楊 婷 何 為（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）胡永栓 蘇新虹 胡新星 史書漢（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

超高層數(shù)的背板制作中厚板壓合過程的影響因素研究

Paper Code: S-126

楊 婷 何 為
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）
胡永栓 蘇新虹 胡新星 史書漢
（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)印制電路板制造技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)要求越來越高。高密度布線的需求使印制電路板越來越厚，厚板的壓合成為印制電路板制造技術(shù)的難點(diǎn)。尤其是在高層數(shù)背板制作技術(shù)的開發(fā)中，厚板間壓合對(duì)位精度制約了整板的電氣性能，文章通過對(duì)壓合參數(shù)，疊層方法，定位方式，材料拉伸系數(shù)選擇等關(guān)鍵因素分析，得出了適合于厚板壓合的技術(shù)方案，提高厚板壓合的對(duì)位精度，改善厚板壓合中易出現(xiàn)的錯(cuò)位，缺膠和空洞等問題。

厚板壓合；層偏；對(duì)位精度；缺膠比例

1 引言

隨著通信行業(yè)的發(fā)展和建設(shè)，高層數(shù)背板已經(jīng)逐漸應(yīng)用開來，但是未來隨著各種聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)產(chǎn)品的增加，必將對(duì)信息傳遞提出更大容量，更高速度的要求。未來的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，必然會(huì)需要可以承載更多子板、信號(hào)損耗更小、可靠性更高的背板來支撐[1]。實(shí)現(xiàn)超高密度、更高層數(shù)的背板的制造技術(shù)將是未來印制電路行業(yè)的一個(gè)方向。

超高層數(shù)的背板制作有多種實(shí)現(xiàn)途徑：第一種N+芯板+N的高階高密度互聯(lián)技術(shù)制作，這種方法關(guān)鍵在于疊盲孔的對(duì)位精度控制，流程復(fù)雜，且隨著疊盲孔的增加，內(nèi)應(yīng)力不均勻問題會(huì)影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性；第二種直接高層數(shù)板壓合，采用通孔電鍍互連，這種技術(shù)受通孔電鍍的深度能力影響，厚徑比會(huì)限制整板的制程能力；第三種是將先制作好的子板壓合起來實(shí)現(xiàn)高層數(shù)，互連采用導(dǎo)電膠連接[2]，這種技術(shù)的好處是制作方法簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)超高層數(shù)電路板的制作，但是因其引入導(dǎo)電膏，互連電阻增大，且壓合子板的厚度增加，壓合工藝中易產(chǎn)生缺膠，空洞，錯(cuò)位等缺陷。隨著新材料的發(fā)展和工藝技術(shù)的提高，這種方法將是實(shí)現(xiàn)超高層數(shù)電路板的最具前景的技術(shù)。但無論是這三種技術(shù)的哪一個(gè)，壓合都是關(guān)鍵技術(shù)，尤其是后兩種技術(shù)，厚板壓合中會(huì)產(chǎn)生許多普通板壓合技術(shù)中早已解決，基本不再出現(xiàn)的問題，如缺膠，空洞，錯(cuò)位等。

本文將基于厚板壓合的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)研究厚板壓合各參數(shù)對(duì)壓合效果的影響，通過實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)的壓合技術(shù)方案。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

傳統(tǒng)的超高層數(shù)印制電路板的Z軸互連通常是通過電鍍通孔，局部層間導(dǎo)通孔和激光銅孔實(shí)現(xiàn)的。并通過通孔背鉆工藝來減少電鍍通孔線內(nèi)的分刺支引起的信號(hào)反射。各種互連組成的制作工藝十分繁雜?，F(xiàn)在新的超高層數(shù)的印制電路板制作工藝為了解決該問題，引入新的層壓工藝。每個(gè)層壓?jiǎn)卧制?，通過設(shè)計(jì)方法確保Z軸互聯(lián)的機(jī)械可靠性。例如分段單元為兩個(gè)20層的子板，或是3段或4段組成的52層板，每個(gè)單元制作后通過插入低彈性模量的粘結(jié)層和導(dǎo)電材料層壓，完成整個(gè)超高層印制電路板的制作，這樣的技術(shù)可以提供結(jié)構(gòu)統(tǒng)一銅孔結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的電氣性能，且不需要背鉆技術(shù)。提供具有高機(jī)械可靠性的超高層數(shù)的印制線路板，生產(chǎn)效率高，適用的生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)?，低成本?/p>

傳統(tǒng)的HDI工藝的銅孔結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的制作工藝。由于隨著壓合程序的進(jìn)行，板厚逐漸增加，且因?yàn)楣に嚵鞒添樞蛳拗?，這種工藝制作周期很長(zhǎng)。隨著印制電路板中的激光疊孔的增加，板內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力也逐漸增加。而新的層壓工藝中導(dǎo)電膏具有與樹脂相似的彈性，可以減少這種應(yīng)力。

近來隨著低能耗高速串行傳輸?shù)陌l(fā)展，超多層印制電路板的互連部分被要求使用高導(dǎo)電材料，因此抑制有Z-軸互連的線路的直流壓降是很重要的。在這個(gè)背景下，有三種模型常用：帶背鉆的電鍍通孔，HDI中的電鍍填銅疊孔和優(yōu)化的HDI電氣模擬結(jié)構(gòu)。采用優(yōu)化后的Z-向互連技術(shù)，則厚板壓合技術(shù)就成為了一個(gè)關(guān)鍵工藝，即本文的研究重點(diǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

壓機(jī)型號(hào)：BüRKLE MULTILAM多層壓合機(jī)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

油加熱：耐熱性油類當(dāng)熱媒，以強(qiáng)對(duì)流方式輸送，將熱量以間接方式傳至熱壓盤

評(píng)價(jià)指標(biāo)：對(duì)位精度，缺膠比例

對(duì)準(zhǔn)度：設(shè)置層偏對(duì)位模塊[3]；

缺膠評(píng)估層設(shè)計(jì)：厚68.6 μm銅，1張2116 RC55 殘銅55%%，單面填膠。

缺膠測(cè)試：壓合后撕掉外層銅箔，計(jì)算缺膠白點(diǎn)比例。

子板的厚度：4 mm

厚板壓合特點(diǎn)：由于厚板壓合中，子板厚度大，其內(nèi)部因?yàn)閳D形產(chǎn)生的材料不均勻性增大，材料的熱傳導(dǎo)特性不一致，容易傳熱不均勻，厚子板的強(qiáng)度也較大，壓合時(shí)應(yīng)力大，壓力也易分布不均勻。厚板壓合中會(huì)產(chǎn)生許多普通板壓合技術(shù)中早已解決，基本不再出現(xiàn)的問題，如缺膠，空洞，錯(cuò)位等，

試驗(yàn)流程：

子板制作：選擇板料→開料→烘板→內(nèi)層圖形→棕化

試驗(yàn)流程：子板準(zhǔn)備→排板→壓合→取樣測(cè)量→數(shù)據(jù)處理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 壓合參數(shù)對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度和缺膠比例的影響

在厚板壓合中，由于子板的厚度（＞5 mm）和硬度較大，施加壓力時(shí)，子板產(chǎn)生的應(yīng)力較普通板大很多，且因整個(gè)子板內(nèi)部的材料不均勻性（子板內(nèi)有圖形，銅與樹脂不是均勻分布的）也比普通板大，所以厚子板中的內(nèi)應(yīng)力也大幅增加。因此在厚板壓合中：如果壓力小了，PP無法浸潤(rùn)銅線路間隙，易出現(xiàn)缺膠、層壓粘結(jié)面不牢而暴板，氣泡和空洞等現(xiàn)象；如果壓力大了，內(nèi)應(yīng)力大幅增加，子板與子板間易出現(xiàn)力不平衡，導(dǎo)致滑板，對(duì)位精度無法保障。此外升溫速度，轉(zhuǎn)壓點(diǎn)的選擇也會(huì)影響到壓合產(chǎn)品的質(zhì)量，所以我們固定其他壓合參數(shù)（如高溫高壓保持時(shí)間，降溫降壓速度等參數(shù)），選用4 mm厚的子板按如下因素水平表（表1）做正交試驗(yàn)[4]。結(jié)果見表2。

表1 因素水平表

表2 L16（45）正交試驗(yàn)表

由表2極差分析結(jié)果可知，對(duì)壓合效果貢獻(xiàn)度最高的因素為：轉(zhuǎn)壓點(diǎn)，其他依次為升溫速率，最大壓力。最高溫度保持時(shí)間對(duì)壓合效果的貢獻(xiàn)度最低，可不用考慮。

根據(jù)正交試驗(yàn)得到的均值主效應(yīng)圖可知隨著升溫速率的增加，對(duì)位偏差逐漸增大，對(duì)準(zhǔn)度下降，而缺膠現(xiàn)象卻有所改善；隨著高溫保持時(shí)間的增加，對(duì)位偏差和缺膠現(xiàn)象的程度都變化不大；隨著最大壓力的增加，對(duì)位偏差逐漸增大，對(duì)準(zhǔn)度下降，但幅度不大，同樣缺角現(xiàn)象減少了，幅度也不大；隨著轉(zhuǎn)壓點(diǎn)的升高，對(duì)位偏差快速下降，對(duì)準(zhǔn)度大副提高，缺膠比例卻也大幅增加了，綜合兩個(gè)因素，最優(yōu)的也和參數(shù)為：轉(zhuǎn)壓點(diǎn)為80 ℃，升溫速率3.0 ℃/min，最大壓力為2.76 μpa。

優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)：根據(jù)上面的優(yōu)化參數(shù)做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后，對(duì)準(zhǔn)偏差為4，缺膠比例為0.8%。

3.2 疊層方法對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度和缺膠比例的影響

對(duì)疊層方法的改善也可以有效緩解厚板壓合中的缺陷問題，采用3.1中得到的最優(yōu)參數(shù)，壓合程序見表3，料溫圖見圖1。改變疊層方式試驗(yàn)，表4是不同疊層方法試驗(yàn)得的壓合效果。

表3 壓合程序

圖1 壓機(jī)料溫圖

表4 疊層方法對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度和缺膠比例的影響的試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知，由于厚板壓合的特殊性，采用普通牛皮紙作為緩沖層的疊層方法壓合，仍然是容易出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象。 采用在普通疊層的方法上增加緩沖墊的方法[5]，則可有效改善厚板壓合中的缺膠現(xiàn)象。如果將厚板壓合變?yōu)楦《味啻螇汉希瑒t也可以解決超高層背板的制作，如將兩個(gè)20層壓合得到的40層高層背板，改由4個(gè)10層背板壓合，采用n+n+n+……的逐層對(duì)稱壓合的方法，流程復(fù)雜些，操作要簡(jiǎn)易些，對(duì)準(zhǔn)精度也要容易控制些。直接壓合方法，需要嚴(yán)格控制壓合參數(shù)及對(duì)位方式的精度，流程簡(jiǎn)單，操作要求高。

3.3 定位方式對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度的影響

定位方式對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度有直接的關(guān)系，在普通板的壓合中，常用的定位方式為Pin lam和mass lam，在這兩個(gè)方法之外，我們又設(shè)計(jì)了一種新的定位方式，靈活的銷釘定位（Movable Pin lam），這中方法是在普通的Pin lam定位的基礎(chǔ)上改善設(shè)計(jì)的，靈活銷釘定位不需要訂制相匹配的鋼板，只是將銷釘通過子板上制作的銷釘孔貫穿于排好的子板間，通過增加銷釘?shù)膫€(gè)數(shù)加固定位的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)中，我們?cè)谒膫€(gè)邊各打了6個(gè)銷釘孔，得到的效果可以滿足生產(chǎn)需要。采用3.1中得到的最優(yōu)參數(shù)，壓合程序見表3，料溫圖見圖7。改變定位方式試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 定位方式對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度的影響的試驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知， Pin lam對(duì)準(zhǔn)精度好，但是需要訂制跟板子匹配的鋼板，成本高，靈活性差。同時(shí)，由于厚板壓合的特殊性（子板很厚）M ass lam PP片預(yù)疊板，邊緣選點(diǎn)熱熔固定，只適合薄板，對(duì)于厚板來說該方法無法實(shí)現(xiàn)。由于超高層背板在應(yīng)用中多為特殊定制產(chǎn)品，因此板的尺寸厚度等規(guī)則較靈活，批量小，專門為每個(gè)產(chǎn)品定制銷釘鋼板，會(huì)曾加成產(chǎn)成本，且造成嚴(yán)重浪費(fèi)。為了進(jìn)一步改善的Pin lam定位方式靈活性，我們?cè)O(shè)計(jì)了靈活銷釘定位方式，即在板子的邊緣鉆孔制作銷釘孔，然后壓合排板時(shí)將用銷釘直接在排好的子板間穿過銷釘孔定位好，這種方法可適用于小批量的后背板制作中，雖然不如Pin lam精度高，但是可以滿足生產(chǎn)要求，降低生產(chǎn)成本。

3.4 材料選擇對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度的影響

材料選擇，這個(gè)根據(jù)產(chǎn)品的各方面需求不同而不同，半固化片的種類很豐富。在壓合程序中，對(duì)壓合效果影響最明顯的材料參數(shù)是材料的拉伸系數(shù)穩(wěn)定性。如果材料的穩(wěn)定性高，或是漲縮變化趨勢(shì)穩(wěn)定，則可根據(jù)材料的漲縮參數(shù)預(yù)先留出空余。我們選取了收縮系數(shù)不同的幾種材料，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了材料的漲縮穩(wěn)定性對(duì)壓合對(duì)準(zhǔn)度的影響。采用3.1中得到的最優(yōu)參數(shù)，壓合程序見表3，料溫圖見圖1。改變半固化片材料試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

我們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)子板的結(jié)構(gòu)圖，銅箔均選用1盎司厚的長(zhǎng)春銅箔，半固片選擇漲縮穩(wěn)定性不同的幾種生產(chǎn)中常見的材料，按圖2的流程采用3.1中得到的最優(yōu)參數(shù)，壓合程序見表3，料溫圖見圖1，結(jié)果見表6。

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，不同材料的漲縮穩(wěn)定性不同，會(huì)對(duì)對(duì)位偏差產(chǎn)生影響，漲縮穩(wěn)定性好的材料，漲縮的一致性好，對(duì)準(zhǔn)度高；但漲縮不穩(wěn)定的材料，則漲縮的一致性差，在厚板壓合中，更容易出現(xiàn)較大的對(duì)位偏差，對(duì)準(zhǔn)度不易控制。

圖2 壓合流程

表6 材料拉伸系數(shù)選擇對(duì)厚板壓合的對(duì)位精度的影響的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

在超高層大背板的開發(fā)過程中，我們對(duì)超高層大背板的關(guān)鍵制程壓合進(jìn)行研究。大背板較普通背板的壓合技術(shù)而言特點(diǎn)在于壓合子板較厚，線路復(fù)雜容易傳熱不均勻，厚板的硬度大，壓合時(shí)應(yīng)力大，壓力分布不均勻。易產(chǎn)生錯(cuò)位、滑板、缺膠及空洞問題。本文通過正交試驗(yàn)優(yōu)化壓合參數(shù)得到了最優(yōu)的壓合參數(shù)：轉(zhuǎn)壓點(diǎn)為80 ℃，升溫速率3.0 ℃/min，最大壓力為2.76 μpa。并對(duì)比了疊層方式，定位方式及材料的選擇的不同對(duì)厚板壓合產(chǎn)生的影響，希望能對(duì)大背板的開發(fā)提供引薦。

[1]馬世龍. 超大尺寸高速背板加工工藝概述[C]. 第五屆全國(guó)青年印制電路學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2014∶535-539.

[2]Tsuyoshi Tsunoda. Advanced Vertical Interconnect Technology with High Density Interconnect and Conductive Paste[J]. IPCE Proceedings. 2014,WD1-2∶50-54.

[3]張軍杰.大尺寸背板工程設(shè)計(jì)和壓合制作關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 印制電路信息, 2013(04)∶139-144.

[4]何為.優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及其在化學(xué)中的應(yīng)用[M]. 電子科技大學(xué)出版社, 2004∶86-99.

[5]江恩偉. 淺析層壓緩沖材料的設(shè)計(jì)要求[C]. 第五屆全國(guó)青年印制電路學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2014∶628-632.

楊婷，電子科技大學(xué)研究生，從師何為教授，從事印制電路背板技術(shù)方面的研發(fā)工作。論文工作獲得了廣東省2013年重大專項(xiàng)的資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013A090100005）。

Study on the key influence factors of thick board lamination for ultra-multilayer backplane technology applications

YANG Ting HE Wei HU Yongshuan SU Xin-hong HU Xin-xing SHI Shu-han

With the development of communication technology, the technical index of printed circuit board manufacturing demand got higher with years. The demand of High-density wiring driven the thickness of printed circuit board increased rapidly; the thick plate lamination of printed circuit board gradually became a manufacturing technology difficulty. Especially in new ultra-multilayer backplane technology, large size and thick plate lamination have a great influence on the registration accuracy of Z-axis interconnection, which restricted the electrical performance of the whole PCB. In this paper, the effects of key factors on pressure, such as the pressing parameter, laminated method, fixed mode, drawing coefficient selection of materials, were studied. The best lamination technology solutions suitable for thick plate had been obtained, the registration accuracy of the thick plate pressure was improved, the common problem of thick board lamination such as malposition, lack of glue and hollows were also solved.

Thick Plate Lamination; Slant; Registration Accuracy; Short of Glue

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0092-06