制造四層PCB板的必備技術(shù)
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了電子設(shè)備向小型化、微型化、輕量化的方向飛速發(fā)展，同時(shí)由于集成電路高集成度化，對(duì)印制板的組裝密度和布線密度的要求也大大提高。因此裝載和連接這些元器件的印制板也由雙面向多層數(shù)發(fā)展。其中四層PCB板的應(yīng)用比較多，要求也就更加嚴(yán)格。
四層印制電路板與雙面印制板比較，其制造工藝更為復(fù)雜，技術(shù)要求也就更加嚴(yán)格。因此，在初次制造過(guò)程中，影響其產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，例如黑化、蝕刻、定位、層壓、鉆孔、金屬化、紅外熱熔等工序都比雙面板復(fù)雜。制造工藝具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)型號(hào)產(chǎn)品所采用四層印制電路板的特點(diǎn)，特制定如下工藝流程。
照相底片
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內(nèi)層薄片下料 → 烘烤 → 鉆定位孔 → 貼膜 → 曝光 → 顯影 → 蝕刻 → 退膜
照相底片
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內(nèi)層薄片下料 → 烘烤 → 鉆定位孔 → 貼膜 → 曝光 → 顯影 → 蝕刻 → 退膜
化學(xué)清洗 → 黑化處理 → 層壓 → 鉆孔 → 烘烤 → 孔金屬化 → 鍍銅加厚
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照相底片 半固化片＋外層薄片
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照相底片 半固化片＋外層薄片
制外層圖形 → 圖形電鍍 → 圖形電鍍錫鉛合金 → 退膜 → 蝕刻 → 熱熔 →成型
經(jīng)過(guò)研制生產(chǎn)出現(xiàn)比較多的問(wèn)題，其中比較主要有以下幾個(gè)方面，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：
一、紅外熱熔
?、?紅外熱熔工藝產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題－分層、起泡
有的型號(hào)電子產(chǎn)品技術(shù)要求采用錫鉛合金鍍層，它不僅用作圖形電鍍抗蝕層，更主要的提供保護(hù)層和焊接層。目前所采用圖形電鍍－蝕刻工藝，圖形蝕刻后印制板導(dǎo)線的兩側(cè)仍然是基體銅層，沒有得到保護(hù)，時(shí)間長(zhǎng)或在惡劣的工作環(huán)境條件，很容易產(chǎn)生氧化和腐蝕。另外由于在蝕刻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生側(cè)蝕，而使錫鉛鍍層部分懸空產(chǎn)生懸掛層，而且還容易脫落，導(dǎo)造導(dǎo)線之間的“橋接”而發(fā)生短路。
因此，采用熱熔工藝后的印制板表面與孔內(nèi)的焊料層重新再結(jié)晶呈現(xiàn)光亮，并且有效地保護(hù)導(dǎo)線的兩側(cè)露銅處，不但提高連接點(diǎn)的可焊性，又保證了元器件焊接的可靠性。但由于采用的紅外熱熔工藝熱熔多層板表面與孔內(nèi)焊接層時(shí)，由于溫度比較高，層壓板產(chǎn)生了層與層之間的分層和氣泡，當(dāng)時(shí)產(chǎn)品的成品率很低。為此，對(duì)所產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析。
?、?紅外熱熔后基板分層起泡的分析
當(dāng)時(shí)重點(diǎn)的就是對(duì)壓制過(guò)程進(jìn)行分析，初始認(rèn)為原因可能出自壓制過(guò)程中氣體沒有完全驅(qū)除，因而在紅外熱熔過(guò)程中，由于氣體的聚集，壓力增大導(dǎo)致層與層之間分層起泡。因此首先對(duì)所使用的半固化片進(jìn)行各種試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)紅外熱熔后仍然發(fā)生分層起泡。后來(lái)又對(duì)粘結(jié)表面進(jìn)行凈化處理，確保表面干凈無(wú)污染，還對(duì)銅表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇只?、黑化及干燥處理，并?yán)格的控制其工藝參數(shù)，目的是為了增加半固化片對(duì)銅表面有較大的粘結(jié)強(qiáng)度，于是對(duì)粘結(jié)溫度及預(yù)壓周期進(jìn)行多次試驗(yàn)，結(jié)果還有相當(dāng)部分的四層PCB板仍然產(chǎn)生上述質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和分析，最后發(fā)現(xiàn)聚集在鉆孔周圍的機(jī)率比較多，由此分析是由于鉆孔時(shí)鉆頭向四周擴(kuò)張擠壓，同時(shí)又受熱的情況下產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。另外還有一低頻原因就是使用沖壓下料時(shí)，基板四邊都受到擠壓而引起變形因而也產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。試驗(yàn)證明，后來(lái)采用消除應(yīng)力的工藝對(duì)策是有效的。
?、?消除多層印制板紅外熱熔后分層起泡的工藝對(duì)策
通過(guò)工藝試驗(yàn)法，結(jié)果證明采用加熱的工藝方法對(duì)減少基板的內(nèi)應(yīng)力效果比較明顯，而且簡(jiǎn)單易行。為此，根據(jù)基板材料的性質(zhì)的特點(diǎn)，重新安排了工藝程序，選擇了最佳溫度和加熱時(shí)間，在這種工藝條件下，高聚物的鏈段可以最充分地取得最有利的空間構(gòu)相，使體系的能量保持最低，從而顯著的降低了內(nèi)應(yīng)力。所采取的具體工藝措施如下：
?、?將所使用的原材料下料后進(jìn)行烘烤，目的是降低原材料的內(nèi)應(yīng)力。
?、?在層壓鉆孔后烘板，其目的就是減少由于鉆孔產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致氣體聚集并降低層壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
采取上述工藝對(duì)策后，其四層PCB板的成品率提高到98%以上。
?、?在層壓鉆孔后烘板，其目的就是減少由于鉆孔產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致氣體聚集并降低層壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
采取上述工藝對(duì)策后，其四層PCB板的成品率提高到98%以上。
二、 定位
⑴ 定位的目的和技術(shù)要求
多層印制板是指三層以上的導(dǎo)電圖形層中間用絕緣材料隔開，經(jīng)過(guò)層壓、粘結(jié)制成元器件的載體——多層印制板。其層間的導(dǎo)電圖形是通過(guò)金屬化孔進(jìn)行電氣互連。為了保證多層板各層電路之間在互連孔金屬化時(shí)能夠精確互連，不致產(chǎn)生開路和短路，所以要求各層的孔位（圓孔中心線）必須是精確對(duì)準(zhǔn)，因而就產(chǎn)生了孔定位問(wèn)題。定位問(wèn)題涉及諸多工序如照相底片的定位、圖形轉(zhuǎn)移定位、層壓定位和鉆孔定位等。所以，多層板的定位是個(gè)系統(tǒng)定位問(wèn)題。
?、?四孔定位法和存在的問(wèn)題
原生產(chǎn)常采用四孔定位方法 就是制作一套四孔定位模具，包括沖孔模具（用于沖照相底片和薄片）及層壓模具。成套模具所沖四個(gè)定位孔的尺寸與精度需要精確一致才能達(dá)到定位要求。對(duì)照相底片及各層薄片都要沖出定位孔，然后用銷釘定位曝光，完成電路圖像轉(zhuǎn)移工作，在層壓時(shí)將每層薄片的定位孔套裝在模具上的銷釘上，同樣也要用銷釘定位。然采用這種工藝方法定位，多層印制板各層之間仍然存在著孔位發(fā)生偏移，若布線密度稍高還容易造成層間開路或短路，導(dǎo)致多層板報(bào)廢。原因是照相底片和覆銅箔層壓板受環(huán)境溫度和濕度的影響其尺寸變化各不相同。當(dāng)環(huán)境溫度、濕度升高時(shí)，照相底片的增量要大于覆銅箔板尺寸的增量，這時(shí)兩種材料預(yù)先鉆好的定位孔相對(duì)位置發(fā)生偏移，因而導(dǎo)致各層孔不能同心，照相底片就會(huì)拱曲在覆銅箔板上，造成圖形轉(zhuǎn)移時(shí)的位置偏差。當(dāng)環(huán)境溫度、濕度降低時(shí)，照相底片尺寸收縮大于覆銅箔板尺寸的收縮，照相底片上的定位孔不能準(zhǔn)確地套入定位銷中，如果強(qiáng)制套入，輕者會(huì)將底片拉長(zhǎng)，使底片發(fā)生變形，重者會(huì)將底片的定位孔撕破，其結(jié)果仍會(huì)發(fā)生圖形轉(zhuǎn)移時(shí)的位置偏差。因此，這種定位方法很不適用于制作高精度、高密度的多層板。由于四孔定位法有以上缺陷，目前要制作高精度、高密度多層印制板多數(shù)已改用四槽定位方法。
四槽定位是以槽孔的中心線為定位基準(zhǔn)，照相底片由于溫度、濕度變化造成的尺寸誤差可以均勻地分布在中心線的兩側(cè)，積累在定位孔間的尺段上。用這種定位系統(tǒng)制作的多層板能提高對(duì)孔精度，并能達(dá)到金屬孔的精確互連。但當(dāng)時(shí)還沒有引進(jìn)此項(xiàng)設(shè)備。于是出現(xiàn)采用五孔定位方法。
?、?五孔定位法
根據(jù)生產(chǎn)四層印制電路板的工藝特點(diǎn)，采用數(shù)控鉆床按孔的位置進(jìn)行編程來(lái)完成定位的作用，而不采用定位模具的方法。具體工藝步驟：中間層制成二層導(dǎo)電層為一塊雙面板，上、下二面導(dǎo)電層為單面板，定位方法見圖5所示。在中間一塊雙面板上鉆5個(gè)定位孔，孔的直徑根據(jù)數(shù)控鉆床上的銷釘?shù)闹睆蕉ǎ堰@5個(gè)定位孔的位置輸入紙帶或磁盤里，然后上、下二塊單面板一起進(jìn)行層壓，層壓后再利用原程序定位鉆孔。
照相底片 → 制內(nèi)層雙面板 → 層壓 → 定位鉆孔
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沖5個(gè)定位孔 外層薄片＋半固化片
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沖5個(gè)定位孔 外層薄片＋半固化片
數(shù)控編程
這樣可以一次可壓制5塊四層PCB板（層壓時(shí)每塊間有隔層鋼板）。若是使用具有三層的專用壓機(jī)，一次就可以壓制15塊四層印制電路板。采用這種定位方法的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：
① 大大地提高對(duì)孔精度。
② 不需要制作模具和銷釘。
③ 能明顯的提高工作效率。
④ 節(jié)約了費(fèi)用和時(shí)間，既保證產(chǎn)品質(zhì)量又提高了產(chǎn)量。
① 大大地提高對(duì)孔精度。
② 不需要制作模具和銷釘。
③ 能明顯的提高工作效率。
④ 節(jié)約了費(fèi)用和時(shí)間，既保證產(chǎn)品質(zhì)量又提高了產(chǎn)量。
三、 拼版
該型號(hào)電子產(chǎn)品所用的四層印制電路板的特點(diǎn)是板面幾何尺寸小、品種比較多。同品種印制板的內(nèi)層電路圖形完全一致，針對(duì)這些工藝特點(diǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，在工藝上采取如下措施。
?、?拼版方法
四層PCB板板面尺寸為97mm×77mm。根據(jù)目前的生產(chǎn)工藝裝備條件，可把四塊四層PCB板拼成大塊板來(lái)制作 。
拼版有幾種工藝方法，可以采用專用的拼版機(jī)上進(jìn)行拼版，也可以利用數(shù)控鉆床按孔位置進(jìn)行編程進(jìn)行操作，并可在移位后仍按原程序進(jìn)行操作的重復(fù)分布功能進(jìn)行拼版。這兩種工藝方法在實(shí)際生產(chǎn)都曾經(jīng)采用過(guò)。如采用拼版機(jī)進(jìn)行拼版。其具體工藝步驟如下：
?、?首先在照相機(jī)上將照相底圖縮成1:1 的照相底片；
?、?將未曝光的昭相軟片裝進(jìn)拼版機(jī)內(nèi)；
③ 將已照好的1:1的照相底片放在拼版機(jī)上，進(jìn)行曝光后移動(dòng)一段預(yù)定的距離再進(jìn)行曝光，這樣一張照相軟片上產(chǎn)生出所要求的有一定間隔的4個(gè)電路圖形的照相底版。
?、?首先在照相機(jī)上將照相底圖縮成1:1 的照相底片；
?、?將未曝光的昭相軟片裝進(jìn)拼版機(jī)內(nèi)；
③ 將已照好的1:1的照相底片放在拼版機(jī)上，進(jìn)行曝光后移動(dòng)一段預(yù)定的距離再進(jìn)行曝光，這樣一張照相軟片上產(chǎn)生出所要求的有一定間隔的4個(gè)電路圖形的照相底版。
?、?預(yù)制內(nèi)層圖形
從四層PCB板的結(jié)構(gòu)分析，一層是A面為元件面、四層是B面為焊接面、二層為電源網(wǎng)層、三層為地網(wǎng)層，由于其生產(chǎn)的特點(diǎn)是品種多，數(shù)量少，而且其內(nèi)層線路完全一致。針對(duì)這種技術(shù)要求，采取將標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)層圖形蝕刻出來(lái)，然后進(jìn)行層壓，一層和四層表面仍然是銅箔，制作成含有內(nèi)層圖形的層壓板，然后再根據(jù)不同品種再制作外層線路。這樣既能保證了層壓質(zhì)量，更增加了四層PCB板的可靠性和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，并且還大大地縮短了生產(chǎn)的研制周期。