复合补偿在印制板尺寸变形修正中的应用

赵宏静 龙亚山 敖在建

（通元科技(惠州）有限公司，广东 惠州 516005）

0 引言

尺寸稳定是印制电路板（PCB）在制作环节中的一项重要功能指标，直接影响贴片环节锡膏、元件能否对准连接盘（焊盘）。以分布在成品四角区域的光学点间距来进行判别，一般是对角两个光学点间距较设计稿偏差不超过±75 μm，而部分LED拼接屏用PCB对成品尺寸要求更是提高到50 μm，甚至更小。此标准对于成品尺寸较小的PCB而言问题不大，但部分设计成品尺寸较大或为提高贴片效率而采用多连拼的PCB（尺寸超过250 mm），再碰上多次（3次甚至4次、5次）压合的叠构时，工程师时常会面对压合后尺寸涨缩过大这个棘手的问题。

1 PCB形变产生

1.1 PCB的构造

一般的多层PCB是由芯板、半固化片、铜箔三项主体材料，加上表层防焊、焊盘表面处理等组成。其中，芯板由高固化程度树脂、玻璃纤维布、铜箔组成，半固化片由低固化程度树脂及玻璃纤维布组成，如图1所示。

图1 多层PCB组成示意图

树脂成分很大程度上决定覆铜板以及印制电路板的性能，树脂多由基础树脂与固化剂组成。常见的基础树脂有四溴双酚A环氧树脂、聚苯醚、聚酰亚胺、聚富马来酰胺、聚改性烯烃等。通过自身不饱和化合键加聚或与固化剂如双氰胺树脂（立体网状交联）、酚醛树脂（平面交联）等不饱和化合键进行聚合形成长链高分子化合物。

1.2 PCB形变原因

在热应力的作用下，组成物质的原子的活动范围及形态受能量影响，单一相态的物质表现出一定程度的热胀冷缩现象，此种涨缩形变往往是可逆的，如上述结构中的铜、玻璃纤维在受热过程中均呈现此种变化。

树脂作为一种高分子化合物材料，是由聚合程度不一、分子大小不一的有机化合物组成的混合体，其在受热作用下，相态变化呈现出与单一物质截然不同的情况。

受热情况下，玻璃态树脂温度逐渐上升，粘度逐渐下降，转化为粘流态，当温度持续上升，树脂进一步发生交联固化，部分不饱和化学键再次聚合，粘度转而上升，原子间键合更为紧密，分子链进一步加长，大分子团呈现出收缩的趋势。印制电路板加工的层压过程中，半固化状态的树脂（半固化片）即发生此种不可逆的固化收缩变形，同时固化状态相对较高的芯板也会在本体内以及半固化片界面再次交联固化发生变形，多呈现出原子间距缩小，芯板总体尺寸收缩的情形，也有薄芯板尺寸不缩反涨的情况（比较少见），即PCB加工过程中所谓的压合涨缩。图2所示为Tg150 ℃的FR-4半固化片材料的动态黏度曲线，值得注意的是，随着材料的固化程度不同，其最低粘度对应的温度也不同。

图2 Tg150 ℃的FR-4半固化片材料的动态黏度曲线

1.3 PCB平面二维线性形变

玻璃纤维布由单根玻璃纤维丝组成的玻纤束编织而来，总体来讲是一种平面构造，它构成整个电路板的骨架。产生不可逆固化变形的树脂是附着于这个平面，并将多个平面进行粘合，而且树脂本身被作为一种分散均匀的混合体，即在不同位置其形态、性能基本一致。因此，这种树脂固化变形引起的PCB尺寸涨缩沿玻纤布平面均匀分布，由于玻纤布的经、纬向玻纤丝的根数、应力并不相同，基板的尺寸涨缩也体现出经向与纬向不一致的变化率。行业常用经向及纬向两个维度尺寸线性变化率来表征和计算芯板的涨缩，如Y（纬）/X（经）：+0.00025/+0.00050。

根据组成芯板的玻璃布配布结构不同，不同厚度的芯板在层压过程中变形率（涨缩系数）不尽相同。同时，经纱细而密，纬纱粗而稀，经向收缩一般大于纬向。表1是常见厚度的Tg150 ℃基板的经、纬向经验涨缩系数（见表1）。

1.4 预补偿

为了保证PCB最终成品的尺寸与设计尺寸一致，一般采取对层压过程中的涨缩进行逆向预补偿，即在制作最初的线路或埋孔时，对资料进行经向和纬向整体伸缩，再通过层压使得尺寸回归到目标值。这种预补偿一般建立在经验系数或者首件测量的基础之上。

有别于单一组分的材料，PCB的构造是由多种材料组成的混合体，受芯板配布、层压结构、压合程式、线路图形、铜厚等多种因素影响，芯板的涨缩系数并不是恒定的值，而是一个统计值。很多时候层压过程统计得出的实际涨缩系数会与经验系数有较大的差别，导致层压之后工件的尺寸与目标值存在较大偏差。

表1 常见厚度的Tg150 ℃基板的经、纬向经验涨缩系数

2 PCB形变尺寸修正

PCB经层压后尺寸变形过大，将导致钻孔偏孔、短路、通孔与盲孔对位无法兼顾、成型切割露铜、成品尺寸超公差等一系列功能性问题，必须对其进行修正处理。修正工具涉及到钻带、线路、阻焊、铣带等一系列资料。这些资料的修正必须同步进行，缺一不可，方能确保钻孔对内层线路、外层线路对孔、阻焊对外层线路、外形对线路等对准度符合要求。各工具资料的对位关系见图3示意图。

图3 各工具资料的对位关系示意图

针对压合后PCB尺寸涨缩，一般采用两种方式对工具资料进行修正。

2.1 整体线性系数补偿

多应用于内层、次外层，少见于外层（主要是对尺寸要求不高的产品）；其优势在于可最大限度模拟芯板的线性变形，提高外层工具与内层的对准度，而存在的问题也很明显，即产品尺寸存在一定程度的涨缩。

2.2 整体移动补偿

借助人为调整成品位置，缩小因涨缩引起的相对位移，多用于外层。其优势在于可以尽量保证产品尺寸满足客户设计要求，而主要的问题是存在通孔对内层偏位（严重者可导致短路）。

不同的生产厂家在面对PCB层压后尺寸变形的问题，或采用第一种整体系数补偿保证孔对内层的对准度，或采用第二种平移成品位置保证（外层）成品尺寸满足要求，但都难以很好的兼顾到焊盘与孔的对位精准度和整体尺寸变形两个方面，尤其是碰到有激光盲孔、机械盲孔、通孔、多次压合、超大涨缩等复杂情形时，问题变得尤为棘手。

3 复合补偿修正

3.1 复合补偿修正的思路

结合实际生产经验，现提出基于抓取几何中心的复合补偿修正方案，可以妥善解决复杂对位体系的大涨缩量变形，大大提升PCB形变修正的成功率。

复合补偿修正方案的核心思路：线路板涨缩过大又同时存在盲孔和通孔的情况下，可以在抓取成品单元以及工作片几何中心基础上，精确平移使得成品单元外层工具与变形后的内层图形的几何中心完全重合，再以单个成品单元几何中心为原点，分别进行线性修正，达到中心对正，四边均分的效果。

3.2 复合补偿修正的步骤

激光盲孔按线性补偿正常加工，通孔及外层线路、阻焊、铣带等按以下方法修正：

（1）首先确认PCB外层整个工作片的涨缩比例系数。

（2）在1:1生产图纸资料上找出工作片以及每个成品单元的几何中心，测量并按工作片整体的涨缩系数核算每个成品单元的几何中心到工作片中心的实际距离与理论值的偏差值。

（3）在1:1生产图纸资料上，按上述计算得出的偏差值，分X、Y轴分别平行移动每一个成品单元，使每个成品单元的几何中心与实际存在涨缩的板件的成品中心位置对齐，注意移动后中心点相对工作片的几何中心的方向不变。

（4）各成品单元移动完成后，以各成品中心点为基准点，长/宽方向以线性模式按可接受的变形量调整涨/缩，具体以客户要求为准。

（5）工作片板边的工具孔按实际涨缩系数进行线性涨缩，以工作片几何中心点为原点。

（6）复合补偿资料修改后，与整体线性涨缩修正资料进行比对，一般通孔、盲孔偏移量均小于50 μm即可，生产试钻确认。

3.3 实例解析

如图4所示，工作片拼版有A1-E5总共5行5列25个成品单元，层压后工作片整体涨缩长/宽为-0.406 mm/-0.508 mm，涨缩比例长/宽0.99921/0.99900，成品单元尺寸为115.69 mm×96.93 mm。单个成品单元尺寸相对标准值缩短0.08 mm/0.10 mm，超出涨缩变形量0.05 mm的要求范围。

对此作复合补偿修正如下：

（1）查设计资料，行A/B/C/D/E到工作片中心点Y方向的距离分别为234.58 mm、117.29 mm、0、-117.29 mm、-234.58 mm。

图4 工作片拼版示意图

（2）查设计资料，列1/2/3/4/5到工作片中心点X方向距离分别为206.66 mm、108.13 mm、9.6 mm、-108.13 mm、-206.66 mm。

（3）计算出列1，X方向（206.66×0.99900-206.66）×39.37＝0.206 mm，需向右移；

列2，X方向（108.13×0.99900－108.13）×39.37＝0.107 mm，需向右移；

列3，X方向（9.6×0.99900－9.6）×39.37＝0.01 mm，需向右移；

列4，X方向（-108.13×0.99900－108.13）×39.37＝-0.107 mm，需向左移；

列5，X方向（-206.66×0.99900－206.66）×39.37＝-0.206 mm，需向左移；

（4）计算出行A，Y方向（234.58×0.99921－234.58）×39.37＝0.185 mm，需向下移；

行B，Y方向（117.29×0.99921－117.29）×39.37＝0.091 mm，需向下移；

行C，Y方向（0×0.99921－0）×39.37＝0，Y方向不动；

行D，Y方向（-117.29×0.99921－117.29）×39.37＝-0.091 mm，需向上移；

行E，Y方向（-234.58×0.99921－234.58）×39.37＝-0.185 mm，需向上移。

（5）移动完后，以各成品单元中心为原点，长/宽各整体缩0.05 mm，涨缩系数为：0.99957/0.99949。

（6）板边工具孔按PNL 涨缩长/宽0.99921/0.99920比例进行涨缩。

（7）修改后的资料对比正常线性涨缩修正的资料，孔位置偏差0.037 mm。

（8）同步修正钻孔、线路、阻焊、成型资料，并试钻确认符合对准度要求。图5为试钻后四角偏孔情况，符合品质要求。

图5 试钻四角偏孔X-RAY检查图

3.4 复合补偿处理能力

经过多次生产实践验证，采用前述尺寸变形复合补偿方法，可以分区块对齐中心，并最大限度分区中心对称（如图6效果示意），可以处理单个成品单元涨缩在0.30 mm内的通孔板，以及单个成品单元涨缩在0.228 mm内的HDI板，保证最终成品尺寸与标准尺寸偏差不超过0.075 mm，且通孔对内层孔盘、盲孔对外层孔盘偏位在常规的品质允收范围内。

图6 涨缩均分效果示意图

4 结束语

PCB的涨缩控制是一个复杂的问题，受限于材料稳定性、加工制程等多方面的影响，时常会发生超出预期的尺寸涨缩变形。通过分区精确抓取几何中心点，核算各成品单元中心点偏移量并分区平移至理论偏移位置，再分区域作微量线性补偿，可实现分区中心对称，大幅改善超大变形带来的成品单元尺寸超公差、钻偏、通盲不兼等常见问题，提升HDI板制作过程中涨缩、偏位等问题的应对处理能力。