緩沖材料對多層印制電路板壓合的影響研究

吳科建 韓雪川 陳文卓 曹宏偉 吳杰

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

隨著印制電路板（printed circuit board，PCB）向高頻高速、高密度、多功能方向發(fā)展［1-3］，高多層PCB 在通信、數(shù)據(jù)中心、IC 測試等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加。壓合是高多層PCB 加工過程的關(guān)鍵制程之一，其中板厚均勻性和填膠是壓合過程中需管控的重點，將影響背鉆、阻抗和可靠性，一直是業(yè)內(nèi)需要解決的難點。

壓合制程的影響因素很多，包括工程設(shè)計、制程參數(shù)、材料特性、設(shè)備工裝等。韋延平等［4］研究了工藝邊設(shè)計和鋪假銅等優(yōu)化措施改善厚銅壓合板的厚度均勻性；陳顯任等［5］測試了不同排板結(jié)構(gòu)設(shè)計對板厚均勻性和背鉆殘根（Stub）的影響，發(fā)現(xiàn)PacoPads（一種專用紙基緩沖墊）和硅膠墊可以改善板厚均勻性；韓雪川等［3］研究了壓合參數(shù)和疊板結(jié)構(gòu)對高多層PCB 板厚均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)PacoPads 疊板有助于改善壓合板厚均勻性問題。在覆銅板（copper clad laminate，CCL）和PCB 壓合加工過程中，在壓機每個開口的上下兩面放置緩沖材料可緩沖溫度，即延緩加熱板熱量傳導(dǎo)到壓合板的速度，盡量縮小開口內(nèi)層間溫度的差異，還可緩沖壓力，即緩沖加壓過程對壓合板的沖擊力和分散托板與鏡面鋼板間的應(yīng)力集中［6-7］。

本文主要研究壓合緩沖材料的緩沖性能，以及不同緩沖材料疊板對壓合制程的影響，如板厚均勻性、漲縮比例、可靠性和填膠等，為同行改善壓合制程問題提供參考。

1 緩沖材料緩沖量測試

1.1 測試儀器和測試方法

1.1.1 測試儀器

活全實驗壓機、千分尺。

1.1.2 測試方法

（1）用千分尺分別測量每張緩沖材料的厚度，然后將緩沖材料裁成50 mm×100 mm大小。

（2）在鋼板上將多張緩沖材料堆疊成兩疊，中間放入鉛條，使緩沖材料堆疊高度與鉛條厚度相當(dāng)。

（3）放入壓機進行升溫和加壓測試（溫度170 ℃、壓力3 MPa、時間10 min），壓合完成后取出鉛條，測量鉛條厚度，計算緩沖量，公式如下：

式中：l為緩沖量；H0為初始鉛條厚度；H為壓合后鉛條厚度。

1.2 緩沖量測試結(jié)果

分別測試了多種緩沖材料的緩沖量，測試結(jié)果如表1和圖1所示。從測試結(jié)果可以看出，三合一的緩沖量最大為52.6%，鋁片的緩沖量最小為2.6%，其中，三合一、PacoPads、半固化片（prepreg，PP）的緩沖量大于常規(guī)牛皮紙的，壓合片（一種緩沖墊）、離型膜、鋁片的緩沖量小于牛皮紙的。緩沖材料的緩沖覆形，有助于均衡壓合板壓合過程中的壓力，使樹脂流膠填充線路圖形填膠區(qū)，避免出現(xiàn)缺膠空洞。由于PCB設(shè)計多樣，不同產(chǎn)品圖形填充區(qū)域各有差異，需選擇不同的緩沖材料進行實驗，進而選出合適的緩沖方式進行壓合疊板。

圖1 緩沖材料緩沖量

表1 緩沖材料緩沖量

2 緩沖材料壓合疊板測試

2.1 實驗板設(shè)計和壓合疊板結(jié)構(gòu)

2.1.1 實驗板設(shè)計

為了研究不同緩沖材料對壓合制程的影響，分別設(shè)計2個實驗板。實驗板1用于測試不同緩沖材料疊板壓合的板厚均勻性、漲縮比例、可靠性等，實驗板2用于測試不同緩沖材料疊板壓合的填膠能力。實驗板關(guān)鍵參數(shù)見表2，疊層如圖2所示。

圖2 實驗板疊層圖

表2 實驗板參數(shù)信息

2.1.2 緩沖材料壓合疊板結(jié)構(gòu)

選擇不同緩沖材料，設(shè)計以下多種壓合疊板結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 不同緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)

常規(guī)疊板結(jié)構(gòu)疊層上下只用牛皮紙；防皺疊板在疊層中間增加牛皮紙，改善填膠和防止銅皮起皺；鋁片+三合一疊板，2 種材料搭配使用，貼合板面放置；壓合片、緩沖PP、PacoPads 疊板，與待壓壓合板之間以鏡面鋼板隔離。

2.2 不同緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)壓合料溫

壓合疊板時，在疊層中第一塊板面上接熱電偶測溫線，收集壓合過程中料溫數(shù)據(jù)。不同疊板結(jié)構(gòu)，其升溫速率和上壓點均不同。其中，鋁片+三合一、壓合片、PacoPads 緩沖材料疊板，在樹脂熔融溫度區(qū)間（80～140 ℃），其升溫速率比常規(guī)疊板的增大，防皺疊板的升溫速率比常規(guī)疊板的低，而緩沖PP 疊板的升溫速率與常規(guī)疊板的接近；鋁片+三合一疊板的上高壓點溫度與常規(guī)疊板的接近，防皺、壓合片、緩沖PP、PacoPads 的上高壓點溫度提前，如圖4所示。

圖4 不同緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)壓合溫升和高壓點

2.3 不同緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)壓合測試結(jié)果

2.3.1 板厚均勻性

實驗板1 壓合卸板后，用板厚量測儀測試板厚數(shù)據(jù)，每塊板測量120 個數(shù)據(jù)，計算板厚極差和繪制板厚分布圖，如圖5 所示。從結(jié)果可以看出，緩沖材料PacoPads 疊板的板厚波動最小、板厚分布均勻性最好，與常規(guī)疊板對比，3 mm 板厚的高多層板，其板厚極差由0.25 mm 內(nèi)改善到 0.2 mm 內(nèi)；防皺、鋁片+三合一、壓合片、緩沖PP 等疊板結(jié)構(gòu)，其板厚極差與常規(guī)疊板結(jié)構(gòu)的差異不大。PacoPads 緩沖疊板有利于改善壓合板的板厚均勻性。

圖5 不同緩沖材料疊板壓合板厚

2.3.2 漲縮比例

實驗板1 壓合卸板后，用三次元測量漲縮比例，然后計算實際尺寸與設(shè)計尺寸的差值。不同緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)的結(jié)果對比如圖6 所示。常規(guī)疊板結(jié)構(gòu)的漲縮為0.01～0.06 mm，PacoPads 疊板的漲縮為0.01～0.04 mm，PacoPads 的漲縮相對最小，其他緩沖材料疊板結(jié)構(gòu)的漲縮與常規(guī)疊板結(jié)構(gòu)的沒有明顯差異。結(jié)果表明，使用PacoPads 緩沖疊板有助于控制壓合板的漲縮比例，可以用于高對位要求產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。

圖6 不同緩沖材料壓合疊板漲縮比例

2.3.3 可靠性

實驗板1加工完成后，經(jīng)過5次無鉛回流焊測試，然后取切片確認有無分層爆板。該實驗板為某客戶產(chǎn)品板，1 mm 節(jié)距球柵陣列（ball grid array，BGA），無銅區(qū)為不規(guī)則區(qū)域，常規(guī)疊板方式及其他不同緩沖材料疊板，均未出現(xiàn)分層爆板現(xiàn)象，如圖7所示，均為合格。

圖7 可靠性測試切片

2.3.4 填膠

制作填膠實驗板2，測試不同緩沖材料壓合疊板的填膠能力，測試結(jié)果見表3。與常規(guī)疊板結(jié)構(gòu)相比，疊板結(jié)構(gòu)中增加緩沖材料后，填膠能力增強，其中，鋁片+三合一疊板結(jié)構(gòu)的填膠能力最優(yōu)。這可能是由于其他幾種疊板結(jié)構(gòu)，緩沖材料與壓合板之間隔著鏡面鋼板，鋼板的硬度大，在高壓條件下覆形能力有限；而鋁片+三合一疊板結(jié)構(gòu)是貼近壓合板的，從前面緩沖量的測試結(jié)果可以看出，三合一的緩沖量大，在銅皮區(qū)和無銅區(qū)的緩沖覆形能力強。由于要兼顧板面平整度，搭配鋁片一起使用，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)［237 W/（m·K）］比鋼板的［18 W/（m·K）］大得多，有助于改善板面的溫度均勻性。

表3 不同緩沖材料疊板填膠能力

3 結(jié)論

本文主要研究緩沖材料的緩沖量，以及不同緩沖材料壓合疊板的壓合制程能力表現(xiàn)，具體得出以下結(jié)論：

（1）常用緩沖材料的緩沖量，三合一＞PacoPads＞7628 緩沖PP＞牛皮紙＞壓合片＞離型膜＞鋁片。

（2）不同緩沖材料壓合疊板測試，在板厚均勻性、漲縮比例方面，PacoPads 的控制最好；在填膠方面，鋁片+三合一表現(xiàn)最優(yōu)；可靠性方面均可以。

在PCB 壓合制程中應(yīng)用緩沖材料，主要是緩沖壓合過程中的溫度和壓力。緩沖溫度，除了影響Z向的升溫外，還會影響XY平面的溫度分布；緩沖壓力，緩沖材料的壓縮覆形使高低壓區(qū)域壓力均衡。在選擇緩沖材料時，如果要解決缺膠的問題，則選用填膠能力好的緩沖材料，如鋁片+三合一；如果要解決板厚均勻性問題，PacoPads 是不錯的選擇。

壓合的影響因素較多，緩沖材料只是其中一個影響因子。在解決壓合制程相關(guān)問題時，還需要綜合考慮參數(shù)和設(shè)計，盡量用最優(yōu)的參數(shù)來加工產(chǎn)品，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。