层连接盘的同心度必须符合设计要求；
    (6)压制后的多层板厚度应符合设计图纸或工艺卡的具体规定；
    (7)板面应平整，其扭曲或弓曲最大量为对角线的0．5％；
    (8)外层铜箔上应无环氧树脂、脱模剂或其他油脂污染，铜箔表面应无划伤的痕迹，无杂质造成的压坑；
    (9)粘结层内应无灰尘、外来物等异物；
    (10)废边切除不得损坏定位孔，外边与孔口距离不少于3mm。压制的流胶也不得损坏定位孔，孔口无流胶引起的凸起现象；
    (11)凡因装模引起的位置颠倒、层间错位不重合，在后道工序(蚀刻后)可观测到时，均属压制废品。
    3．1．5 多层板层压操作过程控制记录（参见下表6）

表 6 多层印制板层压过程控制表
操作者_____________________        监控者 __________________

工作令号                制造时间       
层  数                生产数量       
面  积                叠板数       
半固化片代号                半固化片张数       
压板机号                牛皮纸数量       
初压时间        初压压力        全压时间        全压压力        压制温度        真  空        备  注
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               

    3.1.6 针对多层印制板翘曲的几项措施
    由于PCB产生翘曲的因素很多且复杂，PCB翘曲度大多是诸多因素综合的结果。以下仅从多层印制板制作的工艺角度进行简单介绍：
    (1)在不影响板厚的前提下，尽量选用厚度大的环氧玻璃布基材以及半固化片。厚度大的玻璃布意指单股粗织成的玻璃布，在织布和浸渍树脂的过程中抗张强度大，拉伸小，因而其热应力小，制成的PCB翘曲度小。
    (2)在内层单片进行图形制作前，需进行应力释放之预烘处理。一般控制温度在120℃左右，烘烤4小时，待其冷至室温后再出板。
    (3)排板操作时，半固化片需对称铺设。半固化片是由玻璃布涂覆环氧树脂而成的，玻璃布的经向在织布、涂覆树脂、烘干等过程中，均处于张力状态，因而经向的热膨胀系数大于纬向的热膨胀系数；同时，上、下两面之热膨胀系数也有差别。因此，采用对称原理铺设半固化片，由于镜面效应应使热应力互补或抵消。可明显降低多层印制板的翘曲度。
    如一种四层板的排板方式：H27—33(2／2)—72H。其中：“2”代表半固化片1080，“7”代表半固化片7628，“H”指铜箔厚度为0．50Z，“33”为内层单片的厚度(33mil)，“(2／2)”指内层单片表面铜箔厚度为20Z。
    (4)考虑到内层单片与半固化片之经纬向匹配问题对多层印制板翘曲度的影响，对采用四槽销钉定位的6种规格尺寸的内层单片、半固化片及铜箔的下料方式、尺寸等绘制了简单示意图(参见图二)，便于过程质量控制。
图 二 多层板内层单片、半固化片、铜箔下料方式示意（单位：cm，未注尺寸）
1、多层板尺寸：305 X 254（12'' X 10''）         
（1）单片：40''X 48''       
下料方式：       
数量：4 X 4=16块       
（2）半固化片       
尺寸：265 X 314.25(1257/4=314.25)       
(3)铜箔尺寸：315 X 265       
2、多层板尺寸：330 X 280(13'' X 11'')         
(1)单片：40'' X 48''       
下料方式：       
数量：3 X 4=12块       
（2）半固化片       
1257/4-314.25（314.25-290)X4=97.00(去掉）       
尺寸：340 X 290       
3、多层板尺寸：406 X 305(16''X 12'')         
(1)单片：36''X 48''       
下料方式：       
数量：3 X 3=9块       
（2）半固化片：       
尺寸：419 X 315(1257/3=419)       
(3)铜箔尺寸：415 X 315       
4、多层板尺寸：356 X 255(14''X 10'')         
(1)单片：40''X 48''       
下料方式：       
数量：4 X 3=12块       
（2）半固化片       
1257/3=419（419-365）X 3=162（去掉）       
尺寸：365 X 265       
（3）铜箔尺寸：365 X 265       
5、多层板尺寸：457 X 365(18''X 14'')         
(1)单片：36''X 48''       
下料方式：       
数量：2 X 3=6块       
（2）半固化片       
1257/3=419（419-365）X 3=162（去掉）       
尺寸：470 X 365       
(3)铜箔尺寸：470 X 365       
6、多层板尺寸：560 X 485(22'' X 19'')         
(1)单片：40''X 48''       
下料方式：       
数量：2 X 2=4块       
（2）半固化片       
1257/2=628.5（628.5-570）X 2=117（去掉）       
尺寸：570 X 495       
（3）铜箔尺寸：570 X 495       

    (5)层压过程中，施压方式和压力大小对层压板的翘曲度有较大影响。试验证明：在采取两段加压方式(低压8~10分钟，高压90分钟。)进行层压操作时，若将高压阶段之后30分钟进行适当降压处理(热压压力下降约20％)，有利于消除高压产生的机械应力，均衡基板压合时因压力损降不同而造成之不同区域残余应力间的差异，对改善基板之尺寸稳定性及翘曲十分有利。
    (6)导制层压板翘曲的应力主要由温度和压力的差异所引起。影响印制板上温度均匀分布的因素主要有：温升速率、印制板层数和印制板大小等。升温速度快、生产印制板的层数多、印制板的面积大都容易引起温度差异。尽管采用缓冲纸或硅橡胶垫可以缓解此差异，但仍不能消除。温度高的地方先固化，而温度低的地方仍处于熔融状态，这样就形成了一个“bottom stress”，这就是形成翘曲的原因。因此，热压时需根据具体情况采取一定的温升速率(一般控制在4~8℃／min)，这对基板的尺寸稳定性和避免翘曲的产生是有利的。
    (7)热压操作后的冷压操作，对降低翘曲度有较大作用。由于铜箔、玻璃布及环氧树脂的热膨胀系数的差异，必须采用适当的降温速率，使固化后的树脂有一定时间来松弛残余热应力，特别是固化树脂的玻璃态转化温度附近，应尽可能使用较低的降温速率。
    (8)印制板在其整个生产过程中，总会存在残余应力而导致PCB翘曲。采用热压释放残余应力、改善PCB翘曲度，是目前普遍应用的方法。由于PCB在层压后或加工中的残余应力为束缚状而非松弛态，即层压板的翘曲度还未充分表现出来。如果在一定的加热条件下，适当加上一定的压力来“诱导”残余应力，使其延着水平(x、Y)方向释放，但抑制或阻止Z方向的释放。这样做可明显改善PCB的翘曲度。(采用热压释放残余应力的压力，一般为层压压力的1/4—1／5。)
    (9)层压时，各基板间所用之金属隔板的种类对层压板的翘曲度有一定影响。其主要有以下作用：
    ①均匀分布热量，解决由于各层铜量分布不均所造成的传热均勺性问题。因受热不均会造成树脂固化不均而引起之压合后基板翘曲；
    ②隔离每个opening间的多层板，以使压合后之板能容易分开。
    鉴于上述作用，除要求其硬度高、平整性好外，更重要的是其传热性要好，热膨胀系数比较接近环氧树脂以减小热作用界面间的热应力。比较环氧树脂坡璃布极、铝板和钢饭之热膨胀系数值(环氧树脂玻璃布板为12．8×10-6m／℃；铝板为22．4×10-6m/℃；314#钢板为14．2×10-6m/℃)，试验表明还是选用钢板作为隔板，对基板翘曲程度的影响较小。
    3．2 后定位系统层压过程品质控制
    3．2．1 半固化片来料品质控制
    每批半固化片均需进行凝胶化时间、树脂含量、树脂流动度的测试，并进行试压后兰固化片厚度的度量。参见下表7、8、9和表10。

表 7 半固化片凝胶化时间接受标准（175±5℃）
半固化片类型        要求（秒）
1080        135~165
2116        135~165
7628        135~165
106        135~165
2113        130~170
1080（高树脂含量）        135~165
Core7628        130~180

表 8 半固化片树脂含量接受标准（175±5℃）
半固化片类型        要求（%）
1080        61~65
2116        50~54
7628        41~45
106        71~75
2113        52~58
1080（高树脂含量）        63~67
Core7628        37.5~42.5

    注：（1）取样量大于7克；
        （2）浸没入硫酸中至少24小时；
        （3）水洗，并在105℃烘干2~2.5小时。

表 9 半固化片树脂流动度接受标准
半固化片类型        要求（%）
1080        28~38
2116        20~30
7628        18~28
106        35~45
2113        25~35
1080（高树脂含量）        30~40
Core7628        15.5~23.5

    注：(1)取样为4×4英寸，距边不小于1英寸；
        (2)层压温度为171℃，压力为200psi，时间为10~16分钟；
        (3)第二次取样为直径3．192英寸的圆。
表10 半固化片固化后厚度接受标准
半固化片类型        要求（%）
1080        2.5~3.5
2116        4.0~5.0
7628        6.6~7.6

    注：(1)压制温度171℃，压力为200psi，时间为30分钟。

老高

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