精细线路板面粗糙度分析及验证

朱 拓 刘剑锋（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）

精细线路板面粗糙度分析及验证

朱 拓 刘剑锋
（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）

线路板进一步向高密度发展，线宽线间距不断缩小，对板面粗糙度的要求也随之提升。文章主要分析了精细线路印制板板面粗糙度原理，并验证了“砂带+不织布”磨板的板面粗糙度效果。实验表明，使用1000#砂带+600#不织布磨板可获得最佳板面粗糙度，板厚≥1.0mm时，才建议使用此类磨板方法制作。

精细线路；板面粗糙度；砂带磨板；不织布磨板

1 前言

线路板高密度化进一步提升，对于线路要求，从0.1 mm提升至目前的0.05 mm甚至更小，这对铜面均匀性及贴干膜等工序的品质提出了更高的挑战。对于负片板，板面打磨后如果磨痕过于粗糙，则很容易造成后工序贴膜不良、渗镀，乃至金面色差、渗金等品质问题。本文主要通过分析磨板后粗糙度的形成原理，针对“不同砂带+不织布”的组合磨板方式加以讨论，为精细线路PCB制作提供方法。

2 原理分析

2.1 粗糙度测量原理

表示粗糙度的参数有很多，包括轮廓算术平均偏差（Ra）、微观不平十点高度（Rz）、轮廓最大高度（Ry）等。业界一般用Ra表示粗糙度，由于印制板制造过程中涉及到的都是整板的“面”粗糙度，而不是微观的“线”或者“点”，所以使用Ra表示粗糙度更直观和方便。Ra被称为“轮廓算数平均偏差”。

（1）轮廓的最小二乘中线（以下简称：轮廓中线）（m）

中线，是指测量表面粗糙度的基准线，它具有与被测表面一致的几何轮廓形状（如直线、圆弧线等）。最小二乘中线是在取样长度内使轮廓线上各点的轮廓偏距yi的平方和为最小的那条线，如图1所示。

图1 轮廓中线选取示意图

（2）轮廓算术平均偏差Ra

取样长度内，被测轮廓上的各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值，如图2所示，计算方法如式1所示。

式中：y——被测轮廓上的各点至轮廓中线偏距函数，mm；

x——被测轮廓上的各点与轮廓中线交点的横坐标值；

yi——被测轮廓上的各点至轮廓中线偏距值，mm；

n——取样长度内yi的个数。

图2 轮廓算术平均偏差Ra示意图

由轮廓中线及Ra的算法可知，表面粗糙度取决于外界对物体表面打磨、损伤等作用，外界对物体的摩擦、损伤越大，物体表面粗糙度就越大。

线路板生产过程中，铜面均匀性并非越大越好。对于不同的铜面粗糙度与干膜的结合力，做出表1所示分析。

表1 不同板面粗糙度贴干膜效果

由表1可知，当铜面粗糙度既“均匀”又“粗糙”，并且“适中”的时候，干膜与铜面的结合力最好。根据标准及经验，当铜面粗糙度在0.23 mm ～0.42 mm时，与干膜的结合力最佳。

2.2 不同磨板材料分析

目前线路板磨板材料一般包括：不织布滚轮、氧化铝（金刚砂）磨料、火山灰磨料、陶瓷滚轮、超粗化药水，各种物料根据生产流程及板面粗糙度的不同需求而被用在内层、外层、树脂塞孔、阻焊等工序。除超粗化是倚靠化学药水对铜面进行微蚀外，其余均倚靠物理的方法对板面打磨。

磨板材料一般硬度比铜大，这样才能起到打磨板面的效果。对于普遍使用的几种磨板材料硬度如表2所示。

从表2可以看出：

（1）目前所有的物理磨板材料莫氏硬度均大于铜，所以才能对铜起到打磨效果；

（2）其中金刚砂莫氏硬度最大，但其配套使用工具是磨刷，而陶瓷磨板滚轮是一个整体的磨板工具，所以，磨板过程中，陶瓷磨刷相对于金刚砂+磨刷磨板切削力更大，磨板更锋利，在实际生产过程中也验证了这一现象，所以对于目前的精细线路、铜厚要求严格的产品，陶瓷滚轮磨板较难控制；

（3）不织布磨刷也是一体磨板工具，但其主要由丙纶、涤纶等材料构成，材料硬度相对较低，对板面的切削效果较小，磨板效果较为细腻。

2.3 板面摩擦力原理分析

物理磨板方式需要给板面施加一个压力，通过打磨使板面形成均匀粗糙效果。由于动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反，如图3所示，磨刷或滚轮的速度vl＞板子运动的速度vb，所以板子相对于滚轮向左运动，所以板面受到滚轮的摩擦力f，其大小为公式2。

表2 不同磨板材料的硬度

式中：f——滑动摩擦力；

m——铜面与磨刷或者滚轮之间的动摩擦因素；

FN——磨刷或滚轮对板面施加的正压力。

图3 磨板时板面摩擦力分析示意图

在摩擦力f的作用下，滚轮对板面进行打磨，使铜面形成均匀的粗糙面。可以看出，摩擦力f的大小，与动摩擦因素和实施于板面的正压力均成正比。板面打磨的效果，从摩擦力的角度来看，一方面取决于磨板材料的选择，另一方面取决于施加于板面的压力。

3 试验方案

3.1 实验目的

以“不同砂带与不织布磨板组合”的不同参数对磨板效果的影响，评估何种磨板参数最能确保板面粗糙度效果，及能获得最佳贴膜效果。

3.2 试验流程

试验流程如图4所示。

图4 砂带+不织布磨板试验流程示意图

3.3 试验评估项目

（1）不同砂带+不织布组合对铜表面粗糙状况影响；

（2）不同磨板速度对铜表面粗糙度影响；

（3）不同不织布磨板压力对铜表面粗糙度影响；

（4）砂带打磨对不同板厚的尺寸变化影响。

3.4 试验参数

3.5 测试方法

采用以上各组参数做完试验后，通过以下两种方法分析和观察板面粗糙度效果；

（1）对于试验评估项目1～3，使用粗糙度测试仪测量板面粗糙度9点测量，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察对比铜表面微观粗糙度图片；

（2）对试验评估项目4，使用二次元机测量磨板1次后、磨板2次后的板尺寸，与磨板前尺寸对比分析。

4 试验结果及分析

4.1 不同砂带+不织布组合对铜表面粗糙状况影响

（1）使用表3中的第一组参数，选取4种“变量”（砂带+不织布组合）做测试；

（2）结论：1000#砂带+600#不织布组合对铜面处理效果最佳，最有利于干膜与铜面结合力。

4.2 不同磨板速度对铜表面粗糙度影响

（1）使用表3中的第二组参数，选取3种“变量”（砂带、不织布磨板速度）做测试；

（2）结论：相同1000#砂带+600#不织布组合和相同磨板压力条件下，不同磨板速度对铜面粗糙度影响较小，均符合干膜制程要求。

4.3 不同磨板压力对铜表面粗糙度影响

（1）使用表3中的第三组参数，选取3种“变量”（不织布磨板电流）做测试；

表3 试验参数列表

（2）结论：1000#砂带+600#不织布组合和相同磨板速度条件下，不同磨板压力对铜面粗糙度影响较小，均符合干膜制程要求。

表4 砂带+不织布组合参数对应磨板结果

4.4 砂带打磨对不同板厚尺寸变化影响

（1）使用表3中的第四组参数，选取3种“变量”（不同板厚）做测试；

（2）结论：

①厚度为0.6 mm ～ 1.0 mm的板尺寸，涨缩值为0.0149 mm ～ 0.0625 mm，尺寸变化不符合工艺要求；

②厚度1.5 mm的板尺寸涨缩值-0.098 mm ～0.0231 mm，尺寸变化符合工艺要求；

③尺寸变化总体趋势：随着厚度的增加，板子尺寸变化量越小。

表5 不同磨板速度对应磨板结果

表6 不同不织布磨板参数对应磨板结果

表7 不同板厚参数对应涨缩效果

5 总结

经过对粗糙度的理论分析，结合实际测试，可知，在不同压力、磨板速度条件下，1000#砂带+600#不织布组合所生产板铜面粗糙度最佳。

一般情况下，板厚≥1.0 mm时，才建议使用砂带+不织布磨板，以保证板子尺寸的涨缩在可控范围之内。随着厚度的增加，板子尺寸变化量越小。

[1]宋建远. 3D激光显微镜在PCB表面粗糙度研究.印制电路信息. 2013. No.11.

[2]周毅等.HDI板塞埋孔微裂纹研究和改善.印制电路信息.2012 NO.9.

[3]林金堵,梁志立,邬宁彪,龚永林,陈培良.现代印制电路先进技术.[M].第三版.上海:CPCA,PCI,2013.

朱拓，从事线路板研发工作4年，研发工程师，主要从事新产品开发及制程能力改善工作。

Analysis and verification of the fine line PCB surface roughness

ZHU Tuo LIU Jian-feng

As PCB develop in the direction of high density, the line width, line clearance are narrowing and the requirement of surface roughness is also improving. The article main analyzes the fine line PCB surface roughness principle, and verifies the effect of "Abrasive belt + Non-woven" polish board surface roughness. Experimental results show that using 1000 # abrasive belt and 600 # non-woven polish board can obtain the best surface roughness. For the thickness 1.0 mm or more, we recommend the use of such production polishing method.

Fine Line; Surface Roughness; Abrasive Belt Polish Board; Non-Woven Polish Board

TN41

A

1009-0096（2015）01-0026-05