PCB板對準度設計能力研究

曾 金 舒 明

（重慶方正高密電子有限公司，重慶 401332）

PCB板對準度設計能力研究

曾 金 舒 明

（重慶方正高密電子有限公司，重慶 401332）

從PCB設計對位精度，制程中影響，找出影響層間對位偏差的因子，在生產(chǎn)過程中控制關鍵因子，滿足PCB設計的對準度要求。提升層間對準度能力，并以30層板驗證對準度控制≤0.127 mm（5 mil）。

設計；精度；對準度；偏差

1 背景

隨著PCB向高多層板發(fā)展，對準度要求越來越來高，制作難度越來越大，對準度制程能力對應的PCB設計D2M與內層圓盤環(huán)之間存在著必然聯(lián)系。影響對準度能力因數(shù)非常的多，跨越了整個PCB大半個流程。在PCB設計中越來越多的客戶在板內設計對準度測試圖監(jiān)控產(chǎn)品的對準度能力已成為趨勢。因此對產(chǎn)品設計的掌握，通過制程控制，達到產(chǎn)品所需的對準度要求。對準度不良會影響PCB的短路、信號不良、CAF等，提升對準度能力，對提高PCB制程能力，增強企業(yè)的市場競爭力起著關鍵的作用。

2 對準度能力監(jiān)控設計

2.1 怎樣監(jiān)控對準度能力呢？

一般在PCB中設計對準度測試圖（Coupon），通過對Coupon的量測數(shù)據(jù)體現(xiàn)工廠對準度能力。由于PCB漲縮的原因，對準度Coupon一般設計在PCB在制板四個角，這樣監(jiān)控更加準確。對準度Coupon設計分為很多種類型：

（1）簡單型（如圖1）

圖1

每層設計相同大小的隔離環(huán)，在隔離環(huán)中間鉆孔、鍍銅，每層與另外一個孔導通，當孔或隔離環(huán)偏移時出現(xiàn)短路的狀況。可以由開短路判定對準度是否滿足要求。某產(chǎn)品對準度控制要求≤0.127 mm（5 mil），那隔離環(huán)的孔到銅距離應該為5+蝕刻補償值。

（2）一般類型（如圖2）

圖2

每層設計不同大小的隔離環(huán)，在隔離環(huán)中間鉆孔，鍍銅，每層與另外一個孔導通，當孔或隔離環(huán)偏移時出現(xiàn)短路的狀況，這樣可以通過量測短路可知對準度狀況。假如設定0.1 mm（4 mil）通過量測不短路[0.025 mm/0.05 mm/0.075 mm（1 mil/2 mil/3 mil短路）]，那么對準度能力為0.1 mm（4 mil）。

（3）復雜型（如圖3）

圖3

每層設計不同大小的多組隔離環(huán)，在隔離環(huán)中間鉆孔，鍍銅，每層與另外一個孔導通，這樣可以監(jiān)控每一層的與整體對準度狀況。一般工廠會采用第2種做測試板來測試工廠的能力。

（4）制作出來如圖4。

圖4

2.2 對準度與D2M的關系

D2M是指鉆出的孔到內層銅的最小距離，如圖5、圖6。

圖5

圖6

一般PCB廠商認為經(jīng)電測OK的板子就是沒有問題的，就屬于合格產(chǎn)品。這樣會導致PCB板的壽命降低，因為在電場作用下，導線之間析出樹枝狀金屬的狀態(tài)，或者是沿著基材的玻璃纖維表面發(fā)生金屬離子的遷移（CAF）導致在使用過程中出現(xiàn)短路的情況出現(xiàn)如圖7。

圖7

通過CAF實驗驗證：

（1）制作15 PNL的預設D2M值為0.1 mm（4 mil）；（2）測試條件一：溫濕度22 ℃/50%RH，靜置96 h后，加載10 V電壓測試500 h；（3）測試條件二：溫濕度65 ℃/85%RH，靜置96小時后，加載10 V電壓測試500 h；（4）測試后切片確認D2M的實際值；（5）測試規(guī)格滿足阻值≥1.0 E+7ohs合格。

實測結果條件1測試值的阻值都合格，而條件二測試值有3 PNL合格，這3 PNL的D2M距離都大于0.1 mm（4 mil），其它不合格的12 PNL的D2M距離都大于0.1 mm（4 mil）?？梢钥闯隹椎姐~的預留距離應該需要大于0.1 mm（4 mil）才能減少由于對準度的原因導致的CAF情況發(fā)生，材料的不同發(fā)生的比例也是不一致的，因此在設計D2M大小等于對準度能力加上0.1 mm（4 mil）。

3 PCB對準度能力分析

對準度能力高低主要表現(xiàn)在兩個方面：（1）設備的精度；（ 2）過程的控制。

各PCB廠使用的機臺不同，所表現(xiàn)出的對準度能力也不一樣，但是精度高的設備沒有良好的過程控制，也無法表現(xiàn)出較高的對準度能力，本文著重講PCB的過程控制。

3.1 影響對準度流程（圖8）

對準度能力體現(xiàn)在兩個方面，一為層間的對位能力包括：內層、沖孔、壓合、鉆孔，二為外層的對位能力包括：外層圖形、阻焊圖形、字符。本文著重講層間對準度控制。

圖8

3.2 層間對準度影響因子

影響對準度的因子非常多，可概括為以下幾點（表1）。

表1

3.3 層間對準度過程控制

3.3.1 材料穩(wěn)定性

材料穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在批間的穩(wěn)定性與批內的穩(wěn)定性兩個部分。批間穩(wěn)定性主要指不同材料經(jīng)過相同壓合條件后變化趨勢不一致，其主要原因為玻纖布的改變或壓合條件的改變的影響。批內穩(wěn)定性主要是指同一批次材料經(jīng)過相同蝕刻條件后變化趨勢不一致使批間R值增大。層間對準度影響主要控制批間穩(wěn)定性一致。

3.3.2 照相底片漲縮

照相底版的漲縮跟光繪機的能力及底片的質量存在非常大的關系。在底片的管理過程中溫濕度的控制與使用次數(shù)是影響底片漲縮變化的主要因子。選用LDI生產(chǎn)就避免了使用底片從而消除了底片的影響因數(shù)。

3.3.3 曝光對位精度

曝光對位精度主要是針對芯板上下面圖形的對準精度。過程控制對位精度主要是機臺的維護與保養(yǎng)、機臺參數(shù)設定、人員違規(guī)操作等因數(shù)控制。一般PCB廠商會在芯板的上下面設計一組同心圓（錯位環(huán)），在芯板蝕刻后對其進行監(jiān)控，對不良品進行特殊處理或報廢。不同產(chǎn)品控制的要求是不一樣的，對準度能力要求越高就應該越嚴格。

3.3.4 連接盤大小

連接盤大小主要是從設計的角度看，在對準度能力設計中，連接盤與標準值間的差異會導致設計的對準度能力出現(xiàn)偏差從而導致設計不準確的情況出現(xiàn)。這主要取決于蝕刻補償值與蝕刻的能力有關。因此在實際生產(chǎn)過程中需要監(jiān)控連接盤是否與當初設定值一致。

3.3.5 PE沖孔

PE沖孔是在芯板上固定的位置打孔，在壓合組合使用。對準度能力與沖孔的精度和重復精度有關。過程控制是通過對設備的能力檢核、機臺的維護保養(yǎng)、沖針的使用壽命以及沖孔后的自主檢查。一般的自動沖孔機均有量測的功能，這樣就可以監(jiān)控芯板在沖孔時的漲縮變化狀況。高級的CCD沖孔機也可以監(jiān)控芯板上下面的對準精度。因此對準度能力與PE沖孔控制是密切相關聯(lián)的。

3.3.6 壓合

壓合制程控制是影響層間對準度能力非常關鍵，此站決定了PCB板層與層之間的偏差值，前面的所有差異均可在壓合后體現(xiàn)出來。壓合的方式通常有4種：鉚合、熔合、鉚合+熔合及銷釘(PIN)壓。每種方式所對應的對位能力是不一樣的，可以根據(jù)產(chǎn)品的特點以及成本的考量選用不同的壓合方式。本文設計實驗選擇PIN壓。PIN壓的過程控制主要是從PIN孔的質量、PIN針質量以及人員操作方面。組合后各芯板收縮的不一致會導致芯板間出現(xiàn)偏移，芯板預補償是漲縮管理體系中非常重要的一環(huán)，需要經(jīng)過非常多的數(shù)據(jù)支持及分析才能估算出來。一般在沒有生產(chǎn)類似的產(chǎn)品通常會采用與正常制作流程相同的條件進行試生產(chǎn)抓取芯板的預補償系數(shù)，從而減少芯板漲縮對對準度的影響。壓合后可以確認芯板間的偏移量。

3.3.7 X-ray鉆靶

芯板間最大偏移量可以通過每層芯板均設定靶標，對靶標的量測可以知道整板的漲縮與芯板的偏移量。在X-ray鉆靶過程控制中X-ray鉆靶精度、鉆靶方式、板子的漲縮都是影響對準度控制的重要因子。不同的廠商根據(jù)產(chǎn)品的不同對靶孔的設計以及鉆靶方式都是不同的。所鉆的靶孔均是用來給鉆孔做定位使用

一般鉆靶設計有三種（圖9）。

圖9

本文選擇三孔定位方式，鉆靶方式有兩種：補償鉆靶與中心鉆靶

兩種方式各有優(yōu)缺點（表2）。

一般PCB廠商采用補償鉆靶+分堆的方式進行。根據(jù)對準度的設計要求建立不同的控制范圍，這樣會更利于生產(chǎn)。

表2

3.3.8 鉆孔

鉆孔的對準度控制主要是鉆孔的孔位精度、Runout、板子漲縮的控制。不同的機臺孔位精度與Runout也不同，過程的控制是通過機臺的維護保養(yǎng)、定期的能力檢核來控制。鉆孔決定了最終對準度的能力，層偏是可以通過鉆孔進行糾正，理論上講當層間最大偏移量為0.127 mm（5 mil）時，鉆孔不出現(xiàn)偏移的情況對準度可以0.0635 mm（2.5 mil），因此鉆孔首件確認是非常重要的，由于板子漲縮原因，需要對4個角的進行預鉆，確認OK后方可制作，如果有孔偏出現(xiàn)，那可通過調整鉆帶來減少孔位偏移，由于孔位距離與外層圖形尺寸的管控，因此鉆帶的糾正空間需要參考以上的規(guī)格管控。

通過一系列的過程控制最終以外層AOI蝕刻后量測值來判定層間對準度能力。

4 實驗驗證

通過設計控制因子實驗驗證30層板對準度能力控制≤5 mil。

（1）設計控制因子（表3）。

表3

（2）理論計算通過控制因子對準度：

（3）設計流程：開料→內層→蝕刻→沖孔→壓合→X-ray→鉆孔→外層→蝕刻后量測。

（4）下料12PNL過程數(shù)據(jù)全監(jiān)控。

①內層蝕刻后芯板尺寸監(jiān)控（圖10）

通過量測看出同張芯板尺寸變化是在0.038 mm（1.5 mil）以內，由于殘銅率的影響，不同芯板漲縮變化是不一致的。

②同張Core上下面對準度精度（表5）

表5

Core對準度分別量測四個角，以最大偏移量作為芯板的偏移量，所有芯板均一致，可做Cpk確認。

按照0.038 mm（1.5 mil）以內計算Cpk=2.76滿足要求

③沖孔后量測孔的位置精度

選取30PNL量測圖形PAD到孔位置距離差異計算Cpk（圖11）。

圖11

量測結果看出沖孔位置精度Cpk=1.72滿足要求。

④壓合后漲縮影響

壓合的層偏表現(xiàn)有芯板間的漲縮、疊合操作、壓機條件影響。壓合后層偏，通過機臺測量（表6）。

測量結果選取最大偏移量為0.099 mm（3.9 mil）。

批量量測結果如表7。量測一般為通過看同心圓的方式，由于高層數(shù)設計同心圓比較密集，會出現(xiàn)不準確的情況。

⑤鉆孔

選擇機臺精度測試Cpk=1.64滿足要求，Runout測試=9 μm滿足要求，

⑥蝕刻量測（表8）

通過測試制作30層板層間對準度控制≤0.127 mm（5 mil）。

5 結論

（1）在產(chǎn)品對準度能力設計時首先需要考慮設備能力，若設備的精度無法達到那設計出來的產(chǎn)品無法滿足對準度要求。

（2）設計30層板對位精度，通過對生產(chǎn)過程中的材料變化、Core對位精度、沖孔精度、芯板漲縮、鉆靶精度、層間對位精度、鉆孔精度等過程控制，本文通過對各影響因子的過程控制，制作出的30層板滿足對準度≤0.127 mm（5 mil）要求。

表6

表7

表8

舒明，技術總監(jiān)，從事PCB行業(yè)15年。

Research on the registration of PCB board design

ZENG Jin SHU Ming

In this paper, from the registration design of PCB precision and the effect of process, it intended to fi nd out the factors of interlayer contraposition deviation, to control the key factors in the production process, to meet the requirements of the registration for design PCB. It also aimed to improve the registration capability, and verify the 30 layer board misregistration in the range of 5 mil.

Design; Accuracy; Registration; Discrepancy

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2014）06-0023-05

曾金，工程師，從事于PCB對準度研究，管理工廠漲縮體系。