焦云峰（ 深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

一種臺(tái)階板加工方法研究

Paper Code: S-094

焦云峰
（ 深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

近年來(lái)，隨著PCB的迅猛發(fā)展，PCB的設(shè)計(jì)也日新月異。對(duì)于臺(tái)階板的制作，目前業(yè)內(nèi)主要是采用先內(nèi)層開槽，壓合前填充緩沖材料，壓合后控深開蓋取出緩沖材料的工藝生產(chǎn)。文章介紹了一種臺(tái)階板加工的新方法，該方法可以彌補(bǔ)常規(guī)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果，滿足有特殊要求的板件制作。

激光成型；臺(tái)階板；流膠

1 前言

隨著電子產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展和多功能化的要求，為了提高產(chǎn)品性能、產(chǎn)品組裝密度、減小體積和重量，PCB的設(shè)計(jì)也日新月異。為了加大散熱面積和加強(qiáng)表面元器件的安全性，為了滿足通訊產(chǎn)品高速、高信息量的需求，需要設(shè)計(jì)凹陷區(qū)域固定及焊接元器件，通常情況下臺(tái)階槽底部要求為剛好是某一層次圖形，采用機(jī)械控深銑的方法無(wú)法滿足深度要求。

2 激光成型介紹

激光成型是應(yīng)用最廣泛的一種激光加工技術(shù)，其原理是經(jīng)過(guò)激光經(jīng)過(guò)聚合照射到材料上，使材料溫度急劇升高至融化或汽化，隨著激光與被切割材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。其運(yùn)用的是激光消融的原理，而激光消融在本質(zhì)上是光的熱效應(yīng)或光的化學(xué)效應(yīng)。

2.1 激光成型與傳統(tǒng)機(jī)械銑加工的優(yōu)勢(shì)

（1）沒(méi)有切削應(yīng)力。由于激光成型采用非接觸式材料的加工方法，因此沒(méi)有切削應(yīng)力。

（2）對(duì)于薄板和軟板來(lái)說(shuō)，可以避免板件變形帶來(lái)的形狀偏差及精度偏差。

（3）加工精度更高。由于沒(méi)有切削應(yīng)力的存在，因此可以獲得更高的加工精度，理論加工精度可達(dá)±1 mil。

（4）切口更窄。激光光斑直徑比銑刀直徑要小得多，因此切口更窄，適合加工微型板件。

（5）深度控制。由于激光采用非接觸式材料的加工方法，切削深度可以通過(guò)切割速度、脈沖頻率、切割次數(shù)等參數(shù)控制，因此調(diào)整這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)深度的精確控制。

2.2 兩種激光成型方式對(duì)比

目前業(yè)內(nèi)激光成型共有兩種方式，分別為CO2激光成型和UV激光成型。兩者不同點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：

（1）消融原理不同。CO2激光成型利用的是光的熱效應(yīng)消融，UV激光成型利用的是光的化學(xué)效應(yīng)消融。

各種材料對(duì)UV及CO2激光的吸收能力不同。UV光可被樹脂及各種金屬材料吸收，但CO2光除樹脂外對(duì)其它金屬材料吸收不明顯，見圖1。

（2）焦深比不同。見圖2所示。

（3）UV及CO2激光加工效果對(duì)比。

（4）UV及CO2激光對(duì)比匯總。

圖1 各種材料對(duì)UV及CO2激光的吸收能力對(duì)比

圖2 UV及CO2激光焦深比對(duì)比

3 常規(guī)臺(tái)階板加工工藝及局限性

常規(guī)臺(tái)階板加工工藝一般采用內(nèi)層芯板及PP開槽，壓合前槽內(nèi)塞墊片的工藝制作，具體流程如下：

圖3 常規(guī)臺(tái)階板工藝流程

表1 UV激光與CO2激光對(duì)比

根據(jù)以上工藝流程特點(diǎn)，可以看出，此工藝具有一定程度的局限性：

（1）對(duì)于小臺(tái)階板件，由于墊片過(guò)小，采用手工放置的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)于臺(tái)階槽下方有金屬化孔的板件，外層電鍍時(shí)電鍍藥水會(huì)將臺(tái)階槽底部圖形污染。

（3）對(duì)于金屬化孔距臺(tái)階槽較近的板件，很容易因鉆孔破盤導(dǎo)致電鍍藥水流入臺(tái)階槽空腔區(qū)域。

（4）需要使用不流膠或低流膠PP，采用高流膠PP時(shí)仍有流膠風(fēng)險(xiǎn)。

（5）墊片容易在運(yùn)輸及壓合過(guò)程中跑位造成板件報(bào)廢。

（6）工藝流程復(fù)雜，需要手工操作。

4 激光成型在臺(tái)階板加工中的應(yīng)用

針對(duì)以上臺(tái)階板采用塞墊片工藝的局限性，筆者研究了使用激光加工露出線路層的方法制作臺(tái)階槽，通過(guò)近兩年來(lái)的不斷研究及改進(jìn)，目前此方法已頗具雛形，具體工藝流程如下：

內(nèi)層各層次正常加工——層壓——鉆孔——電鍍——制作線路圖形——控深銑槽開蓋——激光控深加工——等離子去鉆污及活化——噴砂（酸洗）——表面涂覆——

由于CO2激光具有能量大，熱影響范圍廣，切割效率高且不易傷銅面的優(yōu)點(diǎn)，因此本文主要介紹采用CO2激光成型制作臺(tái)階的方法。

本加工方案制作難點(diǎn)及控制要點(diǎn)：

（1）控深銑槽開蓋：此處需控制殘留基材厚度≤0.10 mm。殘留基材過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致后續(xù)激光加工效率低下，且殘留膠渣過(guò)厚去鉆污無(wú)法去除；殘留基材過(guò)薄容易切傷槽底線路層造成報(bào)廢。針對(duì)此加工難點(diǎn)，業(yè)內(nèi)目前有兩種銑床可滿足此要求，一是導(dǎo)電式控深銑床，另一類是探點(diǎn)式控深銑床，原理分別如下：

此類銑床通過(guò)銑刀與板面的銅層形成的一個(gè)閉合回路來(lái)測(cè)量和控制主軸的下降高度，從而實(shí)現(xiàn)深度控制銑板。板面銅層可以是表層也可以是特定層（比如臺(tái)階槽底線路層），當(dāng)表層與階梯層相連時(shí)，可以采用預(yù)銑開窗的方式將表層銅與階梯層斷開。此種導(dǎo)電式控制深度銑板精度可以控制在±0.05 mm。

此類銑床在加工前，首先會(huì)對(duì)銑床臺(tái)面（紙墊板）在將來(lái)加工區(qū)域探點(diǎn)測(cè)量Z向高度，然后將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至電腦，后續(xù)控深加工時(shí)將對(duì)應(yīng)位置數(shù)據(jù)調(diào)出，通過(guò)與板厚數(shù)據(jù)換算，即可得出每點(diǎn)的控深數(shù)據(jù)，最終確保余厚相對(duì)均勻。

（2）激光控深加工：此處激光能量的選用非常重要，能量過(guò)大或切割次數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致切傷槽底圖形及基材；能量不足或切割次數(shù)過(guò)少會(huì)導(dǎo)致槽底余膠未被燃燒干凈。

實(shí)際加工時(shí)，對(duì)于臺(tái)階槽底部圖形為銅皮的板件，操作及控制較為簡(jiǎn)單，整個(gè)槽面全部加工即可。但對(duì)于臺(tái)階槽底部有線路的板件，若整面加工，則會(huì)對(duì)無(wú)銅區(qū)域產(chǎn)生過(guò)切；但若只燒線路區(qū)域，無(wú)銅區(qū)與線路落差過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致客戶無(wú)法焊接。對(duì)于此類板件，可采用方法：①先采用激光控深燒面，控制激光能量以即將露出線條銅面為準(zhǔn)；②對(duì)線條區(qū)域單獨(dú)采用激光燒加工，控制激光能量以即將露出黑色的線條銅面為準(zhǔn)。

（3）等離子去鉆污：等離子是一種電中性、物理與化學(xué)活性氣體的混合物，包括離子、原子團(tuán)及反應(yīng)的產(chǎn)物。這些活性氣體能夠進(jìn)行多種表面處理，包括表面活化、鉆污的去除等。等離子體工藝的類型由PCB材料種類和后續(xù)工藝要求決定，且受等離子體的條件控制。典型的等離子設(shè)備由四個(gè)主要組成部分：真空室、電極、真空泵和射頻（RF）電源。PCB應(yīng)用時(shí)，PCB板置于真空室內(nèi)，被懸掛在兩電極之間。真空泵系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)葉輪泵，雙轉(zhuǎn)子真空泵，被用來(lái)保持等離子體處理時(shí)的壓力。氣源以特定的流量比率，通過(guò)多個(gè)流量控制器引入。一旦達(dá)到期望的處理壓力，RF電源用來(lái)向電極供電，從而激發(fā)等離子體加工。等離子體活性氣體是由物理和化學(xué)兩種工藝，通過(guò)離子轟擊和各自的化學(xué)反應(yīng)形成的原子團(tuán)/副產(chǎn)物。試樣表面能發(fā)生的不同反應(yīng)，取決于氣體或混合氣體性質(zhì)和組成。此工藝常被用來(lái)去除鉆孔鉆污、去除激光殘留碳及對(duì)基材表面活化等。

本文重點(diǎn)介紹去除激光殘留碳的過(guò)程，其可分3個(gè)部分：

①加熱。為了使PCB板得到充分的化學(xué)反應(yīng)，板子必須加熱到80 ℃ ～ 100 ℃，用流量為（2～3）L/min的O2和N2混合物，以一種高射頻電源快速加熱板子。

②去除樹脂。CF4和O2混合產(chǎn)生化學(xué)等離子體，去除凸出部分的樹脂。處理時(shí)間一般為15～25 min。

③去除碳渣。Ar同少量百分比的O2能去除掉碳和任何留下的樹脂。處理時(shí)間一般為10～20 min。

等離子體工藝的加工效果與電源、氣體流量、壓力、處理時(shí)間和板表面積有關(guān)。

④可靠性測(cè)試

5 總結(jié)

隨著PCB設(shè)計(jì)類型日益增多，各種要求也越來(lái)越高，而激光成型作為一種新興的加工方式，具有比傳統(tǒng)機(jī)械加工無(wú)可比擬的優(yōu)越性。本文介紹的采用控深銑槽開蓋——激光控深加工——去除膠渣及氧化的三步走的方法適用面非常廣， 在不考慮生產(chǎn)效率的前提下，理論上可以解決所有側(cè)壁非金屬化臺(tái)階板的加工問(wèn)題，尤其是對(duì)于小臺(tái)階及無(wú)法使用低流膠PP的板件特別適用。當(dāng)然，采用UV激光及KMnO4去鉆污的方式也能達(dá)到類似的效果，本文不再贅述。

[1]羅龍. 一種特殊階梯板制作工藝技術(shù)的開發(fā)[C]. 2011秋季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇.

[2]焦云峰. 激光成型技術(shù)在臺(tái)階板加工中的應(yīng)用研究[C]. 2012春季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇.

[3]冶忠領(lǐng). 激光分板應(yīng)用介紹. 樂(lè)普科光電有限公司.

A research on the process technology of step boards

JIAO Yun-feng

In recent years, the PCB design is also changing accordingly with the rapid development of PCB. For the step boards, the production technology in the PCB industry is cutting the slot and filling the buffer material before the lamination after lamination using the control depth routing to remove the buffer material. This thesis introduces a new method which was applied in the manufacturing of the depth boards. This method can be served as remedy for the normal manufacturing process and also satisfy the manufacturing of the special boards.

Laser Shape; Step Boards; Resin Flow

TN41

A

：1009-0096（2015）03-0077-04