智能工控用高多层刚挠结合印制电路板制作关键技术研究

2021-06-21宋建远寻瑞平黄望望吴家培

印制电路信息 2021年6期

何淼宋建远寻瑞平黄望望吴家培

（江门崇达电路技术有限公司，广东省智能工控印制电路板工程技术研究中心，广东江门 529000）

0 前言

智能工控指的是工业智能化控制，主要利用电子电气、机械、软件等组合实现，使用计算机技术、微电子技术、电气手段，使工厂的生产和制造过程更加地自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性[1]。工控技术的出现和推广带来了第三次工业革命，使工厂的生产速度和效率提高300%以上。现代工业朝着生产装备智能化、生产过程自动化发展，实现生产制造乃至产品整个生命生产周期中多领域之间的协调合作的工业控制智能化，帮助生产型企业实现向“智能制造”的转型是唯一出路。

在国家大力发展智能工控的大背景下，用于工业控制的PCB必将具有广阔的发展空间以及持续的增长力。工业控制类印制电路板与传统的计算机、通信终端、消费电子类电路板不同，其面向的主要是以企事业单位为主的终端客户，此类行业中的单个生产企业对PCB的需求种类繁多，每种类型PCB的需求量相对较低，一般为小批量订单，这部分订单科技含量高、利润高，但其对可靠性要求更高，同时还兼具大数据传输、大尺寸承载性和立体安装等功能设计，制作难度较大，需要对产品制作全流程进行严格管控[2]。本研究选取一款基于工业控制的24层8R+8F+8R的大尺寸高多层刚挠结合板，就其结构特点、设计方案、关键制作技术等做详细介绍。

1 实验部分

1.1 产品结构特点

本款高多层刚挠结合板的具体参数见表1，层压结构见图1。

图1 高多层刚挠结合板结构图

表1 高频高阶非对称结构HDI板产品关键参数

1.2 制作工艺流程

按结构类型，本产品属于多张挠性板压合型刚挠结合板，内层含有8层挠性层（即4张挠性芯板），为确保挠曲性，同时基于信号传输要求，挠性芯板之间设计为纯胶压合的非分层多层挠性结构，开窗位置对应多张刚性板芯板，厚度大，硬度强，给揭盖增加了工艺难度，如何进行揭盖制作为本产品的制作难点之一。

目前行业内常用的揭盖方式主要有四种：开通窗法、铜箔法、机械控深盲铣、激光控深揭盖[3]。其中，铜箔法一般适用于由铜箔、不流胶半固化片（PP）与挠性板压合形成的2-4层刚挠结合板，不适用本产品，其他揭盖方式也存在不足和缺陷。

（1）采用开通窗法，即在压合之前将开窗位置的刚性板提前揭盖，此法在生产过程中药水、机械作用等对挠性板区域伤害较大，容易对产品品质、外观造成影响。

（2）采用机械控深盲铣，即提前对开窗区域相邻硬板反向制作盲槽，最后采用机械控深铣从正面铣切对接盲槽，将窗口位置的刚性层取掉露出挠性层从而完成开盖。使用机械铣盲槽，盲槽宽度达0.8 mm，压合时胶体会流入盲槽内，表面形成凹槽，外层贴干膜容易产生贴膜空洞问题，导致外层渗镀、短路等问题。

经研究分析，将开窗区域与挠性层紧邻的刚性板，提前采用激光切割直接切穿，切割缝隙控制在20 μm，盲槽宽度大大减小，防止了压合时胶体流入盲槽的情况，此方法虽然增加了电气成本，但是较机械铣槽省去了机械定位、人工排版、人工调试等过程，简化了生产方式，提高了生产效率，并且降低了贴膜凹陷、空洞造成的报废，间接降低了成本。本项目产品具体工艺流程设计如图2。

图2 刚挠结合板工艺流程

2 结果与讨论

2.1 高多层刚挠结合混压

2.1.1 难点描述

压合是生产多层印制电路板的核心步骤之一，也是常规工艺难点。本产品为高多层刚挠结合板，涉及PI（聚酰亚胺）和FR-4材料混压，两种材料的吸水性和CTE（热膨胀系数）差异很大，很容易出现系数不匹配的问题，导致层偏；产品层数高，内层PTH（镀通孔）到线最小距离仅有0.165 mm，使用不流胶PP，层间极易发生压合不充分导致滑动层偏，生产难度较大[3]（见表2所示）。

表2 使用板材主要参数对比

2.1.2 改善方案

将挠性芯板与刚性芯板由并列生产更改为串联生产，生产挠性芯板以后，测量产品的尺寸涨缩，再确定刚性芯板图形涨缩系数，从保证二者之间的系数匹配；采用两次压合的方法，先利用纯胶压合实现挠性层压合，确保挠曲性和挠性层的层压精度，再将挠性层与刚性芯板压合成刚挠结合板，降低一次压合的层间对准难度。

研究发现，芯板受热膨胀产生的应力，受到附在表面的铜箔的影响比较大，铜箔的热膨胀系数较小，在压合的过程中若加大铜箔面积，铜箔会对芯板的涨缩起到抑制作用，减小压合过程中产生的内部应力，从而减小涨缩。L9、L11、L13、L14设计大铜面，L16设计整层铜面，起到层间相互屏蔽、降低信号传输干扰的同时增加了芯板铜皮面积，对芯板涨缩起到抑制作用、减小压合过程产生的应力，减小涨缩；在挠性板和刚性板的SET和PNL边上添加辅助铜箔，间隙为3.0 mm，铜面宽度32 mm，同张芯板的两面图形网络设计水平镜像图形，进一步增加铜箔面积，降低减小挠性板和刚性板之间由于涨缩不一致导致的压合层偏。

采用“钢板+离型膜+PACO PAD垫片+PACO PLUS垫片+铝片+待压合结构+铝片+PACO PLUS垫片+PACO PAD垫片+离型膜+钢板”的排版结构进行压合（如图3所示），PACO PAD和PACO PLUS垫片材质柔软、有弹性，构成缓冲层，压合过程中能够使待压板受力更均匀，尤其刚挠结合位，保证PP流胶能够随着线路图形做出相应填充，压合更充分、均匀；使用铝片代替钢板与待压合板直接接触，铝片的热膨胀系数比钢板大，提供更大的热膨拉力，可以促进板材更好地延展，有利于防止压合后板面凹陷、弓曲、起皱等问题。

图3 高多层刚挠结合压合排版结构示意图

2.2 刚挠结合部位防突起凹陷开窗

2.2.1 难点描述

本产品为“8R+8F+8R”刚挠结构，开窗落差大，挠性区域需要采用覆盖膜贴合做保护，为确保覆盖膜和刚性层之间的结合，覆盖膜需设计进入单元0.5～1.0 mm，同时为防止开窗位置PP溢胶至挠性区影响产品性能和外观，需要对PP层进行内缩设计。对PP采用的常规内缩开窗制作（如图4所示）存在明显缺陷和不足：一方面，PP开窗导致开窗位形成高落差，随着压合时胶体不断流向空隙位置，溢胶过大容易导致板面突起或溢胶过小导致凹陷，影响外层线路的制作和外观平整性；另一方面，挠性板覆盖膜与PP无重合部分，难以保证挠性层与刚性层的结合效果，影响产品挠曲性能，后续使用过程中刚挠结合位置容易被撕裂[4]。

图4 常规刚挠结合位开窗设计示意图

2.2.2 改善方案

为解决常规开窗工艺存在刚挠结合板表面压合形成突起或凹陷，以及刚挠结合部分黏结不牢的问题，本项目开发了一种新的窗口设计方法（如图5所示），压合前在临近挠性板的PP上贴合一层PI保护膜，利用激光在开窗位置将保护膜、PP切穿，揭去保护膜对应刚性板的部分、保留刚挠结合位部分，使用激光在开窗位对应的刚性板铣切反向盲槽；然后将刚性层、挠性层压合，正常过其他后工序，最后采用机械控深铣的方式与刚性板预切割形成的盲槽对接，将窗口位置的刚性层、PP、PI保护膜取出露出挠性板（此时刚性板和PP层已压合为整体，但由于PP压合前已切断，即使切口被流胶填满，由于无纤维丝支撑，故可直接掰断），得到刚挠结合板产品。

图5 本研究刚挠结合位开窗设计示意图

采用此种工艺，PP不需要开窗，可提供充足流胶量保证刚挠层黏结效果，还解决了常规工艺PP开窗造成开窗位高落差，导致压合表面形成的突起或凹陷等平整性问题；PI保护膜则可以避免过多的流胶量溢出窗口黏结到挠性层上，影响产品外观和性能。

2.3 挠性区制作

2.3.1 难点描述

挠性电路表面需要有一层保护层，起到阻焊、防潮、防污染等作用，本项目采用贴合PI覆盖膜保护。由于覆盖膜表面光滑，惰性较强，不易与不流胶PP片结合，压合时的高温高压也难以改变覆盖膜材料特性，导致成型过程容易出现工艺边爆板、分层不良等问题。

本产品挠性层由4张挠性芯板采用不分层结构压合而成，挠性芯板规格为0.076 mm铜箔厚18 μm/18 μm（0.5/0.5 oz），由于结构设计需要，L9、L10、L12、L14、L16面贴合0.025 mm覆盖膜，累计8层压合结构厚度超过0.6 mm，挠性区域厚度较大，采用激光切割挠性区域，会有明显的碳化，影响外观性能。

2.2.2 改善方案

使用等离子处理法增加保护膜表面粗糙度，减小表面张力，改善不流胶PP和保护膜之间的结合力；通过采用单片贴合覆盖膜替代整板贴合覆盖膜的方法，减小覆盖膜与不流胶PP的接触面积，改善挠性区域由于覆盖膜和不流胶 PP结合力差导致的成型爆板和分层。采用机械成型方式，在挠性区开盖之前，在有刚性层保护情况下，使用双刃铣刀，减小行刀速度，提高转速，采用第一次比成型线预大0.05 mm，第二次与成型线按1:1的两次机械成型方法加工挠性区，第一次铣板不可避免会导致边缘粗糙、毛刺，第二次铣板则用于修理边缘毛刺。通过这种两步机械成型方法，挠性区域边缘切割整齐，无毛刺，产品品质和生产效率都得到保证。

2.4 大面积图形蚀刻

2.4.1 难点描述

本产品尺寸大，电路图形分布面积大，线路蚀刻时上板面容易受到“水池效应（Puddling Effect）”的影响，蚀刻液在板面上积存不易排走，阻挡了新鲜蚀刻液的补充，造成上板面蚀刻速率低于下板面蚀刻速率的现象（如图6所示）。常规蚀刻线喷嘴为圆锥形，喷洒出的药水也为圆锥形，喷淋范围较小，板面局部受喷淋压力过大，而喷嘴之间则容易形成水池效应，导致蚀刻不均，从而影响整板的蚀刻均匀性[5]。

图6 “水池效应”示意图

2.4.2 改善方案

为解决这些技术难题，本项目采用真空蚀刻工艺（如图7所示），在上板面喷淋管之间增加“吸药水”管道，与喷淋头管道交错排列，形成“喷淋蚀刻→吸药水→喷淋蚀刻→吸药水→……”的蚀刻模式。吸药水管道可及时将堆积在板面的药水吸走，防止“水池效应”的形成，改善蚀刻效果。

图7 （A）上板面增加吸药水管道示意图（B）真空蚀刻设备构造图

针对传统喷嘴存在的局限，喷嘴采用扇形设计，扇形喷淋有效增加了药水喷淋的面积，平衡了药水喷淋的压力，同样的喷淋压力下，可使板面受到更均匀的喷淋效果；喷嘴设置与板前进方向呈15°角错开，避免喷嘴间喷射面的交错，减弱板面局部承受的冲击力；另外，为了进一步避免先入边比后入边蚀刻效果好的问题，采用喷管摇摆设计或气动点喷式设计，为药水提供更多的交换效果，达到提升大尺寸蚀刻均匀性的目的。

2.5 高密集孔钻孔

2.5.1 难点描述

本产品板边设计有高密集插件孔区，密集孔孔径为0.50 mm，总钻孔数超9000个，孔间距为1.5 mm，按照常规钻孔方法，由于钻孔密度大、孔间距小，钻孔间隔时间短，产生机械应力及热量集中，影响密集孔区耐热性及耐CAF（导电阳极丝）性能。

高密度、短时间钻孔，PCB和钻头热量集中，导致钻屑受热熔融，黏附在孔壁上，经冷却形成大量胶渣，严重影响孔壁质量，且当黏附量较大时即出现孔堵塞，对后续生产及PCB可靠性造成极大隐患[6]。

传统化学除钻污法（KMnO4+NaOH）对环氧树脂材料咬蚀效果适当，但对PI几乎没有咬蚀作用；等离子体（Plasma）除钻污效果较好，但由于产品采用铣盲槽的方式生产，开窗内存有少量水汽等，在等离子机腔内真空度＜50 Pa的条件下，这些水汽会迅速膨胀，可能导致开窗区域出现爆板分层。产品钻孔后除钻污难度很大。

2.5.2 改善方案

采用全新钻头钻孔，不使用返磨钻头因其长度不够、刀口磨损、排屑不良等会导致钻孔孔壁粗糙，热量集中等问题；调整钻机吸尘吸力，增大钻孔排屑量；采用涂树脂盖板代替普通铝片盖板，利用盖板表面功能树脂吸热熔融的特性，降低钻头温度，并润滑钻头，减少钻污，提高钻孔质量[7]。

设计跳钻工艺，增加钻头散热时间及粉尘排屑时间，减轻孔位密集区连续钻孔造成的孔屑堵塞、热量集中、孔壁粗糙等问题。具体设计方案如图8，常规钻孔为按孔位顺序逐一钻孔，每一排的钻孔顺序从左到右依次进行。本项目跳钻工艺设计为先钻第一排孔，钻孔顺序为：11→16→12→17→13→18→14→19→15，钻完第一排密集孔1后钻第六排6，然后依次为第二排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，避免临近孔位因连续受到高速切削、摩擦、拉扯，这样既可出现热量及热应力集中，而造成钻屑熔融堵孔等问题。

图8 高密集孔区跳钻设计方案图

钻孔后，采用“化学除钻污一次+PI调整液除钻污一次”的复合除钻污方法，先利用碱性条件下KMnO4的强氧化性对环氧树脂起氧化分解作用，去除环氧钻污；再用PI调整夜（Skyclean 321 C，35～45 mL/L）去除KMnO4难以氧化的PI树脂和玻璃布，发挥最大的催化分解作用，同时除掉铜表面的手指印记、轻微油渍和氧化铜，确保除钻污效果。