制造四层PCB板的必备技术

时间：2011-05-11

　　随着微电子技术的高速发展，促进了电子设备向小型化、微型化、轻量化的方向飞速发展，同时由于集成电路高集成度化，对印制板的组装密度和布线密度的要求也大大提高。因此装载和连接这些元器件的印制板也由双面向多层数发展。其中四层PCB板的应用比较多，要求也就更加严格。

　　四层印制电路板与双面印制板比较，其制造工艺更为复杂，技术要求也就更加严格。因此，在初次制造过程中，影响其产品质量的因素很多，例如黑化、蚀刻、定位、层压、钻孔、金属化、红外热熔等工序都比双面板复杂。制造工艺具有相当的难度。根据型号产品所采用四层印制电路板的特点，特制定如下工艺流程。
照相底片
↓
内层薄片下料 → 烘烤 → 钻定位孔 → 贴膜 → 曝光 → 显影 → 蚀刻 → 退膜

化学清洗 → 黑化处理    →   层压 → 钻孔 → 烘烤 → 孔金属化 → 镀铜加厚
                                   ↑
照相底片           半固化片＋外层薄片

制外层图形 → 图形电镀 → 图形电镀锡铅合金 → 退膜 → 蚀刻 → 热熔 →成型

经过研制生产出现比较多的问题，其中比较主要有以下几个方面，现简述如下：

一、红外热熔

　　⑴ 红外热熔工艺产生的质量问题－分层、起泡

有的型号电子产品技术要求采用锡铅合金镀层，它不仅用作图形电镀抗蚀层，更主要的提供保护层和焊接层。目前所采用图形电镀－蚀刻工艺，图形蚀刻后印制板导线的两侧仍然是基体铜层，没有得到保护，时间长或在恶劣的工作环境条件，很容易产生氧化和腐蚀。另外由于在蚀刻过程中会产生侧蚀，而使锡铅镀层部分悬空产生悬挂层，而且还容易脱落，导造导线之间的“桥接”而发生短路。

　　因此，采用热熔工艺后的印制板表面与孔内的焊料层重新再结晶呈现光亮，并且有效地保护导线的两侧露铜处，不但提高连接点的可焊性，又保证了元器件焊接的可靠性。但由于采用的红外热熔工艺热熔多层板表面与孔内焊接层时，由于温度比较高，层压板产生了层与层之间的分层和气泡，当时产品的成品率很低。为此，对所产生的质量问题进行了分析。

　　⑵ 红外热熔后基板分层起泡的分析

　　当时重点的就是对压制过程进行分析，初始认为原因可能出自压制过程中气体没有完全驱除，因而在红外热熔过程中，由于气体的聚集，压力增大导致层与层之间分层起泡。因此首先对所使用的半固化片进行各种试验，结果表明经红外热熔后仍然发生分层起泡。后来又对粘结表面进行净化处理，确保表面干净无污染，还对铜表面进行适当的粗化、黑化及干燥处理，并严格的控制其工艺参数，目的是为了增加半固化片对铜表面有较大的粘结强度，于是对粘结温度及预压周期进行多次试验，结果还有相当部分的四层PCB板仍然产生上述质量问题。经过反复研究和分析，最后发现聚集在钻孔周围的机率比较多，由此分析是由于钻孔时钻头向四周扩张挤压，同时又受热的情况下产生了内应力。另外还有一低频原因就是使用冲压下料时，基板四边都受到挤压而引起变形因而也产生了内应力。试验证明，后来采用消除应力的工艺对策是有效的。

　　⑶ 消除多层印制板红外热熔后分层起泡的工艺对策

　　通过工艺试验法，结果证明采用加热的工艺方法对减少基板的内应力效果比较明显，而且简单易行。为此，根据基板材料的性质的特点，重新安排了工艺程序，选择了最佳温度和加热时间，在这种工艺条件下，高聚物的链段可以最充分地取得最有利的空间构相，使体系的能量保持最低，从而显著的降低了内应力。所采取的具体工艺措施如下：

　　① 将所使用的原材料下料后进行烘烤，目的是降低原材料的内应力。
　　② 在层压钻孔后烘板，其目的就是减少由于钻孔产生的内应力而导致气体聚集并降低层压过程中产生的内应力。
　　采取上述工艺对策后，其四层PCB板的成品率提高到98%以上。

　　二、定位

⑴ 定位的目的和技术要求

多层印制板是指三层以上的导电图形层中间用绝缘材料隔开，经过层压、粘结制成元器件的载体——多层印制板。其层间的导电图形是通过金属化孔进行电气互连。为了保证多层板各层电路之间在互连孔金属化时能够精确互连，不致产生开路和短路，所以要求各层的孔位（圆孔中心线）必须是精确对准，因而就产生了孔定位问题。定位问题涉及诸多工序如照相底片的定位、图形转移定位、层压定位和钻孔定位等。所以，多层板的定位是个系统定位问题。

　　⑵ 四孔定位法和存在的问题

　　原生产常采用四孔定位方法　就是制作一套四孔定位模具，包括冲孔模具（用于冲照相底片和薄片）及层压模具。成套模具所冲四个定位孔的尺寸与精度需要精确一致才能达到定位要求。对照相底片及各层薄片都要冲出定位孔，然后用销钉定位曝光，完成电路图像转移工作，在层压时将每层薄片的定位孔套装在模具上的销钉上，同样也要用销钉定位。然采用这种工艺方法定位，多层印制板各层之间仍然存在着孔位发生偏移，若布线密度稍高还容易造成层间开路或短路，导致多层板报废。原因是照相底片和覆铜箔层压板受环境温度和湿度的影响其尺寸变化各不相同。当环境温度、湿度升高时，照相底片的增量要大于覆铜箔板尺寸的增量，这时两种材料预先钻好的定位孔相对位置发生偏移，因而导致各层孔不能同心，照相底片就会拱曲在覆铜箔板上，造成图形转移时的位置偏差。当环境温度、湿度降低时，照相底片尺寸收缩大于覆铜箔板尺寸的收缩，照相底片上的定位孔不能准确地套入定位销中，如果强制套入，轻者会将底片拉长，使底片发生变形，重者会将底片的定位孔撕破，其结果仍会发生图形转移时的位置偏差。因此，这种定位方法很不适用于制作高精度、高密度的多层板。由于四孔定位法有以上缺陷，目前要制作高精度、高密度多层印制板多数已改用四槽定位方法。

　　四槽定位是以槽孔的中心线为定位基准，照相底片由于温度、湿度变化造成的尺寸误差可以均匀地分布在中心线的两侧，积累在定位孔间的尺段上。用这种定位系统制作的多层板能提高对孔精度，并能达到金属孔的精确互连。但当时还没有引进此项设备。于是出现采用五孔定位方法。

　　⑶ 五孔定位法

　　根据生产四层印制电路板的工艺特点，采用数控钻床按孔的位置进行编程来完成定位的作用，而不采用定位模具的方法。具体工艺步骤：中间层制成二层导电层为一块双面板，上、下二面导电层为单面板，定位方法见图5所示。在中间一块双面板上钻5个定位孔，孔的直径根据数控钻床上的销钉的直径而定，把这5个定位孔的位置输入纸带或磁盘里，然后上、下二块单面板一起进行层压，层压后再利用原程序定位钻孔。

                   照相底片 → 制内层双面板 → 层压 → 定位钻孔
                                                            ↑
冲5个定位孔                               外层薄片＋半固化片

数控编程

　　这样可以一次可压制5块四层PCB板（层压时每块间有隔层钢板）。若是使用具有三层的专用压机，一次就可以压制15块四层印制电路板。采用这种定位方法的优点有以下几点：
① 大大地提高对孔精度。
② 不需要制作模具和销钉。
③ 能明显的提高工作效率。
④ 节约了费用和时间，既保证产品质量又提高了产量。

三、拼版

　　该型号电子产品所用的四层印制电路板的特点是板面几何尺寸小、品种比较多。同品种印制板的内层电路图形完全一致，针对这些工艺特点，为了提高生产效率，在工艺上采取如下措施。

　　⑴ 拼版方法

四层PCB板板面尺寸为97mm×77mm。根据目前的生产工艺装备条件，可把四块四层PCB板拼成大块板来制作　。

　　拼版有几种工艺方法，可以采用专用的拼版机上进行拼版，也可以利用数控钻床按孔位置进行编程进行操作，并可在移位后仍按原程序进行操作的重复分布功能进行拼版。这两种工艺方法在实际生产都曾经采用过。如采用拼版机进行拼版。其具体工艺步骤如下：
　　① 首先在照相机上将照相底图缩成1:1 的照相底片；
　　② 将未曝光的昭相软片装进拼版机内；
　　③ 将已照好的1:1的照相底片放在拼版机上，进行曝光后移动一段预定的距离再进行曝光，这样一张照相软片上产生出所要求的有一定间隔的4个电路图形的照相底版。

　　⑵ 预制内层图形

　　从四层PCB板的结构分析，一层是A面为元件面、四层是B面为焊接面、二层为电源网层、三层为地网层，由于其生产的特点是品种多，数量少，而且其内层线路完全一致。针对这种技术要求，采取将标准的内层图形蚀刻出来，然后进行层压，一层和四层表面仍然是铜箔，制作成含有内层图形的层压板，然后再根据不同品种再制作外层线路。这样既能保证了层压质量，更增加了四层PCB板的可靠性和生产的稳定性，并且还大大地缩短了生产的研制周期。