何 淼 宋建遠(yuǎn) 尋瑞平 黃望望 吳家培

（江門崇達(dá)電路技術(shù)有限公司，廣東省智能工控印制電路板工程技術(shù)研究中心，廣東 江門 529000）

0 前言

智能工控指的是工業(yè)智能化控制，主要利用電子電氣、機(jī)械、軟件等組合實(shí)現(xiàn)，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電氣手段，使工廠的生產(chǎn)和制造過(guò)程更加地自動(dòng)化、效率化、精確化，并具有可控性及可視性[1]。工控技術(shù)的出現(xiàn)和推廣帶來(lái)了第三次工業(yè)革命，使工廠的生產(chǎn)速度和效率提高300%以上。現(xiàn)代工業(yè)朝著生產(chǎn)裝備智能化、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造乃至產(chǎn)品整個(gè)生命生產(chǎn)周期中多領(lǐng)域之間的協(xié)調(diào)合作的工業(yè)控制智能化，幫助生產(chǎn)型企業(yè)實(shí)現(xiàn)向“智能制造”的轉(zhuǎn)型是唯一出路。

在國(guó)家大力發(fā)展智能工控的大背景下，用于工業(yè)控制的PCB必將具有廣闊的發(fā)展空間以及持續(xù)的增長(zhǎng)力。工業(yè)控制類印制電路板與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、通信終端、消費(fèi)電子類電路板不同，其面向的主要是以企事業(yè)單位為主的終端客戶，此類行業(yè)中的單個(gè)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)PCB的需求種類繁多，每種類型PCB的需求量相對(duì)較低，一般為小批量訂單，這部分訂單科技含量高、利潤(rùn)高，但其對(duì)可靠性要求更高，同時(shí)還兼具大數(shù)據(jù)傳輸、大尺寸承載性和立體安裝等功能設(shè)計(jì)，制作難度較大，需要對(duì)產(chǎn)品制作全流程進(jìn)行嚴(yán)格管控[2]。本研究選取一款基于工業(yè)控制的24層8R+8F+8R的大尺寸高多層剛撓結(jié)合板，就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵制作技術(shù)等做詳細(xì)介紹。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本款高多層剛撓結(jié)合板的具體參數(shù)見表1，層壓結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高多層剛撓結(jié)合板結(jié)構(gòu)圖

表1 高頻高階非對(duì)稱結(jié)構(gòu)HDI板產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)

1.2 制作工藝流程

按結(jié)構(gòu)類型，本產(chǎn)品屬于多張撓性板壓合型剛撓結(jié)合板，內(nèi)層含有8層撓性層（即4張撓性芯板），為確保撓曲性，同時(shí)基于信號(hào)傳輸要求，撓性芯板之間設(shè)計(jì)為純膠壓合的非分層多層撓性結(jié)構(gòu)，開窗位置對(duì)應(yīng)多張剛性板芯板，厚度大，硬度強(qiáng)，給揭蓋增加了工藝難度，如何進(jìn)行揭蓋制作為本產(chǎn)品的制作難點(diǎn)之一。

目前行業(yè)內(nèi)常用的揭蓋方式主要有四種：開通窗法、銅箔法、機(jī)械控深盲銑、激光控深揭蓋[3]。其中，銅箔法一般適用于由銅箔、不流膠半固化片（PP）與撓性板壓合形成的2-4層剛撓結(jié)合板，不適用本產(chǎn)品，其他揭蓋方式也存在不足和缺陷。

（1）采用開通窗法，即在壓合之前將開窗位置的剛性板提前揭蓋，此法在生產(chǎn)過(guò)程中藥水、機(jī)械作用等對(duì)撓性板區(qū)域傷害較大，容易對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)、外觀造成影響。

（2）采用機(jī)械控深盲銑，即提前對(duì)開窗區(qū)域相鄰硬板反向制作盲槽，最后采用機(jī)械控深銑從正面銑切對(duì)接盲槽，將窗口位置的剛性層取掉露出撓性層從而完成開蓋。使用機(jī)械銑盲槽，盲槽寬度達(dá)0.8 mm，壓合時(shí)膠體會(huì)流入盲槽內(nèi)，表面形成凹槽，外層貼干膜容易產(chǎn)生貼膜空洞問(wèn)題，導(dǎo)致外層滲鍍、短路等問(wèn)題。

經(jīng)研究分析，將開窗區(qū)域與撓性層緊鄰的剛性板，提前采用激光切割直接切穿，切割縫隙控制在20 μm，盲槽寬度大大減小，防止了壓合時(shí)膠體流入盲槽的情況，此方法雖然增加了電氣成本，但是較機(jī)械銑槽省去了機(jī)械定位、人工排版、人工調(diào)試等過(guò)程，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)效率，并且降低了貼膜凹陷、空洞造成的報(bào)廢，間接降低了成本。本項(xiàng)目產(chǎn)品具體工藝流程設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 剛撓結(jié)合板工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 高多層剛撓結(jié)合混壓

2.1.1 難點(diǎn)描述

壓合是生產(chǎn)多層印制電路板的核心步驟之一，也是常規(guī)工藝難點(diǎn)。本產(chǎn)品為高多層剛撓結(jié)合板，涉及PI（聚酰亞胺）和FR-4材料混壓，兩種材料的吸水性和CTE（熱膨脹系數(shù)）差異很大，很容易出現(xiàn)系數(shù)不匹配的問(wèn)題，導(dǎo)致層偏；產(chǎn)品層數(shù)高，內(nèi)層PTH（鍍通孔）到線最小距離僅有0.165 mm，使用不流膠PP，層間極易發(fā)生壓合不充分導(dǎo)致滑動(dòng)層偏，生產(chǎn)難度較大[3]（見表2所示）。

表2 使用板材主要參數(shù)對(duì)比

2.1.2 改善方案

將撓性芯板與剛性芯板由并列生產(chǎn)更改為串聯(lián)生產(chǎn)，生產(chǎn)撓性芯板以后，測(cè)量產(chǎn)品的尺寸漲縮，再確定剛性芯板圖形漲縮系數(shù)，從保證二者之間的系數(shù)匹配；采用兩次壓合的方法，先利用純膠壓合實(shí)現(xiàn)撓性層壓合，確保撓曲性和撓性層的層壓精度，再將撓性層與剛性芯板壓合成剛撓結(jié)合板，降低一次壓合的層間對(duì)準(zhǔn)難度。

研究發(fā)現(xiàn)，芯板受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，受到附在表面的銅箔的影響比較大，銅箔的熱膨脹系數(shù)較小，在壓合的過(guò)程中若加大銅箔面積，銅箔會(huì)對(duì)芯板的漲縮起到抑制作用，減小壓合過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，從而減小漲縮。L9、L11、L13、L14設(shè)計(jì)大銅面，L16設(shè)計(jì)整層銅面，起到層間相互屏蔽、降低信號(hào)傳輸干擾的同時(shí)增加了芯板銅皮面積，對(duì)芯板漲縮起到抑制作用、減小壓合過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力，減小漲縮；在撓性板和剛性板的SET和PNL邊上添加輔助銅箔，間隙為3.0 mm，銅面寬度32 mm，同張芯板的兩面圖形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)水平鏡像圖形，進(jìn)一步增加銅箔面積，降低減小撓性板和剛性板之間由于漲縮不一致導(dǎo)致的壓合層偏。

采用“鋼板+離型膜+PACO PAD墊片+PACO PLUS墊片+鋁片+待壓合結(jié)構(gòu)+鋁片+PACO PLUS墊片+PACO PAD墊片+離型膜+鋼板”的排版結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓合（如圖3所示），PACO PAD和PACO PLUS墊片材質(zhì)柔軟、有彈性，構(gòu)成緩沖層，壓合過(guò)程中能夠使待壓板受力更均勻，尤其剛撓結(jié)合位，保證PP流膠能夠隨著線路圖形做出相應(yīng)填充，壓合更充分、均勻；使用鋁片代替鋼板與待壓合板直接接觸，鋁片的熱膨脹系數(shù)比鋼板大，提供更大的熱膨拉力，可以促進(jìn)板材更好地延展，有利于防止壓合后板面凹陷、弓曲、起皺等問(wèn)題。

圖3 高多層剛撓結(jié)合壓合排版結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 剛撓結(jié)合部位防突起凹陷開窗

2.2.1 難點(diǎn)描述

本產(chǎn)品為“8R+8F+8R”剛撓結(jié)構(gòu)，開窗落差大，撓性區(qū)域需要采用覆蓋膜貼合做保護(hù)，為確保覆蓋膜和剛性層之間的結(jié)合，覆蓋膜需設(shè)計(jì)進(jìn)入單元0.5～1.0 mm，同時(shí)為防止開窗位置PP溢膠至撓性區(qū)影響產(chǎn)品性能和外觀，需要對(duì)PP層進(jìn)行內(nèi)縮設(shè)計(jì)。對(duì)PP采用的常規(guī)內(nèi)縮開窗制作（如圖4所示）存在明顯缺陷和不足：一方面，PP開窗導(dǎo)致開窗位形成高落差，隨著壓合時(shí)膠體不斷流向空隙位置，溢膠過(guò)大容易導(dǎo)致板面突起或溢膠過(guò)小導(dǎo)致凹陷，影響外層線路的制作和外觀平整性；另一方面，撓性板覆蓋膜與PP無(wú)重合部分，難以保證撓性層與剛性層的結(jié)合效果，影響產(chǎn)品撓曲性能，后續(xù)使用過(guò)程中剛撓結(jié)合位置容易被撕裂[4]。

圖4 常規(guī)剛撓結(jié)合位開窗設(shè)計(jì)示意圖

2.2.2 改善方案

為解決常規(guī)開窗工藝存在剛撓結(jié)合板表面壓合形成突起或凹陷，以及剛撓結(jié)合部分黏結(jié)不牢的問(wèn)題，本項(xiàng)目開發(fā)了一種新的窗口設(shè)計(jì)方法（如圖5所示），壓合前在臨近撓性板的PP上貼合一層PI保護(hù)膜，利用激光在開窗位置將保護(hù)膜、PP切穿，揭去保護(hù)膜對(duì)應(yīng)剛性板的部分、保留剛撓結(jié)合位部分，使用激光在開窗位對(duì)應(yīng)的剛性板銑切反向盲槽；然后將剛性層、撓性層壓合，正常過(guò)其他后工序，最后采用機(jī)械控深銑的方式與剛性板預(yù)切割形成的盲槽對(duì)接，將窗口位置的剛性層、PP、PI保護(hù)膜取出露出撓性板（此時(shí)剛性板和PP層已壓合為整體，但由于PP壓合前已切斷，即使切口被流膠填滿，由于無(wú)纖維絲支撐，故可直接掰斷），得到剛撓結(jié)合板產(chǎn)品。

圖5 本研究剛撓結(jié)合位開窗設(shè)計(jì)示意圖

采用此種工藝，PP不需要開窗，可提供充足流膠量保證剛撓層黏結(jié)效果，還解決了常規(guī)工藝PP開窗造成開窗位高落差，導(dǎo)致壓合表面形成的突起或凹陷等平整性問(wèn)題；PI保護(hù)膜則可以避免過(guò)多的流膠量溢出窗口黏結(jié)到撓性層上，影響產(chǎn)品外觀和性能。

2.3 撓性區(qū)制作

2.3.1 難點(diǎn)描述

撓性電路表面需要有一層保護(hù)層，起到阻焊、防潮、防污染等作用，本項(xiàng)目采用貼合PI覆蓋膜保護(hù)。由于覆蓋膜表面光滑，惰性較強(qiáng)，不易與不流膠PP片結(jié)合，壓合時(shí)的高溫高壓也難以改變覆蓋膜材料特性，導(dǎo)致成型過(guò)程容易出現(xiàn)工藝邊爆板、分層不良等問(wèn)題。

本產(chǎn)品撓性層由4張撓性芯板采用不分層結(jié)構(gòu)壓合而成，撓性芯板規(guī)格為0.076 mm銅箔厚18 μm/18 μm（0.5/0.5 oz），由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，L9、L10、L12、L14、L16面貼合0.025 mm覆蓋膜，累計(jì)8層壓合結(jié)構(gòu)厚度超過(guò)0.6 mm，撓性區(qū)域厚度較大，采用激光切割撓性區(qū)域，會(huì)有明顯的碳化，影響外觀性能。

2.2.2 改善方案

使用等離子處理法增加保護(hù)膜表面粗糙度，減小表面張力，改善不流膠PP和保護(hù)膜之間的結(jié)合力；通過(guò)采用單片貼合覆蓋膜替代整板貼合覆蓋膜的方法，減小覆蓋膜與不流膠PP的接觸面積，改善撓性區(qū)域由于覆蓋膜和不流膠 PP結(jié)合力差導(dǎo)致的成型爆板和分層。采用機(jī)械成型方式，在撓性區(qū)開蓋之前，在有剛性層保護(hù)情況下，使用雙刃銑刀，減小行刀速度，提高轉(zhuǎn)速，采用第一次比成型線預(yù)大0.05 mm，第二次與成型線按1:1的兩次機(jī)械成型方法加工撓性區(qū)，第一次銑板不可避免會(huì)導(dǎo)致邊緣粗糙、毛刺，第二次銑板則用于修理邊緣毛刺。通過(guò)這種兩步機(jī)械成型方法，撓性區(qū)域邊緣切割整齊，無(wú)毛刺，產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率都得到保證。

2.4 大面積圖形蝕刻

2.4.1 難點(diǎn)描述

本產(chǎn)品尺寸大，電路圖形分布面積大，線路蝕刻時(shí)上板面容易受到“水池效應(yīng)（Puddling Effect）”的影響，蝕刻液在板面上積存不易排走，阻擋了新鮮蝕刻液的補(bǔ)充，造成上板面蝕刻速率低于下板面蝕刻速率的現(xiàn)象（如圖6所示）。常規(guī)蝕刻線噴嘴為圓錐形，噴灑出的藥水也為圓錐形，噴淋范圍較小，板面局部受噴淋壓力過(guò)大，而噴嘴之間則容易形成水池效應(yīng)，導(dǎo)致蝕刻不均，從而影響整板的蝕刻均勻性[5]。

圖6 “水池效應(yīng)”示意圖

2.4.2 改善方案

為解決這些技術(shù)難題，本項(xiàng)目采用真空蝕刻工藝（如圖7所示），在上板面噴淋管之間增加“吸藥水”管道，與噴淋頭管道交錯(cuò)排列，形成“噴淋蝕刻→吸藥水→噴淋蝕刻→吸藥水→……”的蝕刻模式。吸藥水管道可及時(shí)將堆積在板面的藥水吸走，防止“水池效應(yīng)”的形成，改善蝕刻效果。

圖7 （A）上板面增加吸藥水管道示意圖（B）真空蝕刻設(shè)備構(gòu)造圖

針對(duì)傳統(tǒng)噴嘴存在的局限，噴嘴采用扇形設(shè)計(jì)，扇形噴淋有效增加了藥水噴淋的面積，平衡了藥水噴淋的壓力，同樣的噴淋壓力下，可使板面受到更均勻的噴淋效果；噴嘴設(shè)置與板前進(jìn)方向呈15°角錯(cuò)開，避免噴嘴間噴射面的交錯(cuò)，減弱板面局部承受的沖擊力；另外，為了進(jìn)一步避免先入邊比后入邊蝕刻效果好的問(wèn)題，采用噴管搖擺設(shè)計(jì)或氣動(dòng)點(diǎn)噴式設(shè)計(jì)，為藥水提供更多的交換效果，達(dá)到提升大尺寸蝕刻均勻性的目的。

2.5 高密集孔鉆孔

2.5.1 難點(diǎn)描述

本產(chǎn)品板邊設(shè)計(jì)有高密集插件孔區(qū)，密集孔孔徑為0.50 mm，總鉆孔數(shù)超9000個(gè)，孔間距為1.5 mm，按照常規(guī)鉆孔方法，由于鉆孔密度大、孔間距小，鉆孔間隔時(shí)間短，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力及熱量集中，影響密集孔區(qū)耐熱性及耐CAF（導(dǎo)電陽(yáng)極絲）性能 。

高密度、短時(shí)間鉆孔，PCB和鉆頭熱量集中，導(dǎo)致鉆屑受熱熔融，黏附在孔壁上，經(jīng)冷卻形成大量膠渣，嚴(yán)重影響孔壁質(zhì)量，且當(dāng)黏附量較大時(shí)即出現(xiàn)孔堵塞，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)及PCB可靠性造成極大隱患[6]。

傳統(tǒng)化學(xué)除鉆污法（KMnO4+NaOH）對(duì)環(huán)氧樹脂材料咬蝕效果適當(dāng)，但對(duì)PI幾乎沒(méi)有咬蝕作用；等離子體（Plasma）除鉆污效果較好，但由于產(chǎn)品采用銑盲槽的方式生產(chǎn)，開窗內(nèi)存有少量水汽等，在等離子機(jī)腔內(nèi)真空度＜50 Pa的條件下，這些水汽會(huì)迅速膨脹，可能導(dǎo)致開窗區(qū)域出現(xiàn)爆板分層。產(chǎn)品鉆孔后除鉆污難度很大。

2.5.2 改善方案

采用全新鉆頭鉆孔，不使用返磨鉆頭因其長(zhǎng)度不夠、刀口磨損、排屑不良等會(huì)導(dǎo)致鉆孔孔壁粗糙，熱量集中等問(wèn)題；調(diào)整鉆機(jī)吸塵吸力，增大鉆孔排屑量；采用涂樹脂蓋板代替普通鋁片蓋板，利用蓋板表面功能樹脂吸熱熔融的特性，降低鉆頭溫度，并潤(rùn)滑鉆頭，減少鉆污，提高鉆孔質(zhì)量[7]。

設(shè)計(jì)跳鉆工藝，增加鉆頭散熱時(shí)間及粉塵排屑時(shí)間，減輕孔位密集區(qū)連續(xù)鉆孔造成的孔屑堵塞、熱量集中、孔壁粗糙等問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)方案如圖8，常規(guī)鉆孔為按孔位順序逐一鉆孔，每一排的鉆孔順序從左到右依次進(jìn)行。本項(xiàng)目跳鉆工藝設(shè)計(jì)為先鉆第一排孔，鉆孔順序?yàn)椋?1→16→12→17→13→18→14→19→15，鉆完第一排密集孔1后鉆第六排6，然后依次為第二排2、第七排7、第三排3、第八排8、第四排4、第九排9、第五排5，避免臨近孔位因連續(xù)受到高速切削、摩擦、拉扯，這樣既可出現(xiàn)熱量及熱應(yīng)力集中，而造成鉆屑熔融堵孔等問(wèn)題。

圖8 高密集孔區(qū)跳鉆設(shè)計(jì)方案圖

鉆孔后，采用“化學(xué)除鉆污一次+PI調(diào)整液除鉆污一次”的復(fù)合除鉆污方法，先利用堿性條件下KMnO4的強(qiáng)氧化性對(duì)環(huán)氧樹脂起氧化分解作用，去除環(huán)氧鉆污；再用PI調(diào)整夜（Skyclean 321 C，35～45 mL/L）去除KMnO4難以氧化的PI樹脂和玻璃布，發(fā)揮最大的催化分解作用，同時(shí)除掉銅表面的手指印記、輕微油漬和氧化銅，確保除鉆污效果。

2.6 產(chǎn)品制作效果

在整合各關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)并串聯(lián)整個(gè)制作流程，成功制作出了預(yù)期產(chǎn)品，實(shí)物如圖9所示，切片結(jié)構(gòu)如圖10所示，產(chǎn)品經(jīng)各項(xiàng)可靠性測(cè)試均合格，具體如表3所示。

圖9 產(chǎn)品實(shí)物圖

圖10 產(chǎn)品微切片結(jié)構(gòu)圖

表3 產(chǎn)品可靠性測(cè)試結(jié)果

3 總結(jié)

本文以一款整體24層用于工業(yè)控制的高多層剛撓結(jié)合板為例，對(duì)其常見制作難點(diǎn)和解決方案做了詳細(xì)介紹，水平有限，僅供參考，更深層次的技術(shù)和品質(zhì)探索需要全行業(yè)的共同努力。