多层印制板层压工艺技术及品质控制

多层印制板层压工艺技术及品质控制
    多层印制板是由三层以上的导电图形层与绝缘材料层交替地经层压粘合一起而形成的印制板，并达到设计要求规定的层间导电图形互连。它具有装配密度高、体积小、重量轻、可靠性高等特点，是产值最高、发展速度最快的一类PCB产品。随着电子技术朝高速、多功能、大容量和便携低耗方向发展，多层印制板的应用越来越广泛，其层数及密度也越来越高，相应之结构也越来越复杂。
    所谓多层印制板的层压技术，是指利用半固化片(由玻璃布浸渍环氧树脂后，烘去溶剂制成的一种片状材料。其中的树脂处于B阶段，在温度和压力作用下，具有流动性并能迅速地固化和完成粘结。)将导电图形在高温、高压下粘合起来的技术。
2 多层印制板层压工艺技术
    多层印制板的层压工艺技术按所采用的定位系统的不同，可分为前定位系统层压技术和后定位系统层压技术。前者须采用销钉进行各层间的定位，而后者则无须采用销钉进行定位，因而更适用于大规模的工业化生产。
    此外，销钉进行定位的层压过程，一般采用电加热系统；而无销钉进行定位的层压过程，则通常采用油加热系统。下面将对其分别进行讨论。
    2．1 前定位系统层压工艺技术
    2．1．1 前定位系统简介
    电路图形的定位系统是贯穿于多层底片制作、内外层图形转移、层压和数控钻孔等工序的一个共性问题。多层印制板中的每一层电路图形，相对于其它各层都必须精确定位，从而保证多层印制板各层电路间能正确地与金属化孔连接。这对于高层数、高密度、大板面的多层板显得尤为重要。
    回顾多层板层压制作采用过的销钉定位法，有两圆孔销钉定位法、一孔一槽销钉定位法、三圆孔或四圆孔定位法，以及本文将作介绍的四槽孔定位法。这种定位方法是美国Multiline公司推出的，利用其提供的一系列四槽孔定位设备，在照相模版、内层单片上冲制出四个槽孔。然后利用相应的四个槽形销来实现图形转移、叠片、层压和数控钻孔等一系列工序的定位。参见图表一。
 

图 1 多层印制板定位系统有关尺寸示意
表 1 多层印制板四槽定位系列表
编号 多层板外形尺寸 坯料板尺寸 定位槽中心距尺寸  光绘标靶尺寸
 a b X Y 2XA 2YA r'
1 ≤260.35 ≤209.55 12″ 10″ 11.25″ 9.25″ 3.5″
   304.8 254 285.75 234.95 88.9
2 ≤285.75 ≤234.95 13″ 11″ 12.25″ 10.25″ 4″
   330.2  279.4 311.15 260.35 101.6
3 ≤311.15 ≤209.55 14″ 10″ 13.25″ 9.25″ 3.5″
   355.6  254 336.55  234.95 88.9
4 ≤361.95 ≤260.35 16″ 12″ 15.25″ 11.25″ 4.5″
   406.4 304.8 387.35  285.75  114.3
5 ≤412.75 ≤311.15 18″ 14″ 17.25″ 13.25″  5.5″
   457.2 355.6 438.15 336.55 139.7
6 ≤514.35 ≤438.15  22″ 19″ 21.25″ 18.25″ 8″
   558.8 482.6 539.75 463.55 203.2
7 　 　 　 　 　 　 　
   　 　 　 　 　
    2.1.2 前定位系统层压工艺流程  
 
 
    2.1．2．1详细工艺过程
    按前定位系统进行的多层印制板的层压，过去大多采用全单片层压技术，在整个内层图形的制作过程中，须对外层之单面进行保护，不但给制作带来了麻烦，且生产效率低；尤其对于四层板会产生板面翘曲等问题。现普遍采用铜箔的复合层压技术，每开口可压制2~3块，提高了生产效率，也从根本上解决了四层板制作中的板面翘曲问题。(若采用后定位系统进行层压，尽管还是采用相同的压机，由于不采用笨重的模具，原压机每开口甚至可压制6块多层板。)下面仅就采用铜箔的复合层压技术进行简单介绍。
    (1)半固化片准备
    半固化片由杭州临安国际层压板材有限公司提供。规格参见表2。
表 2 半固化片（PREPREG）
型 号  树脂含量% 凝胶化时间（s） 流动度% 厚度（mm）
1080 62±5  140±20  38±5  0.06~0.07
 2116 52±4 140±20 30±5 0.10~0.11

    [注]半固化片准备注意事项：
    ①在清洁无尘的环境，将卷料切成条料，然后用切纸刀裁切成单件，尺寸按单片坯料长宽各放大10mm；
    ②在定位孔位置，成叠用台钻打定位孔，孔径比定位销直径大1．5~2．0mm；
    ③凡半固化片上出现有纤维折断、大颗粒胶状物、杂质等缺陷的应予剔除，操作应戴清洁的细纱手套，严禁手汗、油脂污染；
    ④裁切半固化片时，要戴口罩，以免吸入树脂粉。宜穿长衫裤，避免树脂粉粘在皮肤而导致痕痒或过敏。同时，应避免树脂粉进入眼睛；
    ⑤裁切加工好的半固化片，应及时放于1×10-1乇以上的真空柜中，排除挥发份及潮湿，禁止放入烘箱或冰箱保存与去湿，防止老化、粘结。在真空存贮柜中排湿应大于48小时；
    ⑥对新到半固化片应进行性能测定。随着保管期的增长，材料老化，直接影响流动度和凝胶化时间，它与产品质量密切相关，是工艺参数确定的基础。有关性能测定方法和计算，详见质量控制部分。
    (2)内层单片的黑化及干燥
    ①内层印制板黑化工艺流程
    上板→除油→水洗→水洗→微蚀→二级逆流水洗→预浸→黑化→水洗→水洗→还原→热水洗→水洗→下板
    ②采用安美特公司提供之黑化溶液；
    ③微蚀速率控制范围：1．0—2．0μm／cycle。方法参见质量控制部分；
    ④黑化称重控制范围：0．2—0．35mg/cm2。方法参见质量控制部分；
    ⑤外观干燥后，表面呈黑色，轻擦无黑色粉末落下；
    ⑥检验层压后作抗剥强度试验，抗剥强度应在2．0N／mm以上；
    ⑦黑化后的单片用挂钩吊挂于电热恒温干燥箱中，90~100℃，烘干去湿至少60分钟。
    (3)装模前的其它要求
    ①新领的压模应用汽油将保护油脂清洗干净，在用的模具应清除表面粘污的树脂粉尘，清洗过程不得划伤表面，模具表面不得有凹坑和凸起的颗粒；
    ②用0．05mm聚酯薄膜作脱膜料，防止流出的环氧树脂与压模粘结，切料尺寸约大于压模15~20mm，在定位销部位冲孔或钻孔，孔径大于定位销2mm；
    ③电炉板应垫以10层左右的牛皮纸，一方面为传热缓冲层，同时保护炉板不致拉伤。对于不平整的模具、销钉高出上模、模具尺寸小于200mm×200mm者，应有相应措施，否则不允许直接施压，防止造成局部变形，损伤炉板平整度；
    ④半固化片填入的张数应根据内层单片的总厚度、产品设计厚度要求或工艺卡片标注的工艺要求、压制时所实际采用的半固化片型号、实际性能和试压后的实际厚度来决定(填入的半固化片，1080不得少于2张，防止因胶量不足引起的微气泡现象)；
    ⑥对于重量较大的模具，进出模时防止砸伤。
    (4)入模预压
    入模预压之前，压机应先升温至175±2℃，以保证入模后立即开始层压。
    ①100T PHI压机：
    预压压力：0．8~1．5Mpa(8~15公斤／平方厘米)，时间：4~8分钟；
    ②140T真空压机(OEM公司)：
    预压压力：0．56~0．7Mpa(80~100磅／平方英寸)，时间：7~8分钟；
    预压后挤气1分钟；
    ③入模后施加的预压压力，大小一般由半固化片情况决定。当半固化片流动度降低时，可适当加大预压压力。
    ④预压阶段时间受半固化片的特性、层压温度、缓冲纸厚度、印制板层数和印制板的大小影响。
    如果预压周期太短，即过早地施全压，会造成树脂流失过多，严重时会缺胶、分层；如果预压周期太长，即施全压太晚，层间空气和挥发份排除的不彻底，间隙未被树脂充满，便会在多层板内产生气泡等缺陷。因此，把握压力变动时机很重要。
    当半固化片流动指标低于30％时，应缩短预压时间，甚至直接进行全压操作。
    总之，由于预压周期与半固化片的特性关系甚密，预压周期并非是一层不变的，必须通过试压后，在对层压好的多层板进行全面质检的基础上，对预压周期进行适当的调整，方可正式投入生产。
    (5)施全压及保温保压
    预压结束后，在保持温度不变的前提下，进行转压施全压操作。并按工艺参数要求进行保温保压。
    ①100T PHI压机：
    全压压力：1．5~3．0Mpa(15~30公斤／平方厘米)，时间：90分钟；
    ②140T真空压机(OEM公司)：
    全压压力：1．12~1．4Mpa(160~200磅／平方英寸)，时间：80分钟；
    ③当半固化片流动度降低时，可适当加大全压压力。彻底完成排泡、填隙，保证厚度和最佳树脂含量。
    ④压力转换采用高温转换方式。即当半固化片温度升到115~125℃时，由预压转为全压。
    (6)降温保全压(冷压)
    全压及保温保压操作结束后，可采用以下方式进行冷压操作：
    ①停止压机加热，在保持压力不变的条件下，使层压板冷却至室温；
    ②将层压板转至冷压机，进行冷压操作。
    (7)出模，脱模
    ①当层压板温度降至室温后，打开压机，取出模具；
    ②在脱模专用工作台上，去除模具销钉，取出层压板。
    (8)切除流胶废边
    ①层压排出的余胶，呈不规则流涎的状态，厚度也不一致，为保证后道打孔，应用剪床切去废边，切至坯料边缘，但不能破坏定位孔；
    ②当板面出现扭曲或弓曲的不平整现象，应校平处理，使翘曲量控制在对角线的0．5％范围之内。
    (9)打印编号
    经压制后的多层印制板半成品，两外层为铜箔，为防止混淆，应及时用钢印字符在产品轮廓之外的坯料上打印出图号和压制记录编号，字迹必须清楚，不致造成错号。
    (10)后固化处理
    将板放入电热恒温干燥箱中，加热到140℃并保持4小时。
    2.2 后定位系统层压工艺技术
    2.2.1 后定位系统简介
    采用后定位系统进行多层印制板的生产时，无需多层定位设备，直接使用铜箔和半固化片。与全部采用覆铜箔基材来进行多层板的生产相比，除了省去多层板定位设备外，还可节省制作内层线路时对外层的保护干膜和生产操作量；此外，能充分利用基材和设备，增加压机每开口中之压板数量，提高生产效率。
    具体做法是：(1)于每内层图形边框线外，按工艺要求添加三孔定位孔标记；
    (2)在内层图形边框线外四角处，按工艺要求添加工具孔标记；
    (3)制作内层图形，并于四角处冲制工具孔；
    (4)进行内层单片的黑化处理；
    (5)层压前排板操作(对于四层以上的多层板，各内层间通过专用铆钉于工具孔位处进行铆接，以保证层间重合度；各内层间按工艺要求填入半固化片。)；
    (6)按工艺要求进行层压操作；
    (7)拆板、点孔划线、二次剪板后，于指示位置进行铣铜皮、钻定位孔操作。
    2．2．2 后定位系统层压工艺流程
    裁切半固化片 → 内层单片黑化 → 内层预排板 → 排板 → 层压 → 拆板 → 点孔划线 → 后切板 → 打制板号 → 后烘板 → 铣去定位孔铜皮 → 打定位孔 → 质量检验
    (1) 裁切半固化片
    将成卷之半固化片按工艺规定之尺寸要求，于专用半固化片裁切机上切成所需尺寸的大块。半固化片种类主要有1080、2116和7628。
    ①按工艺指定的物料及排板方式，计算需切半固化片的数量；
    ②裁切半固化片前(及后)，需清洁台面；
    ②将半固化片从辊架上拉出至所需尺寸后，进行裁切；
    ④切完每卷后，需用吸尘器吸除撒落之树脂粉；
    ⑤操作时需戴清洁手套；
    ⑥树脂布面不可折曲、不可有任何杂物，并保持树脂布干燥；
    ⑦切半固化片工作间需进行净化处理，并进行温、湿度控制。
    按上述要求裁切之半固化片可直接用于排板及随后之层压生产。
    (2)内层单片黑化
    ①内层单片黑化采用：除油→微蚀→预浸→黑化→后浸之工艺流程；
    ②采用Mac Dermid公司提供之黑化药水；
    ③黑化后板之烘干条件为：温度110~120℃时间45分钟；
    ④黑化后板在排板间之存放时间有效期为48小时。
    (3)内层预排板
    六层及以上层数之多层板需进行该项操作。
    ①按工艺指示选取内层黑化单片间之半固化片种类和数量；
    ②按单片工具孔位置于半固化片上冲制相应之圆孔；
    ③将黑化单片及中间夹层之半固化片于工具孔位置，采用专用铆钉进行铆接；
    ④上述操作需在净化间内进行，且需进行温、湿度控制。
    (4)排板
    将经黑化处理的四层板或经预排板后之六层及以上板，按工艺规定之排板方式及对半固化片数量与尺寸和外层铜箔之要求，排成一BOOK。
    ①将底板和规定数量之牛皮纸，运至专用排板桌上；
    ②按工艺要求检查半固化片和铜箔；
    ③用专用蜡布清洁钢板，并置于牛皮纸上；
    ④将铜箔放在钢板上，注意光面朝下，然后用蜡布于钢板及铜箔间再次清洁一次：(也有预先清洁钢板及铜箔，并采用热熔胶粘贴铜箔将之粘在一起的方法。)
    ⑤将所需之半固化片置于铜箔上，清除可能带有之杂物；
    ⑥将内层板放在树脂布上，消除可能粘附于内层板上之杂物(由于采用拼板操作，需按工艺要求进行内层板之排列)；
    ⑦将半固化片置于内层板上(放置前须先进行翻转)；
    ⑧将所需之铜箔放在半固化片上，铜箔光面朝上；
    ⑨用蜡布清洁铜箔表面，同时将清洁好一面之钢板置于铜箔上；
    ⑩再次清洁钢板另一表面；
    ⑾重复进行④至⑩操作，直至完成工艺规定之每BOOK层压多层板之数量；
    ⑿将所需数量之牛皮纸放在钢板上，然后将铝面板放在牛皮纸上，此BOOK排板便完成。
    (5)层压
    采用程序升温，通过预压经转压直至高压的层压模式。所用压机为800T真空层压机，配置为两台热压机、一台冷压机。
    ①层压前，检查炉门胶边是否正常；
    ②入炉时，检查温度是否在155~165℃
    ③根据工艺规定之层压参数，用模拟程序进行调较压力；
    ④待压板入炉，抽真空至60~70mmHg，按工艺要求进行热压，整个过程约需140分钟；
    ⑤将热压完成之板转至冷压机中，调校压力至160kg/cm2进行冷压操作，需时80分钟；
    ⑥考虑到冷压时间，两热压机之压板间隔最佳时间为90分钟。
    ⑦整个层压过程，需有自动绘制温度曲线仪，此外尚需记录有关压板资料，便于质量追踪。参见下表3。

表 3 层压过程参数记录
层压前检查记录
日期/班次 压机号  程序号 入板前炉温检查（要求：160±5℃）
早班 A 5 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7
　 　 　 158  161 162 160 160 159 160
层压过程记录
初段压板 末段压板
入炉时间 7：16 转压时间 7：54
初段压力 15kg/cm2 末段压力 76kg/cm2
真空压力 63mmHG 出炉时间 9：36
转压报警状况：正常

    （6）拆板
    ①卸去每BOOK之顶部面板，除去牛皮纸；
    ②清除钢板，并清洁之；(所有钢板间须以海绵片隔开。)
    ②将板号用记号笔写于板边，并置于可移动之桌上；(板间以牛皮纸隔开。)
    ④重复②—③操作，直至拆除所有板。
    (7)点孔划线
    ①参照工艺规定的排板方式，用不脱色水笔点出每板之三个定位孔位置；
    ②用铅笔及相应板号之模版，划出板料之四角；
    ③凡六层以上板，点定位孔或划线时，可先以四个工具孔与板料所呈现之四个钉孔位置重叠正确后，方可点孔划线。
    (8)后切板
    ①剪床面用牛皮纸铺平，纸面不能沾有任何污渍或碎屑；
    ②按工艺规定之成品板外形尺寸，参照划线位置，校妥剪床尺寸后进行切板；
    ③剪完第一块板后，须进行尺寸检验。合格后，剪余下之板；
    ④板与板间须用牛皮纸进行分隔。
    也可预先制作该板号之外形框架，将其置于板上进行下料。(可提高生产效率及外形尺寸的一致性。)
    (9)打制板号
    将每件板的右上角打上钢印板号，避免混板的现象发生。(操作时，板须平放于台上，不可用手托住尾部，造成曲板。)
    (10)后烘板
    使板料收缩情况稳定，消除冷压所未能去除之内应力，便于客户接板后立即进行钻孔操作。
    ①将已打板号之板料，用蜡布进行表面清洁，板间用尺寸相符之牛皮纸分隔；
    ②入炉前，先清洁每叠之垫底厚钢板，然后入板。每叠板不超过15件，每叠板面需放置薄钢板一件；
    ②烘板时间为4小时，温度控制在125~135℃（每批板入炉及出炉，均需填写记录。）
    ④板料出炉后，需冷至室温后，方可进行下道工序操作。
    (11)铣去定位孔铜皮
    将切成规定尺寸及标示定位孔位置的多层板，用专用铣铜皮机铣去定位孔位置之表面铜皮，以备下道工序操作。(板间需用牛皮纸分隔，避免刮花及损耗。)
    (12)打定位孔
    用多层板定位孔专用打靶机，进行三个定位孔的制作。(分半自动和全自动打靶机。)