高密度印制板層間對(duì)準(zhǔn)度的研究

金立奎 黃得俊 邱永強(qiáng)

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519175）

0 前言

隨著終端電子產(chǎn)品輕量化、智能化和高頻高速化發(fā)展，印制電路板（PCB）產(chǎn)品也相應(yīng)向薄型、高密度、高精度、高速、高可靠性發(fā)展，由此導(dǎo)致PCB的圖形設(shè)計(jì)面積不斷縮小、布線密度不斷提高，對(duì)工廠的線路制作能力提出越來(lái)越高的要求。高精度PCB已經(jīng)量產(chǎn)多年，主要是通過(guò)增加密度達(dá)到降低整體板厚、節(jié)省空間的目的，同時(shí)也給PCB加工帶來(lái)一定難度。經(jīng)過(guò)多年的高發(fā)展，批量應(yīng)用盲孔孔徑76 μm，盲孔環(huán)寬度速降至50 μm以內(nèi)。為了滿足客戶的需求，必須要對(duì)PCB的對(duì)準(zhǔn)度能力進(jìn)一步提升，對(duì)準(zhǔn)度的管控，涉及到包括前期設(shè)計(jì)及加工制作管控在內(nèi)的整個(gè)流程。本文主要針對(duì)影響對(duì)準(zhǔn)度的主要原因進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)、各加工站別的設(shè)備精度、影響因子等進(jìn)行驗(yàn)證，并提出改善方案供同行生產(chǎn)時(shí)參考。

1 層間對(duì)準(zhǔn)度介紹及難點(diǎn)分析

1.1 高精密PCB層間對(duì)準(zhǔn)度介紹

對(duì)準(zhǔn)度例圖見(jiàn)圖1所示。影響制作層間對(duì)準(zhǔn)度就是PCB生產(chǎn)過(guò)程中各制程的匹配度。在高密度產(chǎn)品中，主要影響生產(chǎn)品質(zhì)的是盲孔打孔位置與承接連接盤（Pad）的匹配度（上下層盲孔偏移要求≤50 μm，不良圖示見(jiàn)圖1a），圖形生產(chǎn)時(shí)圖形與盲孔位置的匹配度（上部圖形Pad與盲孔不能破，不良圖示見(jiàn)圖1b）。隨著客戶設(shè)計(jì)高密度發(fā)展，對(duì)于對(duì)準(zhǔn)度要求也越來(lái)越高。

1.2 層間對(duì)準(zhǔn)度難點(diǎn)分析

對(duì)準(zhǔn)度的品質(zhì)關(guān)系到整個(gè)制造體系，包括工程設(shè)計(jì)、對(duì)位系統(tǒng)、盲孔加工、圖形加工、壓合加工等，下面針對(duì)每一個(gè)部分分別進(jìn)行分析解讀。

1.2.1 對(duì)位系統(tǒng)說(shuō)明

為了保證對(duì)準(zhǔn)度精度，從下料開(kāi)始到外層圖形都有測(cè)試出最佳的對(duì)位方式，形成一整套的對(duì)位系統(tǒng)。對(duì)位系統(tǒng)需每一層進(jìn)行承接，設(shè)計(jì)每一層的對(duì)位都以上一層加工出來(lái)的孔或Pad為參考，保證一致性，具體流程及對(duì)位方式見(jiàn)圖2所示。

1.2.2 激光孔加工

板件經(jīng)層壓高溫及在高壓下會(huì)造成漲縮，激光加工時(shí)使用的漲縮比例是否匹配，激光機(jī)臺(tái)抓取靶點(diǎn)是否失真及機(jī)臺(tái)加工精度是否可靠？這些都決定著盲孔與內(nèi)層承接圓盤的匹配性。

1.2.3 圖形加工

在高密度化發(fā)展的今天，采用照相底片曝光已經(jīng)不能完全滿足任意層互連高精度的需求，必須使用LDI（激光直接成像）曝光機(jī)。LDI曝光機(jī)的對(duì)位精度于其對(duì)位方式、對(duì)位靶標(biāo)的品質(zhì)及曝光機(jī)的精度直接相關(guān)。

1.2.4 壓合加工

由于HDI板很薄，在壓合過(guò)程中十分容易產(chǎn)生形變，如單角、單區(qū)域等局部形變等。當(dāng)內(nèi)層圖形產(chǎn)生形變以后，內(nèi)層圓盤等位置已經(jīng)發(fā)生變化，后續(xù)激光對(duì)位無(wú)法保證很好的承接，造成整體對(duì)準(zhǔn)度偏差大。壓合壓機(jī)的均勻性，壓合程式參數(shù)設(shè)計(jì)等對(duì)于對(duì)準(zhǔn)度的影響最大，所以保證壓機(jī)的均勻性，測(cè)試出最佳的壓合程式是保證對(duì)準(zhǔn)度的關(guān)鍵。

2 對(duì)準(zhǔn)度能力測(cè)試及提升

2.1 激光工序

對(duì)于對(duì)準(zhǔn)度的影響主要體現(xiàn)在激光機(jī)設(shè)備精度方面，若要達(dá)到高的對(duì)位精度，在生產(chǎn)前必須對(duì)機(jī)臺(tái)的能力進(jìn)行檢核及確認(rèn)。下面介紹一種檢測(cè)方法。

（1）使用傳統(tǒng)圖形轉(zhuǎn)移生產(chǎn)的底片，在底片上繪直徑300 μm～400 μm的圓盤圖形，每張底片分為3×3，合計(jì)9個(gè)區(qū)域（見(jiàn)圖3所示）。

（2）將準(zhǔn)備好的底片當(dāng)作生產(chǎn)的產(chǎn)品，激光正常打孔生產(chǎn)。生產(chǎn)完成通過(guò)高倍顯微鏡測(cè)量圖形盤與盲孔兩者同心度，從而來(lái)檢測(cè)設(shè)備精度（通常最大值25 μm），對(duì)不合格機(jī)臺(tái)需進(jìn)行相關(guān)調(diào)整維護(hù)。

圖1 對(duì)準(zhǔn)度例圖

圖2 對(duì)準(zhǔn)度對(duì)位系統(tǒng)示意圖

（3）對(duì)激光機(jī)臺(tái)精度測(cè)試狀況進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)設(shè)備精度進(jìn)行分類管理：A類設(shè)備精度≤20 μm；B類設(shè)備精度≤25 μm；C類設(shè)備精度≤30 μm；D類設(shè)備精度≤35 μm。A/B/C類機(jī)臺(tái)可根據(jù)產(chǎn)品的難易程度進(jìn)行選用，D類需停機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，將設(shè)備的精度列表管理，并定期檢測(cè)。

圖3 激光機(jī)臺(tái)確認(rèn)底片示意圖

2.2 圖形轉(zhuǎn)移工序

為了保證圖形轉(zhuǎn)移與激光的匹配性，現(xiàn)大部HDI（高密度互連）生產(chǎn)廠商都使用了激光打出的靶標(biāo)對(duì)位；影響圖形與激光的匹配性的因素包含：對(duì)位靶標(biāo)的品質(zhì)、生產(chǎn)比例的匹配性及圖形曝光機(jī)臺(tái)的精度等方面。其中生產(chǎn)比例的匹配性主要是針對(duì)來(lái)料的比例確認(rèn)及要求來(lái)料品質(zhì)來(lái)解決，現(xiàn)主要針對(duì)其它兩個(gè)關(guān)鍵因子進(jìn)行測(cè)試及優(yōu)化。

2.2.1 對(duì)位靶標(biāo)對(duì)對(duì)準(zhǔn)度的影響

高密度圖形的位置需要與前一次的激光高度匹配，圖形生產(chǎn)時(shí)采用激光打出的靶標(biāo)對(duì)位，通過(guò)對(duì)比內(nèi)鉆孔與激光靶孔生產(chǎn)產(chǎn)品的偏移量，發(fā)現(xiàn)采用激光靶對(duì)位要比內(nèi)鉆孔的精度提升20 μm以上，測(cè)試偏移數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4、表1）。

2.2.2 曝光機(jī)臺(tái)精度對(duì)對(duì)準(zhǔn)度的影響

曝光機(jī)臺(tái)的精度通常直接關(guān)系到與激光的匹配性，LDI曝光機(jī)通常都具備精度的校驗(yàn)?zāi)芰Γㄟ^(guò)機(jī)臺(tái)的測(cè)試可以得到設(shè)備的初步精度（見(jiàn)圖5），一般設(shè)備的這個(gè)能力需要達(dá)到12 μm以內(nèi)，若超出需要立即維修或保養(yǎng)。

以上的精度校驗(yàn)方法不是精度體現(xiàn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，可能出現(xiàn)校驗(yàn)后數(shù)據(jù)比較好，但生產(chǎn)的板實(shí)際有偏位的現(xiàn)象，以下介紹一種機(jī)臺(tái)精度的檢驗(yàn)方法：

（A）選一片板厚0.5～1.0 mm的基板，采用LDI曝光機(jī)1#、2#，使用同樣的對(duì)位靶標(biāo)分別制作出Pad及環(huán)（資料制作時(shí)Pad與環(huán)為同圓心），蝕刻后量5個(gè)區(qū)域/塊，3個(gè)點(diǎn)/區(qū)域，使用顯微鏡量測(cè)兩者圓心的距離（見(jiàn)圖6）。

（B）通過(guò)測(cè)量可發(fā)現(xiàn)機(jī)臺(tái)1#、2#的匹配性遠(yuǎn)沒(méi)有設(shè)備自己校驗(yàn)的數(shù)據(jù)那么好。從實(shí)際的數(shù)據(jù)來(lái)看，最大的偏移量會(huì)達(dá)到25 μm以上（見(jiàn)表2），這個(gè)數(shù)據(jù)在實(shí)物板生產(chǎn)時(shí)直接會(huì)體現(xiàn)在產(chǎn)品的對(duì)準(zhǔn)度上，當(dāng)數(shù)據(jù)大于25 μm以上時(shí)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修。如果需要達(dá)到更好的精度，需要采用分區(qū)對(duì)位及曝光的方式生產(chǎn)。

2.3 壓合工序

PCB壓合流程是通過(guò)高溫及高壓的方式將半固化片熔化后在壓力的作用下，實(shí)現(xiàn)基板與銅箔的結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)增層。壓機(jī)平整度及壓合的程式對(duì)壓合后的形變有明顯的影響，壓合后的板件發(fā)生形變，會(huì)造成激光打孔時(shí)底部的承接盤與激光孔不匹配現(xiàn)象，造成層間對(duì)準(zhǔn)度不良。針對(duì)壓機(jī)平整性需要通過(guò)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，下面主要針對(duì)壓合程式對(duì)形變的影響進(jìn)行層別及改善。

壓合時(shí)芯板的形變主要受升溫速率和壓合溫度的影響，壓合時(shí)需要根據(jù)板件的材料選用對(duì)應(yīng)的程式。在實(shí)際生產(chǎn)中為了提升生產(chǎn)效率，壓合的時(shí)間需要盡量縮短，這與保證形變的條件相矛盾，需要在產(chǎn)能及品質(zhì)中間找出合適的點(diǎn)。壓合程式包含：溫度、壓力及時(shí)間三個(gè)因子，其中溫度為分為：升溫段、恒溫段及降溫段。升溫及恒溫段關(guān)系到產(chǎn)品的信賴性，降溫段與板件的形變直接相關(guān)；壓力及時(shí)間需要與溫度配合，在下壓的板件溫度與時(shí)間成反比。下面針對(duì)壓合程式與板件的變形進(jìn)行對(duì)比測(cè)試：

圖4 對(duì)準(zhǔn)偏移測(cè)量

圖5 激光機(jī)臺(tái)確認(rèn)底片示意圖

圖6 圖形單面精度測(cè)試示意圖

表2 OB機(jī)臺(tái)雙面精度測(cè)試表格

（1）測(cè)試方法：使用0.2 mm～0.3 mm厚的基板，同一比例生產(chǎn)內(nèi)一圖形后，用不同的壓合程式壓合后，經(jīng)X-Ray打靶后量測(cè)形變數(shù)據(jù)，量測(cè)位置（見(jiàn)圖7所示）。

（2）壓合制程參數(shù)優(yōu)化：調(diào)整降溫速率，降低下板溫度及壓力（見(jiàn)圖8）。

圖7 比例量測(cè)示意圖

圖8 壓合程式調(diào)整示意圖

（3）形變確認(rèn)結(jié)果：在保證可靠性的前提下，降低壓力，減少高壓時(shí)間，對(duì)于板材局部變形改善明顯。測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比（見(jiàn)圖9）。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的殘銅率設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的搬運(yùn)動(dòng)作、刷磨是否規(guī)范等都會(huì)對(duì)層間對(duì)準(zhǔn)度有一定影響，各種相關(guān)因素相互交錯(cuò)，極為復(fù)雜，需要不

圖9 不同壓合程式形變對(duì)比示意圖

3 總結(jié)

精準(zhǔn)的層間對(duì)準(zhǔn)度是高精度HDI板生產(chǎn)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。影響高密度板對(duì)準(zhǔn)度的因子除了有通過(guò)烘烤等方式增加材料尺寸穩(wěn)定性外，還需要重新對(duì)現(xiàn)在的對(duì)位系統(tǒng)進(jìn)一步分析，并針對(duì)性的確認(rèn)圖形機(jī)臺(tái)精度、激光機(jī)臺(tái)加工精度及壓合程式等主要因子。當(dāng)然，除了以上提到的項(xiàng)目，斷進(jìn)行總結(jié)與探索。