多层PCB的设计和主要制作难点

summerhotaaa · 发表于 2022-5-13 14:57

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多层线路板一般定义为10层——20层或以上的高多层线路板，比传统的多层线路板加工难度大，其品质可靠性要求高，主要应用于通讯设备、高端服务器、医疗电子、航空、工控、军事等领域。近几年来，应用通讯、基站、航空、军事等领域的高层板市场需求仍然强劲，而随着中国电信设备市场的快速发展，高层板市场前景被看好。目前国内能批量生产高层线路板的PCB厂商，主要来自于外资企业或少数内资企业。高层线路板的生产不仅需要较高的技术和设备投入，更需要技术人员和生产人员的经验积累，同时导入高层板客户认证手续严格且繁琐，因此高层线路板进入企业门槛较高，实现产业化生产周期较长。PCB平均层数已经成为衡量PCB企业技术水平和产品结构的重要技术指标。本文简述了高层线路板在生产中遇到的主要加工难点，介绍了高层线路板关键生产工序的控制要点，供大家参考。
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一、主要制作难点

对比常规线路板产品特点，高层线路板具有板件更厚、层数更多、线路和过孔更密集、单元尺寸更大、介质层更薄等特性，内层空间、层间对准度、阻抗控制以及可靠性要求更为严格。1.1 层间对准度难点由于高层板层数多，客户设计端对PCB各层的对准度要求越来越严格，通常层间对位公差控制±75μm，考虑高层板单元尺寸设计较大、图形转移车间环境温湿度，以及不同芯板层涨缩不一致性带来的错位叠加、层间定位方式等因素，使得高层板的层间对准度控制难度更大。1.2 内层线路制作难点高层板采用高TG、高速、高频、厚铜、薄介质层等特殊材料，对内层线路制作及图形尺寸控制提出高要求，如阻抗信号传输的完整性，增加了内层线路制作难度。线宽线距小，开短路增多，微短增多，合格率低;细密线路信号层较多，内层AOI漏检的几率加大;内层芯板厚度较薄，容易褶皱导致曝光不良，蚀刻过机时容易卷板;高层板大多数为系统板，单元尺寸较大，在成品报废的代价相对高。1.3 压合制作难点多张内层芯板和半固化片叠加，压合生产时容易产生滑板、分层、树脂空洞和气泡残留等缺陷。在设计叠层结构时，需充分考虑材料的耐热性、耐电压、填胶量以及介质厚度，并设定合理的高层板压合程式。层数多，涨缩量控制及尺寸系数补偿量无法保持一致性;层间绝缘层薄，容易导致层间可靠性测试失效问题。图1是热应力测试后出现爆板分层的缺陷图。

1.4 钻孔制作难点采用高TG、高速、高频、厚铜类特殊板材，增加了钻孔粗糙度、钻孔毛刺和去钻污的难度。层数多，累计总铜厚和板厚，钻孔易断刀;密集BGA多，窄孔壁间距导致的CAF失效问题;因板厚容易导致斜钻问题。
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二、关键生产工序控制

2.1 材料选择随着电子元器件高性能化、多功能化的方向发展，同时带来高频、高速发展的信号传输，因此要求电子电路材料的介电常数和介电损耗比较低，以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆铜板材料，以满足高层板的加工和可靠性要求。常用的板材供应商主要有A系列、B系列、C系列、D系列，这四种内层基板的主要特性对比，见表1。对于高层厚铜线路板选用高树脂含量的半固化片，层间半固化片的流胶量足以将内层图形填充满，绝缘介质层太厚易出现成品板超厚，反之绝缘介质层偏薄，则易造成介质分层、高压测试失效等品质问题，因此对绝缘介质材料的选择极为重要。

2.2 压合叠层结构设计在叠层结构设计中考虑的主要因素是材料的耐热性、耐电压、填胶量以及介质层厚度等，应遵循以下主要原则。

(1) 半固化片与芯板厂商必须保持一致。为保证PCB可靠性，所有层半固化片避免使用单张1080或106半固化片(客户有特殊要求除外)，客户无介质厚度要求时，各层间介质厚度必须按IPC-A-600G保证≥0.09mm。

(2) 当客户要求高TG板材时，芯板和半固化片都要用相应的高TG材料。

(3) 内层基板3OZ或以上，选用高树脂含量的半固化片，如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ;但尽量避免全部使用106 高胶半固化片的结构设计，以防止多张106半固化片叠合，因玻纤纱太细，玻纤纱在大基材区塌陷而影响尺寸稳定性和爆板分层。

(4) 若客户无特别要求，层间介质层厚度公差一般按+/-10%控制，对于阻抗板，介质厚度公差按IPC-4101 C/M级公差控制，若阻抗影响因素与基材厚度有关，则板材公差也必须按IPC-4101 C/M级公差。

2.3 层间对准度控制内层芯板尺寸补偿的精确度和生产尺寸控制，需要通过一定的时间在生产中所收集的数据与历史数据经验，对高层板的各层图形尺寸进行精确补偿，确保各层芯板涨缩一致性。选择高精度、高可靠的压合前层间定位方式，如四槽定位(Pin LAM)、热熔与铆钉结合。设定合适的压合工艺程序和对压机日常维护是确保压合品质的关键，控制压合流胶和冷却效果，减少层间错位问题。层间对准度控制需要从内层补偿值、压合定位方式、压合工艺参数、材料特性等因素综合考量。

2.4 内层线路工艺由于传统曝光机的解析能力在50μm左右，对于高层板生产制作，可以引进激光直接成像机(LDI)，提高图形解析能力，解析能力达到20μm左右。传统曝光机对位精度在±25μm，层间对位精度大于50μm。采用高精度对位曝光机，图形对位精度可以提高到15μm左右，层间对位精度控制30μm以内，减少了传统设备的对位偏差，提高了高层板的层间对位精度。为了提高线路蚀刻能力，需要在工程设计上对线路的宽度和焊盘(或焊环)给予适当的补偿外，还需对特殊图形，如回型线路、独立线路等补偿量做更详细的设计考虑。确认内层线宽、线距、隔离环大小、独立线、孔到线距离设计补偿是否合理，否则更改工程设计。有阻抗、感抗设计要求注意独立线、阻抗线设计补偿是否足够，蚀刻时控制好参数，首件确认合格后方可批量生产。为减少蚀刻侧蚀，需对蚀刻液的各组药水成分控制在最佳范围内。传统的蚀刻线设备蚀刻能力不足，可以对设备进行技术改造或导入高精密蚀刻线设备，提高蚀刻均匀性，减少蚀刻毛边、蚀刻不净等问题。

2.5 压合工艺目前压合前层间定位方式主要包括：四槽定位(Pin LAM)、热熔、铆钉、热熔与铆钉结合，不同产品结构采用不同的定位方式。对于高层板采用四槽定位方式(Pin LAM)，或使用熔合+铆合方式制作，OPE冲孔机冲出定位孔，冲孔精度控制在±25μm。熔合时调机制作首板需采用X-RAY检查层偏，层偏合格方可制作批量，批量生产时需检查每块板是否熔入单元，以防止后续分层，压合设备采用高性能配套压机，满足高层板的层间对位精度和可靠性。根据高层板叠层结构及使用的材料，研究合适的压合程序，设定最佳的升温速率和曲线，在常规的多层线路板压合程序上，适当降低压合板料升温速率，延长高温固化时间，使树脂充分流动、固化，同时避免压合过程中滑板、层间错位等问题。材料TG值不一样的板，不能同炉排板;普通参数的板不可与特殊参数的板混压;保证涨缩系数给定合理性，不同板材及半固化片的性能不一，需采用相应的板材半固化片参数压合，从未使用过的特殊材料需要验证工艺参数。

2.6 钻孔工艺由于各层叠加导致板件和铜层超厚，对钻头磨损严重，容易折断钻刀，对于孔数、落速和转速适当的下调。精确测量板的涨缩，提供精确的系数;层数≥14层、孔径≤0.2mm或孔到线距离≤0.175mm，采用孔位精度≤0.025mm 的钻机生产;直径φ4.0mm以上孔径采用分步钻孔，厚径比12:1采用分步钻，正反钻孔方法生产;控制钻孔披锋及孔粗，高层板尽量采用全新钻刀或磨1钻刀钻孔，孔粗控制25um以内。为改善高层厚铜板的钻孔毛刺问题，经批量验证，使用高密度垫板，叠板数量为一块，钻头磨次控制在3次以内，可有效改善钻孔毛刺，如图2、图3所示。

对于高频、高速、海量数据传输用的高层板，背钻技术是改善信号完整有效的方法。背钻主要控制残留stub长度，两次钻孔的孔位一致性以及孔内铜丝等。不是所有的钻孔机设备具有背钻功能，必须对钻孔机设备进行技术升级(具备背钻功能)，或购买具有背钻功能的钻孔机。从行业相关文献和成熟量产应用的背钻技术主要包括：传统控深背钻方法、内层为信号反馈层背钻、按板厚比例计算深度背钻，在此不重复叙述。
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三、可靠性测试

高层板一般为系统板，比常规多层板厚、更重、单元尺寸更大，相应的热容也较大，在焊接时，需要的热量更多，所经历的焊接高温时间要长。在217℃(锡银铜焊料熔点)需50秒至90秒，同时高层板冷却速度相对慢，因此过回流焊测试的时间延长，并结合IPC-6012C、 IPC-TM-650标准以及行业要求，对高层板的主要可靠性测试，如表2所述。