階梯板制造工藝方法的研究

黃 鎮(zhèn) 趙 宇（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

階梯板制造工藝方法的研究

Paper Code: S-144

黃 鎮(zhèn) 趙 宇
（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

文章以兩個典型含有“階梯”結(jié)構(gòu)的PCB產(chǎn)品的工藝制造過程為主線，較詳細的介紹了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要工藝過程以及階梯位置壓合流膠量控制、no flow PP銑加工等難點工藝的應(yīng)對問題，并最終通過實際實驗及分析得出較適用的工藝方法，為此類產(chǎn)品的加工提供了很好的指導(dǎo)意義。

多層壓合；階梯結(jié)構(gòu)；不流動PP銑加工

1 前言

電子產(chǎn)品的小型多樣化發(fā)展，使其在空間和安全性上受到較大制約，傳統(tǒng)的平面線路板已經(jīng)不能滿足要求，因此階梯式的電路板應(yīng)運而生。三維結(jié)構(gòu)設(shè)計的階梯板，其階梯槽的制作工藝往往是工藝的難點，需要應(yīng)對層間對位及no flow PP流膠等主要工藝問題，以及連帶的沉降銑槽位置可能出現(xiàn)的藏藥水問題。

本文將以A、B兩個典型含有“階梯”結(jié)構(gòu)的PCB產(chǎn)品依托于傳統(tǒng)工藝設(shè)備的設(shè)計加工過程為主線，較詳細的介紹產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要工藝過程以及階梯位置壓合流膠量控制、no flow PP銑加工等難點工藝的應(yīng)對問題，并最終通過實際實驗及分析得出較適用的工藝方法，為此類產(chǎn)品的加工提供了很好的指導(dǎo)意義。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

以下為A、B兩個不同結(jié)構(gòu)的階梯板產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對比展示。

由以上對比，可以看出A、B兩款階梯板各自工藝結(jié)構(gòu)的分布特點：A階梯板為2層，結(jié)構(gòu)相對簡單，因階梯區(qū)域含有金屬化孔，且部分為焊接孔，也即不能塞孔，同時含有“半金屬化孔”在工藝設(shè)計中需要仔細考慮如何實現(xiàn)。B階梯板為6層板，階梯區(qū)域含有焊盤，相對層數(shù)較高，圖形漲縮控制需要考慮。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可制造性設(shè)計

（1）A階梯板的可制造性設(shè)計

圖1

依據(jù)A階梯板的結(jié)構(gòu)特點，我們可以將其拆分為三個部分：芯板1、芯板2以及No flow PP來進行工藝實現(xiàn)。階梯區(qū)域依靠銑開窗no flow PP、沉降銑來實現(xiàn)，具體工藝流程如下圖所示：

圖2 A階梯板工藝流程圖

①芯板1：為雙面板制作過工程，考慮到后續(xù)兩個芯板與no flow PP的壓合過程需要使用PE膜，來保證填充，所以金屬連接孔可進行電鍍后塞孔處理，否則在壓合過程中融化的PE膜將會被擠壓進孔內(nèi)，無法清除。但階梯區(qū)域同時含有焊接孔，也即無法塞孔，所以按照壓合后的常規(guī)的流程，孔金屬化、外層圖形、阻焊等等均會因藥水倒灌入未塞的孔內(nèi)，而無法加工?？紤]到這一問題，芯板1的工藝可設(shè)計為將孔金屬化、外層圖形制作、兩面的阻焊等工藝提前完成，后續(xù)在與芯板2進行壓合，壓合后將不再涉及有濕法工藝過程，可將不塞孔的問題解決。當(dāng)然，這種情況下，需事先對阻焊的耐棕化能力進行驗證，同時在壓合過程中需要對阻焊面實施適當(dāng)?shù)谋Ｗo。

②芯板2：按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，芯板2實際為一個無銅芯板。需要注意的是，芯板2 的內(nèi)側(cè)面需要在階梯區(qū)域的對應(yīng)位置進行沉降銑，同時半金屬化孔對應(yīng)位置也需要事先進行沉降銑（見圖3-3壓合前示意圖）。以此可比較順利的實現(xiàn)在后續(xù)“沉降銑開蓋”時，通過常規(guī)的深度銑加工將階梯區(qū)域的“上蓋”打開，和半金屬化孔的實現(xiàn)。

圖3-3 A階梯板三部分壓合前示意圖

③no flow PP：按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，no flow PP 需要事先對階梯區(qū)域，半金屬化孔位置進行銑開窗，可保證這些位置芯板1與芯板2 不會粘結(jié)到一起。但以常規(guī)銑床設(shè)備對no flow PP進行銑加工，因為銑刀的過熱將會導(dǎo)致PP融化從而粘結(jié)到一起，難以分離，因此這是一個需要解決的難點工藝。

④多層壓合：芯板1、芯板2、no flow PP 使用相同的沖定位，后使用Pinlam（含有銷釘定位系統(tǒng)）壓機壓合。因芯板1含有不塞孔的焊接孔、半金屬化孔，所以在壓合過程中，芯板1側(cè)不能加墊PE膜，否則PE膜將被及擠入孔內(nèi)而無法清理，可以在芯板2側(cè)加墊PE膜保證PP壓合填充的覆型需求同時在芯板1側(cè)可加墊無銅的保護墊板，對阻焊面進行保護。

⑤壓合后的后續(xù)工藝：后續(xù)主要工藝為“沉降銑開蓋”，也即使用沉降銑將階梯區(qū)域及半金屬化孔位置的“上蓋”打開，后進行表面工藝及最終的銑外型。另外，網(wǎng)絡(luò)通斷電測試因為有階梯區(qū)域“臺階”的存在，推薦使用飛針測試或者長針夾具測試。

（2）B階梯板的可制造性設(shè)計

圖3

依據(jù)B階梯板的結(jié)構(gòu)特點，我們同樣可以將其拆分為三個部分：芯板1、芯板2以及No flow PP來進行可制造性設(shè)計。階梯區(qū)域的工藝實現(xiàn)方法與A階梯板類似，具體工藝流程如下圖所示：

①芯板1：B階梯板與A階梯板不同，為6層板，可拆分為芯板1和芯板2兩個三層板，后進行壓合。芯板1的階梯位置不含有通孔，僅有焊盤，此種情況下芯板1無需先將其外層的兩面圖形及阻焊完成，可完成內(nèi)部階梯區(qū)域的圖形、阻焊后即可，后可按照常規(guī)多層板的工藝進行：也即與芯板2壓合后再進行外層鉆孔、孔金屬化、最外層圖形、最外層阻焊等后續(xù)工藝。

②芯板2：按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，芯板2為3層板。同樣，壓合前芯板2 的內(nèi)側(cè)面需要在階梯區(qū)域所對應(yīng)位置進行沉降銑，以此才能便于在后續(xù)“沉降銑開蓋”。

③no flow PP：按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，no flow PP 需要事先對階梯區(qū)域進行銑開窗。

④多層壓合：芯板1、芯板2、no flow PP ，使用Pinlam（含有銷釘定位系統(tǒng)）壓機壓合。此時芯板1、芯板2雖均不含有過孔結(jié)構(gòu)，但需要注意的是在壓合過程中，芯板2側(cè)需加墊PE膜，而芯板1側(cè)是不能加墊PE膜的（如圖3-9 B階梯板壓合示意圖）。因為芯板1側(cè)的最外層將來是有線路圖形的，若加墊了PE膜壓合，會因PE膜的覆型作用，壓合后芯板1側(cè)階梯區(qū)域?qū)?yīng)的表面會出現(xiàn)壓合凹陷，到后續(xù)做最外層圖形時，此位置凹陷可能會導(dǎo)致感光膜貼膜不實，蝕刻后出現(xiàn)斷路、過腐蝕等缺陷。

⑤壓合后的后續(xù)工藝：不同于A階梯板，B階梯板后續(xù)工藝還將需要完成外層金屬化孔、外層圖形、外層阻焊、階梯區(qū)域沉降銑開蓋、沉鎳金、銑成型等工藝。

4 工藝難點突破

（1）no flow PP 銑加工：以上兩種結(jié)構(gòu)的階梯板，其階梯區(qū)域的實現(xiàn)均需要以沉降銑配合銑開窗的no flow PP來實現(xiàn)。而在實際以常規(guī)的銑床，對no flow PP進行銑加工時，都會遇到因銑刀發(fā)熱，導(dǎo)致PP融化粘結(jié)的問題，同時一般銑床所使用的紙墊板的碎屑也會粘到PP上，無法分開，銑開窗尺寸更無法保證。因此，為解決這個問題，在銑加工時，底部可加墊事先銑好的模具墊板，這樣不會有紙碎屑排除，且可為銑PP提供排膠空間，同時還可在一疊PP之間穿插已經(jīng)銑好的較薄的無銅芯板，可起到隔離作用，也可為銑PP提供排膠、散熱空間，防止粘連。以此種方法來銑no flow PP效果良好，基本無粘連、銑糊現(xiàn)象。

（2）階梯區(qū)域不流動PP壓合流膠量控制：在階梯板使用no flow PP進行壓合時，PP銑開窗的邊緣的樹脂會向內(nèi)部流動，因此必須在保證填充良好的同時控制流膠量大小，否則會影響最終元器件的裝配使用。No flow PP 在壓合過程中向階梯區(qū)域的流膠大小與多種因素相關(guān)，如壓合程式，PP類型、張數(shù)以及PP銑開窗的大小等等。一般情況下PP類型及數(shù)量是有設(shè)計要求、早就確定下來的，此時就需要協(xié)調(diào)壓合程式以及PP銑開窗大小，來盡量縮小流膠量。如表4-1是以階梯板B的壓合為例，在不同實驗條件下得到的流膠量數(shù)據(jù)（所使用的壓合程式如表4-2所示，實驗僅對全壓壓力進行了調(diào)整），PP銑開窗尺寸均為在階梯區(qū)域原設(shè)計尺寸上單側(cè)擴大的尺寸（如階梯區(qū)域原設(shè)計尺寸為10 mm×20 mm，PP銑開窗尺寸單側(cè)擴大0.3 mm，則為10.6 mm×20.6 mm）。

表4-1 階梯板B-不同實驗條件對no flow PP流膠量的影響

表4-2 階梯板壓合程式

由實驗結(jié)果可以看出，在逐步分別降低壓合的全壓壓力、減少PP數(shù)量、加大PP銑開窗尺寸的過程，流膠大小不斷降低。因此，要控制no flow PP的流膠量，一是調(diào)整降低壓合程式的全壓壓力（前提是保證正常的壓合填充），一是條件允許的情況下減少PP數(shù)量，另外就是加大PP的銑開窗尺寸，但不能過大，需與壓合程式相互配合，否則階梯區(qū)域邊緣會有填充不實出現(xiàn)。

（3）層間對位及芯板比例匹配設(shè)計

在普通多層剛性板的制造工藝的經(jīng)驗中，對于多個芯板壓合的情況，一般工藝設(shè)計會將幾個芯板最終保持統(tǒng)一的比例來進行壓合，這樣可以保證層間對位需求，不會出現(xiàn)層間錯位。但在以上所介紹的這種依靠no flow PP及沉降銑來實現(xiàn)的階梯板工藝中，芯板的比例匹配設(shè)計則需要重新進行考慮。

上文中曾提到B類型階梯板的壓合過程中，芯板1側(cè)不可加墊PE膜，否則壓合時會由于PE膜的覆型作用，芯板1側(cè)階梯區(qū)域?qū)?yīng)的表面將會出現(xiàn)壓合凹陷。

單側(cè)加墊PE膜的壓合方法，可使得階梯區(qū)域?qū)?yīng)的表面凹陷得以改善，而對于B階梯板這種由兩個多層芯板（芯板1、芯板2都為3層板）通過no flow PP粘結(jié)壓合的結(jié)構(gòu)，在壓合前芯板1與芯板2比漲縮比例基本一致的情況下，壓合后卻出現(xiàn)了層間錯位。

右側(cè)的板邊層間對位環(huán)，可以明顯看出，壓合后的層間錯位是由于兩個3層芯板的比例大小不一致所導(dǎo)致的，且芯板2較芯板1圖形尺寸比例明顯偏大，相差約萬分之2。而通過實驗測試，兩側(cè)均加墊PE膜的壓合方法，結(jié)果為對位良好，沒有出現(xiàn)以上兩芯板漲縮不一致的現(xiàn)象。分析以上現(xiàn)象的原因應(yīng)為：在壓合過程中，PE膜在高溫高壓環(huán)境下融化、流動，此時靠近PE膜的芯板1在PE膜流動的牽引及覆型作用下，其圖形尺寸膨脹會較芯板2偏大，由此就出現(xiàn)了最終壓合后兩芯板漲縮尺寸不一致的現(xiàn)象。

因此，在單側(cè)加墊PE膜的壓合方法下，為確保兩個芯板壓合后能夠保持一致比例，兩個芯板前期各自內(nèi)層圖形的預(yù)放比例要有所區(qū)別，不能是相同的，也即加墊PE膜側(cè)的芯板，其內(nèi)層預(yù)放比例要比不墊PE側(cè)的芯板小，依經(jīng)驗值比例相差約萬分之2至萬分之4（受不同結(jié)構(gòu)、壓合參數(shù)等影響）。

5 結(jié)語

（1）階梯式PCB產(chǎn)品在各應(yīng)用領(lǐng)域已趨于常見，此類產(chǎn)品因其階梯區(qū)域通孔、焊接孔、焊盤等的存在，所以合理設(shè)計工藝結(jié)構(gòu)、工藝流程及各個工藝層的實現(xiàn)方法是整體可制造型設(shè)計的關(guān)鍵點。

（2）使用常規(guī)銑床對no flow PP進行銑加工，為解決粘連、銑糊的問題，可使用模具墊板及內(nèi)部穿插隔離板的方法，可為銑刀提供排膠、散熱空間，防止粘連，同時可配合降低PP疊數(shù)，PP銑開窗邊緣齊整，效果良好。

（3）階梯區(qū)域不流動PP壓合流膠量控制，可從調(diào)整降低壓合程式（主要是壓力），no flow PP數(shù)量、膠含量，以及調(diào)整PP的銑開窗尺寸等幾個方面入手，前期可實驗不同壓力配合不同PP開窗尺寸來試壓需找適合的加工條件，但要注意前提是保證正常的壓合填充。

（4）針對由兩個多層芯板，通過no flow PP粘結(jié)壓合的階梯板結(jié)構(gòu)，壓合過程只能在最終“開蓋”的芯板側(cè)加墊PE膜，以避免階梯區(qū)域反面對應(yīng)位置的凹陷問題，同時兩芯板前期的內(nèi)層圖形預(yù)放比例區(qū)別需特別考慮，否則會出現(xiàn)比例不一致的層間錯位問題。

[1] 柴均釗. 壓合理論及應(yīng)用探討[J]. 印制電路信息,2000年11期.

[2] 呂永. 厚銅板壓合工藝研究[C]. 2012秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇論文集.

[3] Clyde F.Coombs,Jr.PRINTED CIRCUITS HANDBOOK[M]. Sixth Edition.

黃鎮(zhèn)，承擔(dān)PCB工藝研發(fā)相關(guān)工作。

Study on the process of PCB with ladder structure

HUANG Zhen ZHAN Yu

This article is based upon two typical PCB productions with ladder structure. It particularly introduced the design and main process of the production, also the controling of No flow PP resin flow in the laminiation and the milling method of No flow PP for this special structure. And finally based on the analysis of actual experiment, it raised some proposal which is more suitable for the special structure, provided good guidance significance to the manufaction.

Multilayer Pressing; Ladder Structure; No Flow PP Milling

TN41

A

1009-0096（2015）03-0209-06