高精度電阻值印制電路板制作研究

姚雙佳 孔祥國

（蘇杭電路板有限公司，江蘇 昆山 215000）

0 前言

隨著電子行業(yè)飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷朝多功能、智能化方向發(fā)展，印制電路板（PCB）上的器件越來越密集，線路也越來越細(xì)。高頻高速PCB、高散熱PCB、埋阻埋容PCB等高端精密產(chǎn)品已經(jīng)逐步被業(yè)界所熟知，PCB的發(fā)展呈現(xiàn)出多樣化。一方面，由于市場的需求，導(dǎo)致客戶的設(shè)計(jì)趨于開放性和大膽化，PCB則隨之出現(xiàn)了眾多特殊要求的產(chǎn)品；另一方面，新材料、新設(shè)備、新工藝的產(chǎn)生，迎合了市場和客戶對于產(chǎn)品特性的需求。

我公司有一款雷達(dá)用PCB，要求局部線路實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電阻控制，其部分線路規(guī)定大電阻202 Ω±238 Ω 、小電阻6 Ω±7 Ω。該P(yáng)CB為四層板，有電阻值有特殊要求的線路分布在內(nèi)層，線路寬度為0.17 mm，長度分別為113.6 m和3.060 m，經(jīng)過多個(gè)過電孔串聯(lián)起來分別在最外層線路形成測試端點(diǎn)，形成大小不同電阻。

這種特殊要求的PCB對我們來說雖然是困難，但也是一個(gè)機(jī)遇，所以我們積極承擔(dān)起這項(xiàng)任務(wù)?？蛻舴矫嬉彩欠浅７e極配合，提供了一塊實(shí)物板供切片分析，允許我們根據(jù)實(shí)際制程能力適當(dāng)調(diào)整。模擬出匹配的線寬和銅厚及各參數(shù)，努力制作出滿足電阻值要求的PCB產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)理念

PCB線路的電阻值包括線條電阻和導(dǎo)通孔電阻，根據(jù)電路公式可以理論計(jì)算線路電阻值，計(jì)算公式：R=ρL/S。式中：ρ為物質(zhì)的電阻率、L為長度，S為截面積。銅的電阻率0.0178 Ω，即1 m長、截面積1 mm2的銅線電阻值。導(dǎo)通孔的電阻計(jì)算同樣此公式，其中L=介質(zhì)層厚度（孔的高度），S＝孔周長×孔壁銅厚=圓周率（π）×孔直徑×孔壁銅厚。

根據(jù)電阻的計(jì)算公式，此板線路電阻值主要的影響因子關(guān)系如下：與內(nèi)層電阻控值成正比，與線寬、銅厚成反比，與線長，補(bǔ)線（客戶允許時(shí)）和棕化成正比關(guān)系。半固化片、基板和油墨介電常數(shù)為材料特性，油墨又對電阻值影響較小，因此我們經(jīng)常通過調(diào)整其他參數(shù)來調(diào)整電阻值（見圖1）。該控制電阻PCB廠內(nèi)型號8244012，按客戶現(xiàn)有電阻值的要求及線長要求，同時(shí)對客戶所提供了一塊電阻合格實(shí)物板做切片分析，得出了一份大致的情報(bào)數(shù)據(jù)，如下：線寬的線頂在0.15 mm左右，線底在0.17 mm左右，內(nèi)層銅厚在 0.065 mm左右，孔銅厚在0.05 mm左右。

圖1 影響電阻值的主要因素和關(guān)系圖

成品阻值測量需要在外層之后測量，但是線路都是在內(nèi)層的，為了能夠在內(nèi)層時(shí)就對阻值有控制，我們在制作的前期，考慮設(shè)計(jì)控制內(nèi)層每層的電阻（預(yù)設(shè)模擬阻值的方式），來達(dá)到成品板上串聯(lián)電阻達(dá)標(biāo)的控制方法。有關(guān)互連導(dǎo)通孔電阻，由固定板厚、孔徑和穩(wěn)定孔壁銅厚保證，不再作具體分析。

2 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)分析

影響阻值的關(guān)鍵因素除了介質(zhì)厚度、線寬、銅厚及介電常數(shù)等項(xiàng)目外，在線路板中電阻線面臨的環(huán)境比較復(fù)雜，如內(nèi)層單層電阻控制對成品電阻值的影響、補(bǔ)線對阻值的影響、層壓配對壓合對阻值的影響、表面處理對阻值的影響等，這些因素也是不容忽視的。為了深入了解設(shè)計(jì)對阻值的影響，現(xiàn)針對阻值影響進(jìn)行測試并收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方法

采用DOE（正交實(shí)驗(yàn)）。

（1）因素的選定。對已經(jīng)確定的干擾因素不做考慮，如板厚狀況、銅厚狀況、介電常數(shù)等，本次實(shí)驗(yàn)選定4種暫不明確的因素：①內(nèi)層單層電阻控制；②補(bǔ)線；③層壓配對壓合；④噴錫后連錫堵孔問題；

（2）確定已選4因素下的水平數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)每因素確定3個(gè)水平（見圖2）。

圖2 DOE正交實(shí)驗(yàn)方案

（3）采用L9（3，4）方式配置，9次實(shí)驗(yàn)完成，不使用DOE方法需要81次實(shí)驗(yàn)完成，以下是正交（見表1）。

表1 正交試驗(yàn)表

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 測試板

按試驗(yàn)方案制作測試板。每次測試以10塊為一批量，每次實(shí)驗(yàn)采用同樣的前處理，同一批設(shè)備，同一批操作工，同樣的板材。

試板的流程：內(nèi)層（數(shù)據(jù)收集）→補(bǔ)線（數(shù)據(jù)收集）→棕化（數(shù)據(jù)收集）→壓合（數(shù)據(jù)收集）→外層（數(shù)據(jù)收集）→熱風(fēng)整平焊錫（數(shù)據(jù)收集）

依收集數(shù)據(jù)分析最佳參數(shù)，以最佳參數(shù)生產(chǎn)，并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.2 不同內(nèi)層電阻值試驗(yàn)

共對九批板的內(nèi)層蝕刻后測量每層模擬電阻值，其中選定內(nèi)層電阻值測試數(shù)據(jù)分別為22 Ω±0.5 Ω、21 Ω±0.5 Ω、20 Ω±0.5 Ω，各三批。測得九批板的電阻值均在范圍內(nèi)，例如第一批內(nèi)層蝕刻后測量的每層模擬電阻值（如圖3）。

做完內(nèi)層之后，進(jìn)行了補(bǔ)線及棕化分析，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)線對成品的電阻影響不大；補(bǔ)線板和不補(bǔ)線板電阻相差不大；補(bǔ)線前后相差0.3 Ω.棕化后會使理論內(nèi)層的電阻值增加1.5 Ω左右，對線寬影響不大。

2.3 測試狀況

測試結(jié)果得出（如圖4）。綜合匯總試板過程和數(shù)據(jù)，得出最佳組合（試驗(yàn)午9，因素3-3-2-1）為：（a）內(nèi)層阻值控制在20 Ω±0.5 Ω；（b）允許少量補(bǔ)線；（c）內(nèi)層阻值大小配對組合；（d）風(fēng)整平無問題。我們得出了此有電阻值要求PCB的關(guān)鍵控制措施和經(jīng)驗(yàn)：

（1）內(nèi)層芯板蝕刻后，各層實(shí)測模擬電阻值一定要控制在20 Ω～21 Ω之間，且各層電阻盡量靠近中值20.5 Ω；

（2）內(nèi)層之后，層壓之前一定要把各層編好號，并且要按各層大阻值和小阻值搭配去壓合，盡量保持累計(jì)4層的阻值按中值控制好。如未按大小配對壓合，會增加10%～15%的報(bào)廢率，若按客戶后續(xù)每月10多萬的訂單，僅大小配對壓合這一個(gè)措施就能節(jié)省約每月1萬元的成本；

（3）熱風(fēng)整平焊錫的品質(zhì)一定要控制好，絕對不能有堵孔和孔間連錫短路，對阻值影響非常大。

圖3 第一批內(nèi)層蝕刻后測量的每層模擬電阻值（平均值21.9）

圖4 DEO試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證設(shè)計(jì)

這次試板一共投了10塊在制板，按后續(xù)批量生產(chǎn)的方式去管控，模擬阻值也盡量往中值控制，層壓時(shí)大小阻值配對壓合，熱風(fēng)整平焊錫后所有連錫及堵孔全部修理后才允許走板。

3.2 過程測量

過程測量（如圖5）。

生產(chǎn)模擬壓合的阻值配對成功8塊板（10組板報(bào)廢2組），8塊板外層蝕刻和熱風(fēng)整平焊錫（HASL）后分別實(shí)測成品電阻值見表2，都符合要求要求阻值1/2端點(diǎn)201.4 Ω～237.6 Ω，3/4端點(diǎn)（5.98 Ω～7.02 Ω）。

有關(guān)合格在制板的數(shù)據(jù)記錄例（如圖6）。

3.3 生產(chǎn)模擬批次總結(jié)

此批板子就是補(bǔ)L4層線時(shí)報(bào)廢了2個(gè)單元，為了配對而直接報(bào)廢了2塊在制板，其余板子的電阻值全部合格。

4 總結(jié)

對于高精度電阻值要求的多層PCB線路，在穩(wěn)定互連導(dǎo)通孔鍍層基礎(chǔ)上，重點(diǎn)是控制內(nèi)層線條，并做好配對層壓，得到經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）內(nèi)層芯板蝕刻后，各層實(shí)測模擬電阻值一定要控制在20 Ω～21 Ω之間，且各層電阻盡量靠近中值20.5 Ω；

圖5 生產(chǎn)模擬內(nèi)層蝕刻后電阻值

表2 外層受控線路電阻值

圖6 合格在制板的數(shù)據(jù)記錄例

（2）內(nèi)層形成之后，層壓之前一定要把各層編好號，并且要按各層大阻值和小阻值搭配去壓合，盡量保持累計(jì)4層的阻值按中值控制好；

（3）AOI補(bǔ)線后的板子一定要重新測量電阻值變化，并登記好后，再配對壓合；

（4）噴錫的品質(zhì)的一定要控制好，絕對不能有堵孔和孔間連錫短路。此類訂單，還是需要工程師全程跟進(jìn)生產(chǎn)，并做好異常記錄，相信在各方面都控制好的話，這類高精度電阻值要求的多層PCB完全可以批量化生產(chǎn)。