大背板層偏短路失效模式研究與對策

陳霞元（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

大背板層偏短路失效模式研究與對策

陳霞元
（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

大背板在壓合過程中個別芯板偏移，導(dǎo)致通孔金屬化后與層偏層次短路，形成層偏。本文從層偏的影響因素、機理出發(fā)，分析出失效模式，然后采取各種有效的預(yù)防措施加以控制，針對內(nèi)層、層壓的各關(guān)鍵控制點進行分析跟進，解決層偏錯位問題。提供了一套清晰完整的大背板層偏的控制方法，大大提高背板的一次合格率。

大背板；層偏；照片變形；沖孔精度；鉚合；層壓；X-Ray

大背板主要是用在基站和大型控制臺來作為載板用的，在其上面可以安插多種連接器件以及其他控制模塊，具有以下幾個顯著特點：

成品尺寸大，單元板材基本上500 mm×900 mm以上；

層數(shù)高，我公司制作的板都在20層以上；

成品板厚，成品板厚都在6.0 mm左右；

孔密度高，單塊板孔數(shù)30 000以上；

制作難度大，層壓板厚，PTH孔厚徑比大，一般都大于10:1；

因此大背板的制作加工能反應(yīng)一個公司的綜合制作能力。

1 層偏失效模式研究

1.1 質(zhì)量背景

今年上半年，我公司制作的2款（S、N）大背板，連續(xù)出現(xiàn)層偏短路報廢上升的情況，具體報廢率數(shù)據(jù)如表1。

1.2 失效模式分析

1.2.1 層偏短路位置水平和垂直切片分析

對層偏短路位置切片分析，層偏短路主要出現(xiàn)在L2層與LN-1層，L2和LN-1層的基材區(qū)邊緣銅皮與PTH通孔相連，垂直切片分析，L2和LN-1層的層偏方向相反，以板中間層為基點，越往板外，PTH孔越處于基材的邊緣，最后在L2和LN-1相切短路，具體如圖1。

表1 前期背板報廢數(shù)據(jù)

圖1 層偏報廢板的水平與垂直切片圖

1.2.2 板邊層間對準(zhǔn)度測試單元切片分析

選取其中層數(shù)較高的N型號，對失效板進行板邊對準(zhǔn)度分析，測試對準(zhǔn)度情況。測試層間偏移量最小0.15 mm，最大0.35 mm，而板內(nèi)設(shè)計最大的基材圈能力為0.28 mm，所以層間偏移超過0.28 mm的位置出現(xiàn)短路失效。

1.3 原因定位

板邊對準(zhǔn)度切片孔水平和垂直切片（圖2），從圖中可以看出，層偏均為逐層累積偏移，板向同一個方向逐層偏移是導(dǎo)致失效的最終原因，如圖2偏移10 μm。

圖2 報廢板層偏圖

2 層偏影響因素分析

2.1 大背板的主要生產(chǎn)流程（圖3、圖4）

圖3 大背板生產(chǎn)流程

圖4 層壓流程

2.2 魚骨圖原因追蹤，如圖5

2.3 主要影響因素與機理分析

2.3.1 人的影響因素分析

圖5 層偏原因追蹤魚骨圖

人在PCB生產(chǎn)中至關(guān)重要，有主觀的能動性，人的動作和意識直接決定板品質(zhì)的好壞，所以上崗是需要考核的，鉚合崗位，排板崗位都對人員有特殊的崗位知識要求，具體如表2。

表2 重要崗位人員知識要求

對鉚合崗位和排板崗位人的影響層偏模型剖析如圖6。

人的因素主要是一些操作過程產(chǎn)生的層偏因素，主要加強人的培養(yǎng)和過程監(jiān)控，可以減少甚至杜絕。

2.3.2 機器的影響因素分析

（1）鉚釘?shù)挠绊懸蛩匾妶D7。

（2）壓機的主要為升溫速率過快與壓機整層錯位，升溫速率過快影響壓板流膠量大小，過快會使膠在瞬間融化，帶動芯板移位。每季度都有壓機的升溫速率測試，沒有異常超標(biāo)的，暫時不予以討論；壓機整層錯位，前期我公司出現(xiàn)過一個book的最下面一層整體層間錯位，可能與壓機的磨損程度有關(guān)，在新的壓機生產(chǎn)的板沒有發(fā)現(xiàn)這種異常，可見壓機對層偏錯位有一定影響。

2.3.3 物料的影響因素分析

層壓用到的物料主要有鉚釘、PP片、芯板。

（1）鉚釘?shù)挠捕仁且粋€重要參數(shù)，我司使用的鉚釘為銅鉚釘，材質(zhì)為銅和鋅的合金，其中銅的含量決定鉚釘?shù)挠捕?，市場上有三種銅鉚釘，分別含銅60%，65%，68%，主要是針對不同的板進行研發(fā)的，我司選擇的銅含量為65%的，不軟也不硬。

（2）PP片主要與客戶設(shè)計的介質(zhì)層厚度有關(guān)，介質(zhì)層較厚，當(dāng)某一層有多張（3張以上）時，由于壓合時流膠量大，相鄰的芯板容易錯位滑動，我司在PP片的選擇上有很多的規(guī)定，在保持膠量足夠的條件下盡量不要使用3張或以上，防止壓板過程中滑板導(dǎo)致層偏短路。

圖6 層偏模型剖析圖

圖7 設(shè)備異常效果圖

（3）芯板指已經(jīng)做好內(nèi)層圖形的覆銅板，圖形精度和漲縮系數(shù)由公司內(nèi)部根據(jù)公式予以補償修正，芯板的加工中有兩個因素會引起層偏，分別為芯板漲縮系數(shù)不一致，芯板鉚釘孔沖偏，主要的失效模式示意如圖8。

防止芯板漲縮系數(shù)不一致通過實際測量漲縮系數(shù)解決，鉚釘孔沖偏需要改善鉚釘孔沖孔方式和優(yōu)化抽檢方式。

圖8 芯板異常失效模式

2.3.4 方法的影響因素分析

方法主要是在以上影響因素客觀存在時，通過怎樣的方法加以監(jiān)控和預(yù)防。主要從空釘高度是否合理，鉚合首板檢查與監(jiān)控，芯板預(yù)給漲縮系數(shù)，壓板程序設(shè)定的升溫速率，鉚釘孔偏的檢查頻率方面加以分析，具體的分析如表3。

表3 方法不當(dāng)與失效模式表

2.3.5 環(huán)境的影響因素分析

環(huán)境影響因素主要最大的是影響照片變形，照片變形導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)移到芯板時有偏差，局部變形和整體伸縮變形都會影響層偏，所以我們的照片使用有嚴(yán)格的控制，其次是鉚釘機的日常保養(yǎng)，關(guān)鍵部分上下模具，如果有腐蝕和破損都會影響生產(chǎn)板的品質(zhì)。

3 層偏改善對策研究

大背板層偏的主要影響因素來自內(nèi)層和層壓，下面根據(jù)內(nèi)層和層壓各具體流程段的參數(shù)進行跟進與分析，闡述大背板控制過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵控制點，以達到提升層偏合格率。

3.1 內(nèi)層

3.1.1 內(nèi)層照片變形控制

我公司對與板尺寸≥762 mm（30 in）的板，照片變形按±63.4 mm（±2.5 mil）控制，照片兩面圖形精度按±63.4 mm（±2.5 mil）控制，N板和S板的尺寸均在762 mm（30 in）以上，照片變形測試方法如圖9。

圖9 照片測試方法

對N板的2-N-1層和S板的2-N-1層照片進行測數(shù)，數(shù)據(jù)均符合控制范圍，N板照片變形在-0.035 mm ～0.038 mm之間，S板的照片變形在-0.038 mm ～ 0.035 mm之間，具體數(shù)據(jù)如表4。

表4 照片變形數(shù)據(jù)表

3.1.2 內(nèi)層照片重合度監(jiān)控

內(nèi)層照片重合度是指一張照片兩面圖像之間的對準(zhǔn)能力，我司內(nèi)部對于大背板的控制能力為±63.4 mm（±2.5 mil），對N板和S板的照片重合度測試，N板和S板的最大重合度為0.055 mm和0.06 mm，都在2.5 mil的控制范圍內(nèi)，結(jié)論OK，可以生產(chǎn)。

3.1.3 鉚釘孔精度監(jiān)控

大背板都是用14孔定位，長邊各6個，短邊各1個，鉚釘孔的沖孔精度對鉚合后板的定位有很大的影響，直接影響層間偏移，我司內(nèi)部控制沖孔精度為±30 mm，鉚釘孔位置分布和鉚釘孔沖孔精度的測量方法如圖10。

圖10 沖孔精度測試圖

上下沖孔精度a1=(BT-DB)/2左右沖孔精度a2=(AL-CR)/2

N板和S板生產(chǎn)時，鉚釘重合精度控制要求a1 和a2均需要在±30 mm之內(nèi)。N板的沖孔精度最大為18.5 mm，S板沖孔精度最大為10 mm，都符合要求。

3.2 層壓

3.2.1 鉚合

N板與S板鉚合過程控制如表5和表6。

表5 N板鉚合過程跟進表

表6 S板鉚合過程跟進表

3.2.2 排板

N板和S板排板過稱跟進如表7和表8。

表7 N板排板過程跟進表

表8 S板排板過程跟進表

3.2.3 壓板

N板的板材為高速高頻板材A，S板為普通高Tg板材B，對應(yīng)的壓板條件如圖11。

圖11 壓板參數(shù)明細

小結(jié)：A為高頻材料，B為普通高Tg材料，壓板條件差異較大，所以要使用不同的壓板程序才能滿足材料要求，在引進板材時都有相關(guān)的壓板程序，生產(chǎn)過程中接線加以監(jiān)控，料溫線數(shù)據(jù)如表9。

表9 壓板料溫曲線表

3.2.4 X-ray打靶

X-Ray打靶主要監(jiān)控壓板后的錯位和層間系數(shù)偏差情況，確定各層伸縮系數(shù)是否在控制內(nèi)，超出范圍的需要進行調(diào)整，超出范圍的需評價報廢風(fēng)險。

（1）各層伸縮系數(shù)監(jiān)控

N板各層系數(shù)測量，各層系數(shù)與理論值的偏差都在4 mil之內(nèi)，其中L2/L3，LN-2/N-1層基本都收縮，最大收縮-0.098 mm，L4/L5，LN-4/N-3收縮正常，最大收縮-0.019 mm，最大伸長0.028 mm，其它層都以收縮為主，在-0.05 mm到-0.075 mm之間，都符合我司控制要求（±0.10 mm），可以接受。

S板的伸縮系數(shù)測量， 4/6/M/O層伸縮較其他層嚴(yán)重，最大為-0.11 mm，將對4/6/M/O稍作修改，其余層伸縮較好，在-0.05 mm左右，可接受。

（2）層間錯位監(jiān)控圖

N板和S板都有輕微錯位，主要為逐層累積偏移。

有輕微錯位，沒有相切，備用標(biāo)靶清晰可見，與前期出現(xiàn)各層標(biāo)靶不清晰相比，跟進后板錯位情況有較大改善，上述編號的板到電測沒有層偏短路。

4 改善效果

8月份改善效果實施后，N板跟進2.08 mm，S板跟進4.57 mm，報廢率大大降低，改善數(shù)據(jù)如表10。

通過跟進內(nèi)層和層壓的層偏影響因素，跟進過程并排除影響因素，N板和S板的層偏報廢率大大降低，降幅80%以上，大大提高了合格率。

[1]美維培訓(xùn)研究中心.印制電路技術(shù)培訓(xùn)叢書(M), 2009,12. 美維集團培訓(xùn)中心.

[2]何曼君,張紅東,陳維孝,董西俠. 高分子物理(第三版)[M]. 復(fù)旦大學(xué)出版社.

[3]辜信實. 印制電路用覆銅箔層壓板(第二版)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

陳霞元，從事高多層線路板棕化、壓合技術(shù)工作。

表10 改善數(shù)據(jù)表

圖3 超聲波對膠液GT的影響

本實驗采用測凝膠化時間的方法來確認膠液是否發(fā)生反應(yīng)，試驗數(shù)據(jù)如下。

從本實驗所選用的環(huán)氧膠液的GT變化看，數(shù)據(jù)基本在儀器的測試誤差±5s的范圍內(nèi)波動，可見在本實驗所采用的超聲處理范圍內(nèi)，膠液的凝膠化時間可以認為沒有發(fā)生變化，即采用超聲短時間處理環(huán)氧樹脂膠液沒有發(fā)生反應(yīng)。

4 結(jié)論

隨著超聲處理時間的增加，環(huán)氧樹脂系膠液的黏度呈現(xiàn)迅速降低，在約4～5分鐘到達最低值后略微反彈，利用這一特性可以減少覆銅板生產(chǎn)過程中對的大量溶劑的消耗。同時，超聲波作用后的環(huán)氧樹脂膠液表現(xiàn)出更佳的浸潤能力，而一定時間內(nèi)的超聲作用，膠液GT不會發(fā)生變化，表面超聲波在覆銅板浸膠領(lǐng)域具有無副作用、清潔、高效的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]石健濱. 復(fù)合材料中超聲技術(shù)的研究[J]. 新技術(shù)新工藝 2003(1).

[2]秦偉,吳曉宏等. 超聲處理對RTM工藝成型浸潤性的影響[J]. 哈爾濱工藝大學(xué)學(xué)報, 2004 (11):1443-1445.

第一作者簡介

潘華林，產(chǎn)品研發(fā)工程師，從事CCL新產(chǎn)品研究及工程化工作。

Research and countermeasure on inter-layer misregistration short circuit failure mode of large backplane

CHEN Xia-yuan

Large backplane is easily misregistered when laminated and resulted in short circuit. Based on the factors and mechanism, we took effective measures to prevent the failure mode of inter-layer misregistration and controlled key points in Inner Layer Imaging and Lamination. The results showed that the quantity of interlayer misregistration had been decreased and the first time quality of large backplane had been improved.

Large Backplane; Inter-Layer Misregistration; Artwork Distortion; Punching Accuracy; Riveting; Laminating; X-Ray

TN41

：A

1009-0096（2015）02-0046-09