不对称高频混压结构印制电路板压合翘曲问题研究

杨先卫 孙志鹏 黄金枝

（惠州中京电子科技有限公司，广东 惠州 519029）

0 前言

5G通信的兴起，这一个非常庞大而复杂的系统导致5G用印制电路板（PCB）向大尺寸、高多层、高频高速低损耗、高密度、刚挠结合、高低频混压方向发展，无线通信、光纤通信、高速数据网路产品不断推出，信息处理高频、高速化的趋势愈加明显。在同一块PCB中既要满足高频通讯应用，又要满足低频的使用要求，这给PCB的板材和制造工艺提出了更高的要求。

传统的PCB板材（如FR-4）具有易加工、成本低等一系列优点，但因其本身材料固有的特性无法满足高频、高速的需求，在更高的频段上则需要使用特殊的板材。如罗杰斯（Rogers）等的板材，这类板材高频性能好，介电常数稳定、损耗因子较低、耐热特性好，但其板材成本较高，业界采用将两种不同的板材进行层叠、混压而形成多层板结构，以达到在高、低频的应用要求。但两种材料膨胀系数差异较大，容易产生翘曲，如何确保成品的平整度是混压多层板的一个难题。本文对不对称高频板混压技术进行了实验研究，获得了一套适用于不对称高频板的混压技术。

1 问题描述

在制作一款5G升降频控制器的高频板，压合之后发现板面翘曲非常严重，如图1所示，翘曲平均值达55.6 mm，严重影响了钻孔、电镀、外层图形、防焊等工序的正常生产，同时对客户装配也带来一系列问题。

图1 压合之后翘曲的高频板

2 产品基本信息

2.1 产品结构信息

产品结构示意图如图2所示。

图2 产品结构示意图

2.2 产品工艺流程

开料→内层线路→内层蚀刻→内层AOI→棕化→压合→减铜→激光钻孔→机械钻孔→沉铜→填孔电镀→树脂塞孔→树脂研磨→外层线路→外层AOI→防焊→文字→成型→电测→FQC→FQA→包装出货。

3 原因分析

PCB出现翘曲从本质上讲，是由PCB所涉及的各种材料性能的不同，在生产过程中形成或残留的热应力和机械应力等造成的，影响PCB翘曲的因素很多，而且极其复杂的，要完全消除PCB翘曲是很困难，各种设计的优化及制程的改善旨在不断降低翘曲度，并减少其带来的负面影响，对于高频混压设计而言，其影响因素则成倍增加。

3.1 不同树脂材料X/Y热应力分析

为了确认不同体系树脂材料在同一流程下压合后的收缩量，按照设定的叠构压合，测量Rogers芯板和FR-4芯板四个方向的收缩量，进行对比，其中R-X1、R-X2、R-Y1、R-Y2，表示Rogers材料在X、Y、4个边的收缩量（mil）,F-X1、F-X2、F-Y1，F-Y2，表示FR4材料在X、Y4个边的收缩量（mil）。

（1）试板叠构（见图3）。

图3 试板叠构

（2）试板流程。

开料→内层线路→内层蚀刻→内层AOI→棕化→压合→涨缩测量

（3）实验数据（见表1）。

（4）实验结论。

根据数据分析得知，Rogers材料在X/Y两个方向收缩量均要比FR-4大0.075 mm～0.10 mm（3～4 mil），不同材料在同一PCB上X/Y两个方向上应力差异，导致PCB板翘曲。

3.2 力学模型分析

力学模型见图4。从图4（A）可知：Rogers材料在压合过程中，X、Y两个方向产生的应力Fx、Fy，FR-4材料在压合过程中X、Y产生的应力为fx、fy，根据实验数据收缩量可知，Fx＞fx，Fy＞fy。

表1 Rogers和FR4压合后收缩量（单位：mm）

从图4（B）可知，整体PCB上下在X、Y方向受力不同，根据力的合成原理：

X方向：△F=Fx-fx；Y方向：△F=Fy-fy。合成力方向是PCB的中心点，所以PCB的翘曲收缩面在Rogers基材面。

图4 基板压合收缩的力学模型

3.3 结论

（1）翘曲主要是同一PCB上两种不同的材料压合收缩量差异导致。

（2）PCB叠板结构不对称，压合过程中X、Y产生结构应力导致PCB翘曲。

（3）Rogers和FR-4两种材料混压后的翘曲有板材在X、Y方向上的CTE差别及PCB混合体弹性模量决定，其中X、Y方向上的CTE差别是根本原因。

（4）如何消除不同材料在X、Y方向的CTE差异，到达PCB混合体内部应力一致性，是改善板翘曲的方向所在。

4 翘曲改善及效果确认

根据上面的实验数据，影响压合后板翘曲的因素，根据PCB流程分析可以归纳如下几点：

（1）Rogers和FR-4在X、Y方向上的CTE，降低压合后X、Y方向的CTE差异；

（2）树脂流动的不均匀性对板材的拉扯、固化收缩等同样严重影响板的翘曲，如何在压合排板过程中优化是考虑的一个重要问题。

（3）压合过程中材料的弹性模量随温度的变化而变化，树脂的固化过程如熔化、流动、固化等也会影响弹性模量，所以压合参数也会影响板翘曲。

4.1 优化排板方法

在压合过程中，根据缓冲材料的流动特性，使Rogers和FR-4材料在X、Y方向CTE保持一致性，如图5a在FR-4面次放置缓冲，或图5b在Rogers面次放置缓冲材料。经压合后出现不同的翘曲度，测得数据见表2。

图5 压合时放置缓冲材料方式

表2 不同排板方法压合翘曲测量数据（单位：mm）

结论：在FR4面次放置缓冲材料，可以明显降低翘曲，相反在Rogers面次放置缓冲材料，翘曲则更加严重。

4.2 优化压合参数

（1）根据各种因素，再验证不同压合参数对压合翘曲的影响，寻找最佳工艺参数，采用2K全因子分析法（见表3）。

（2）实验实施，记录实验结果并检查实验数据（见表4）。

（3）缩减不重要的主效应或交互作用。根据图6分析的效应的pareto图和效应的正态图，C的影响被认为是可能显著的因子。逐步移除不重要的因子或交货作用以简化数学模型，先去除最不重要的或最高阶的交互作用。

（4）分析主效应图、交互作用。根据主效应图分析得知（见图7），降温速率影响最大,当降温速率设置2.5℃/min时，翘曲度可以达到1.5 mm，三因子交互作用不明显，可以不予考虑。

（5）分析响应优化器，寻找最优工艺参数。复合任意性0.99接近1，表明在温度200℃，压力2.4 Mpa（350 Psi），降温速率2.5℃/min工艺参数下，翘曲度接近1.52 mm，基本上可以满足品质要求（见图8）。

表3 2 K全因子分析

表4 DOE运行数据表

图6 效应分析的柏拉图（A）和正态图（B）

图7 影响翘曲主效应和交互作用图

图8 响应优化图

4.3 批量确认效果

（1）工艺方案。①更新排板方法，在FR-4面次放置缓冲材料；②更新压合参数，温度200℃，压力2.41 Mpa，降温速率2.5℃/min；③在a、b的压合条件下通过FA确认，修改内层芯板FR-4和Rogers拉伸系数，保证压合后长度一致，解决因为X/Y涨缩问题带来的翘曲。

（2）压合之后确认翘曲数据，抽取100 pnl测量结果（见图9）。根据抽样数据分析，平均值为1.672 mm，翘曲度对后续制程影响较小，可以满足品质要求。

（3）对比改善前后数据。通过优化排板方法、压合参数、拉伸系数，根据前期翘曲数据和改善后的数据进行追踪对比，效果比较明显（见图10）。

5 结论

图9 翘曲数据控制图

图10 翘曲改善前后数据

（1）高频混压结构，同一PCB上不同的材料压合收缩量差异，导致不同芯板涨缩造成x/y方向应力差异，导致PCB翘曲，前提条件保证各层芯板涨缩一致性，通常PCB工厂均是通过FA（首件）来调整解决；（2）树脂流动的不均匀性对板材的拉扯、固化收缩等同样严重影响板的翘曲，可以在压合排板时放置一些缓冲材料来平衡，改善翘曲程度比较显著；（3）压合过程中材料的弹性模量随温度的变化而变化，树脂的固化过程如熔化、流动、固化等也会影响弹性模量，压合参数至关重要，可以通过DOE来寻找最优工艺参数，上面DOE结果表明温度、压力、降温速率是关键因子，在下限控制时改善效果显著。