黃 鎮(zhèn)（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

盲埋孔結(jié)構(gòu)多層厚銅印制板工藝的研究

Paper Code: S-113

黃 鎮(zhèn)
（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

以一典型含有復(fù)雜盲埋孔結(jié)構(gòu)的多層（18L）厚銅PCB產(chǎn)品的工藝制造過程為主線，較詳細(xì)的介紹了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要工藝過程以及厚銅壓合、層間對(duì)位等難點(diǎn)工藝的應(yīng)對(duì)問題，并最終通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)及分析得出較適用的工藝方法，為此類產(chǎn)品的加工提供了很好的指導(dǎo)意義。

多層壓合；厚銅；盲埋孔

1 前言

隨著電子信息時(shí)代的飛度發(fā)展，PCB產(chǎn)品的平均層數(shù)在不斷增加，其中一部分應(yīng)用電源線圈領(lǐng)域的PCB產(chǎn)品，其多為層數(shù)在10層以上的厚銅產(chǎn)品，且含有復(fù)雜的埋盲孔結(jié)構(gòu)。此類多層埋盲孔產(chǎn)品的壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無疑是其工藝過程的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并且隨之而來的漲縮比例、層間對(duì)位、以及板面壓合翹曲等方面進(jìn)行控制，也經(jīng)常會(huì)讓諸多工藝設(shè)計(jì)者頭疼不已。

本文以典型含有復(fù)雜盲埋孔結(jié)構(gòu)的多層（18 L）厚銅PCB產(chǎn)品的工藝制造過程為主線，較詳細(xì)的介紹了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要工藝過程以及厚銅壓合、層間對(duì)位等難點(diǎn)工藝的應(yīng)對(duì)問題，并最終通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)及分析得出較適用的工藝方法，為此類產(chǎn)品的加工提供了很好的指導(dǎo)意義。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

以下為此18層厚銅產(chǎn)品孔結(jié)構(gòu)（如圖1所示），其銅厚要求均為105 μm，整體設(shè)計(jì)板厚達(dá)到約3.2 mm，產(chǎn)品壓合將是主要工藝難點(diǎn)。

另外，如圖1的產(chǎn)品外型及孔結(jié)構(gòu)，在L2至L15層之間除了L11-L12、L13-L14以外，其余每層之間均有孔連接，孔結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。這對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，及盲埋孔工藝設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可制造性設(shè)計(jì)

依據(jù)孔結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)疊層架構(gòu)如下：先做L2-L11全積層結(jié)構(gòu)，后與另外三個(gè)芯板（L12-L13、L14-L15、L16-L17）進(jìn)行壓合成為18層板。其中L2-L11全積層結(jié)構(gòu)含有L6-L7的埋孔，其余積層為盲孔，L12-L13及L14-L15兩個(gè)芯板含有埋孔結(jié)構(gòu)。埋孔使用機(jī)械鉆加工，后進(jìn)行孔化，盲孔使用開窗激光鉆方法加工。

產(chǎn)品整體工藝將歷經(jīng)4次激光鉆、5次壓合、8 次孔化、13次圖轉(zhuǎn)，工藝流程復(fù)雜，難點(diǎn)工藝在于厚銅板的多次壓合及最后一次壓合的層間對(duì)位。

3 主要工藝層可制造性設(shè)計(jì)

依照產(chǎn)品可制造性設(shè)計(jì)原則，依據(jù)最初要求以及現(xiàn)有工藝能力，設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工主要工藝層規(guī)格。

（1）依照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品理論最終板厚約為3.6 mm。

（2）與客戶協(xié)商在可以滿足產(chǎn)品使用要求前提下，外層最終銅厚設(shè)計(jì)為70 μm。

（3）表面工藝變更為無鉛熱風(fēng)。

（4）盲孔結(jié)構(gòu)使用開窗激光鉆法加工，孔徑設(shè)計(jì)為0.2 mm。

（5）埋孔結(jié)構(gòu)使用機(jī)械鉆加工，孔徑設(shè)計(jì)為0.3 mm。

（6）通孔孔徑設(shè)計(jì)為1.7 mm。

（7）因產(chǎn)品壓合次數(shù)較多，板厚公差設(shè)定為± 15%；

4 拼版設(shè)計(jì)

因產(chǎn)品單元結(jié)構(gòu)較小（25 mm×26.5 mm），設(shè)計(jì)使用面包板拼版結(jié)構(gòu)加工，并優(yōu)化各內(nèi)層的平衡銅分布，盡力較少厚銅無銅區(qū)域，以減低對(duì)壓合的影響，同時(shí)優(yōu)化最終的成型銑程序，減少平衡銅對(duì)成型銑影響（圖1）。

5 層間對(duì)位及芯板比例匹配設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的最后一次壓合為L2-L11的全積層芯板，與另外三個(gè)芯板L12-L13、L14-L15、L16-L17進(jìn)行壓合，此次壓合的層間對(duì)位將是整體工藝的主要難點(diǎn)。為保證四個(gè)芯板的比例一致性，設(shè)計(jì)工藝控制為：在L2-L11全積層芯板壓合后使用XRAY測得其漲縮比例，后再投產(chǎn)L12-L13、L14-L15、L16-L17三個(gè)芯板，其中L12-L13、L14-L15的埋孔鉆孔比例與L2-L11 XRAY實(shí)測比例一致，L16-L17的內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移比例與L2-L11 XRAY實(shí)測比例一致。這樣在四個(gè)芯板到達(dá)最后一次壓合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一致的圖形比例，避免不同比例的壓合層間錯(cuò)位的出現(xiàn)（圖2）。

圖1 拼版示意圖

圖2

6 主要工藝難點(diǎn)識(shí)別管控

（1）L6-L7、L12-L13、L14-L15芯板為 0.1 mm，105 μm/150 μm基銅規(guī)格，因板厚過薄，機(jī)械鉆埋孔無法去毛刺。應(yīng)對(duì)辦法為：使用次外層化學(xué)清洗，酸洗微蝕法處理去毛刺。

（2）L6-L7、L12-L13、L14-L15芯板為 0.1 mm，105 μm/150 μm基銅規(guī)格，圖形轉(zhuǎn)移、AOI檢測、棕化等序易出現(xiàn)操作性折片。應(yīng)對(duì)辦法為：對(duì)產(chǎn)品周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)、操作過程進(jìn)行特殊管控。

（3）最后一次壓合結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，是關(guān)鍵難點(diǎn)（存在可能的對(duì)位、板面翹曲等問題）。應(yīng)對(duì)辦法為：設(shè)定使用含有銷釘定位的Pinlam系統(tǒng)壓合，并設(shè)計(jì)備用實(shí)驗(yàn)方案。

7 樣品工藝過程的主要問題

L2-L11開窗激光鉆的積層結(jié)構(gòu)，為有L6-L7開始進(jìn)行全積層工藝加工，歷經(jīng)4次壓合，每次壓合后進(jìn)行圖轉(zhuǎn)，在盲孔對(duì)應(yīng)位置蝕刻開窗，后進(jìn)行激光鉆及孔金屬化，依照所設(shè)計(jì)的工藝及對(duì)位系統(tǒng)可正常加工。但過程加工中，遇到的主要問題為：經(jīng)多次壓合，板材收縮太大。

L2-L11全積層結(jié)構(gòu)，歷次壓合后XRAY測試比例趨勢如圖3所示：樣品加工過程L6-L7鉆孔預(yù)放比例為：X1.0006，Y1.0008，每次壓合后X、Y方向的收縮均較大，Y方向單次壓合收縮最大達(dá)到了約萬分之7.8（比例縮小值）。最后一次壓合后，實(shí)際反算可滿足最終1:1比例的預(yù)放比例為：X1.00106，Y1.00281。

過程中發(fā)現(xiàn)此問題后，在保證對(duì)位的情況下，對(duì)第二次及以后的壓合比例進(jìn)行了適當(dāng)人為調(diào)整（調(diào)整值），以避免最終比例收縮太大。

圖3 壓合后XRAY測試比例趨勢圖

8 工藝難點(diǎn)突破 —— 最終壓合

最終壓合（第5次壓合）為四個(gè)芯板壓合（表1），且四個(gè)芯板板厚差距較大，L2-L11板厚約2.2 mm，而其余三個(gè)芯板板厚僅約0.3 mm，為保證保證層間對(duì)位，設(shè)計(jì)使用 Pinlam 沖孔定位壓合。

（1）壓合實(shí)驗(yàn)一

為驗(yàn)證不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的壓合問題，不影響線圈性能的前提下，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)試壓以下兩種結(jié)構(gòu)：其中A結(jié)構(gòu)為正常壓合結(jié)構(gòu)，B結(jié)構(gòu)為將L12-L13及L14-L15兩個(gè)芯板移到了L2-L11的前面，試壓驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)對(duì)的板面翹曲程度影響（圖4）。

圖4

實(shí)際試壓結(jié)果為：A、B兩種結(jié)構(gòu)壓合后表現(xiàn)出輕微板翹（可接受），卻都出現(xiàn)了嚴(yán)重的層間偏移（圖5），其中A結(jié)構(gòu)相對(duì)偏移量最大約0.2 mm（相對(duì)中心），B結(jié)構(gòu)最大偏移量約0.16 mm，且由各層中心偏移量可以看出，較大的偏移量主要出現(xiàn)在L14-L15等較薄的芯板上，偏移方向主要為Y方向。初步分析，沖孔定位法可能存在問題，同時(shí)存在一定程度的薄、厚芯板漲縮不一致（圖5～圖8）。

圖5 A、B兩種結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了層間錯(cuò)位

表1

圖6 A結(jié)構(gòu)各層相對(duì)中心偏移量

圖7 B結(jié)構(gòu)各層相對(duì)中心偏移量

圖8 A、B層間錯(cuò)位金相

（2）實(shí)驗(yàn)二

為驗(yàn)證沖孔定位法是否存在問題，將 L12-L13、L14-L15、L16-L17 三個(gè)芯板單獨(dú)壓合，并且定位法同使用熱熔定位，壓合后檢驗(yàn)對(duì)位情況，未出現(xiàn)類似整體壓合出現(xiàn)的嚴(yán)重層間偏移。

依據(jù)三個(gè)芯板壓合未出現(xiàn)錯(cuò)位的結(jié)果，同樣使用熱熔定位法，按照正常產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（A結(jié)構(gòu)）試壓2P板，檢查層間對(duì)位，結(jié)果對(duì)位良好。后按此法加工其余產(chǎn)品，均無問題。由此分析，以沖孔定位法進(jìn)行壓合時(shí)出現(xiàn)層間偏移現(xiàn)象，而熱熔定位法則沒有此問題，說明兩種定位方式針對(duì)此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在壓合效果上的差異。

（3）結(jié)果分析

兩種定位方式對(duì)此產(chǎn)品的壓合形成了不同效果，經(jīng)分析原因：熱熔定位方式為采用兩點(diǎn)定位，且定位孔為使用XRAY鉆靶標(biāo)中心形成，定位孔周圍周圍有銅層支撐，在進(jìn)行套銷釘熱熔時(shí)，可起到較好的定位作用。而沖孔定位方式，采用中心定位法，所使用沖孔模具大小固定，且沖孔對(duì)位靶標(biāo)與實(shí)際沖孔位置有一定距離。

當(dāng)板材收縮較大時(shí)，沖孔定位法情況下，沖孔定位靶標(biāo)與實(shí)際沖孔位置距離變小了，但沖孔模具仍按照固定距離沖孔，將會(huì)出現(xiàn)沖孔錯(cuò)位，導(dǎo)致沖出來的孔邊緣遺留一部分基材，無外圍銅層支撐，在套銷釘壓合過程中容易出現(xiàn)拉脫，從而出現(xiàn)層間錯(cuò)位，而熱熔則不會(huì)有類似問題。

9 結(jié)語

（1）多層厚銅埋盲孔PCB產(chǎn)品在電源應(yīng)用領(lǐng)域已趨于常見，此類產(chǎn)品因其較復(fù)雜的埋盲孔結(jié)構(gòu)的存在，所以合理設(shè)計(jì)壓合結(jié)構(gòu)及各個(gè)工藝層的對(duì)位系統(tǒng)是整體可制造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

（2）厚銅產(chǎn)品的壓合，在選用半固化片時(shí)須考慮使用充足的膠量，以避免貧膠、白斑問等問題的發(fā)生。另外，因膠量多，壓合次數(shù)多，所帶來的板材收縮較大的問題，需依照經(jīng)驗(yàn)在最初的預(yù)放比例時(shí)給予考慮。

（3）此產(chǎn)品的最后一次壓合，各芯板比例的一致性可通過按照工藝過程比例控制來獲得。同時(shí)此次壓合也驗(yàn)證了厚度差距較大的芯板壓合時(shí)，只要壓合所用半固化片結(jié)構(gòu)較為對(duì)稱情況下，對(duì)板面翹曲的影響貢獻(xiàn)不大。

（4）針對(duì)板材收縮較大的情況，壓合工藝過程需要依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)考慮選用適合的層間定位方法，如在此情況下熱熔兩點(diǎn)定位法更優(yōu)于沖孔定位法。

[1] 柴均釗. 壓合理論及應(yīng)用探討[J]. 印制電路信息, 2000, 11.

[2] 呂永. 厚銅板壓合工藝研究[C]. 2012秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇論文集.

[3] Clyde F. Coombs Jr. PRINTED CIRCUITS HANDBOOK, Sixth Edition.

黃鎮(zhèn)，電子科學(xué)與技術(shù)（微電子技術(shù)）專業(yè)，負(fù)責(zé)工藝研發(fā)相關(guān)工作。

Study on the process of multilayer thick copper board with blind and buried via structure

HUANG Zhen

This article is based upon a typical multilayer(18 Layer) thick copper PCB production, which is with bilnd and buried Via structure, it particular introduced the design and main process of the production, also the press of thick copper and lanmination method for this special structure. And finally based on the analysis of actual experiment, it raised some proposal which is more suitable for the special structure, provided good guidance significance to the manufaction.

Multilayer Pressing; Thick Copper; Blind and Buried Via

TN41

A

1009-0096（2014）04-0165-04