多层线路板的层压技术.ppt
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1、多层线路板的层压技术,随着当今科技的发展需求,对线路板的制作提出了更高的要求,因此为了跟上这些工业发展的要求,我们将重点放在人(Man)的因素上,即作为工艺工程师、生产监督及操作者都应更加深入了解各工艺的基本原理及方法,只有掌握了工艺的基本原理及方法,才能找到解决工艺难点的途径。,前 言,教材的内容将从以下五个方面分别讲解:工艺原理及方法(Method)物料介绍(Material)机器设备(Machine)检测方法(Measure)缺陷分析(Trouble-shooting),内 容 简 介,一、工艺原理 压板的工艺原理是利用半固化片从B-stage向C-stage的转换过程,将各线路层粘结成
2、一体。半固化片在这一过程中的转换过程的状态变化见下图:,工艺原理及方法,二、工艺条件及压板Cycle的设计方法:1.工艺条件:1.1 升温速度:,应合理控制树脂从开始流动到停止流动这段时间范围内,对应树脂的温度约在80130C,这个温度段Resin充分流动,称为 flow window。在这个温度段,升温速度将影响树脂的粘度变化及凝胶时间,从而影响压板的品质板厚均匀性。,工艺原理及方法,升温速度与树脂粘度变化的关系:,从上图可以看出:升温速度快对应的树脂粘度较升温速度慢的树脂粘度低,说明快升温时的树脂流动性大。升温速度快的Flow window较升温速度慢的要小,说明可以用于控制的时间短,不利
3、于压板厚度的控制。,工艺原理及方法,升温速度、Flow window及厚度控制的关系:,从上图可以看出:升温速度快的Flow window较升温速度慢的要小。流动窗口小,树脂来不及填充导线之间的间隙,同时也不容易掌握加压时机,不利于压板厚度平均的控制。而升温速度过慢,流动窗口太宽时,树脂处于流态的时间长,在压力的作用下,流胶也会过多,而且相应的整个Cycle time也会加长。,升温速度的控制范围:,通过以上分析,应合理控制Flow window的升温速度,通常对于目前公司用到的多数供应商提供的半固化片,升温速度通常控制在1.5C 5C/min。而对于美国有些供应商如:Polyclad等要求的
4、升温速度通常会到 4-6 C/min。所以升温速度的控制应参照不同胶系树脂的粘度特性来决定。,工艺原理及方法,1.2 最高加热温度:,要确定压板工艺的最高加热温度,首先应了解到使用的半固化片的树脂体系,它的固化温度(cure temperature)是多少,根据它来决定一个压板cycle中应提供的最高加热温度是多少。例如目前公司常用的FR-4环氧树脂的 cure temperature是160C170C。那么应使压板时最高料温达到170 C。如果对于不同的树脂体系:如热加强型(高Tg)FR-4,BT料等,应根据它们不同的最高料温要求决定最高加热温度。,工艺原理及方法,另外,还应了解一点:压板C
5、ycle的最高加热温度是指压机的最高热盘温度,所以作为工程师应熟悉压机加热盘温与隔热层,Lay-up层数,之间的关系及热损耗情况。,工艺原理及方法,1.3 压力的提供:1.3.1 压力的作用:A、要保证树脂与铜面之间充分接触与结合 B、提高树脂流动速度,尽快均匀地填充导线间的空隙。C、将树脂反应产生的气泡挤到板边。1.3.2 压力的设定方法与时机:1.3.2.1 One stage press cycle(一段压方式),工艺原理及方法,一段压力的方式是指当压机开口一经闭合后立即提供全压力的压合方式,它主要用于树脂流量很小的树脂体系的压板。,1.3.2.2 Two stage press cyc
6、le(两段压方式)对于高树脂含量、长Gel time的树脂体系通常采用两段加压方式。第一段压称为接触压力(Kiss Pressure),主要提供压力保证先软化的树脂与铜薄充分接触,咬和。之后当树脂随温度变化后粘度较低时提供第二段压力。,Time,工艺原理及方法,1.3.2.3 加压时机 对于两段加压的压板方式,存在一个加压时机的问题。A.加压过早时,将导致过多的低粘度的树脂被挤出,导致板厚偏薄,更严重的情况将是缺胶,这部分区域将在后续工艺流程中产生分层。B.加压过晚,将会出现空洞、气孔缺陷。在沿着内层铜的边缘出现凹下去的轨迹。那么,加压时机应该怎么确定,才能避免以上缺陷出现呢?从以上的讨论中可
7、以知道:加压时机与树脂粘度有关,所以我们应该掌握我们所用的树脂的粘度特性,下面一张图将粘度、压力、温度之间的关系汇总了一下,以供参考。而掌握正确的加压时机应根据长期实践经验来把握。,工艺原理及方法,图中虚线表示One stage材料的粘度变化,实线表示高流量树脂的Two stage 树脂的粘度变化情况。,工艺原理及方法,以上图为分别用TMA与DSC测试仪量度到的一张普通FR-4半固化片的热变化曲线.,工艺原理及方法,1.3.3 压力大小的确定:,1.3.3.1 压力的大小如何确定?A、针对两段压力的加压方式,首先在升温初期,树脂受热逐渐开始熔化,粘度下降,仍未到充分流动阶段。应提供一个较低的压
8、力,保证开始溶化的树脂与粗化铜面充分接触,这个压力通常称为kiss pressure接触压力(又称吻压)。通常这个压力设为5Kg/cm2左右。,B、树脂开始流动到固化这个阶段应提供充分的压力,帮助树脂尽快流动填充导线间的空隙,并产生与各层铜较强的附着力。这个压力如何制定呢?根据以前的经验总结下表提供参考:,工艺原理及方法,工艺原理及方法,1.3.3.2 压机中压力的设定方法:以上表中确定了压板时板面的承受压力,实际在压板机中如何设定操作压力值呢?以下将给出计算方法:,例如:Bonding area:48”26”(121.966cm2)Specific pressure:22Kp/cm2(315
9、psi),Piston diameter:35cm(962.1cm2),那么压机压力应该设为:P=(22Kp/cm28045.4cm2)962.1cm2184Kp/cm2那么184Kp/cm2压机液压系统的压力.,工艺原理及方法,1.4 固化时间:(Cure time)1.4.1 固化时间的确定,在制作半固化片的工艺中填加的催化剂与固化剂(dicy双氰胺),加速剂2-MI(2-甲咪唑),影响到树脂固化反应的速度,应了解使用的半固化片的这一特性指标:固化温度与固化所需的最少时间,目前我们经常使用的Tg135C的FR4半固化Cure time通常为175 C保持60min。而热加强型(Tg175C
10、-185C)的FR4固化时间为190-200C保持120min以上.对于不同的树脂体系应从制造商处了解到该树脂的关于这方面的基本特性与参数制定出合理的固化时间.,工艺原理及方法,1.4.2 固化时间与压板后材料的Tg之间的关系:,材料的固化时间充分,保证了树脂C-stage的充分反应,而C-stage的充分反应时,则树脂中的高分子在硬化反应形成的链壮结构更加致密,材料的稳定性就越好。而材料固化充分的一个参考指标就是Tg。材料的Tg值与材料本身的特性有关,但也受压合条件中固化时间的制约,下图为两者之间的关系:,工艺原理及方法,1.5 总结:确定一个压板Cycle应首先确定以下四个工艺条件:A.升
11、温速度 B.最高加热温度 C.压力 D.固化时间,工艺原理及方法,2.压板Cycle的设计方法:,2.1 温度的Profile的设计2.1.1 首先根据确定好的物料的升温速度,与根据经验所得的各层料温的差异,确定出压机热盘的升温条件。2.1.2 然后根据物料的最高温度要求确定热盘的最高加热温度。2.1.3 根据Cure time的时间定出在最高加热温度需要保持的时间。2.1.4 根据以上三点可以基本确定出压板Cycle中温度的Profile。而具体实际应用时应该插Thermal couple到不同层的材料中,根据实际情况与要求的偏差做一些修正。,工艺原理及方法,2.2 压力的Profile的设
12、计 首先确定加压方式,是采用一段压力,两段压力 还是多段压力。然后确定加压时机即在物料温度达到多少时进 行换压。不同物料特性不同,加压时机也不同。所以这要根据经验与对物料升温速度的掌握来确定。2.1.3 根据实际的物料温度的测量结果进行修正。根据修正的结果确定正式使用的压力Profile.,工艺原理及方法,2.3 压板cycle的一个具体recipe:,加压温度点为100oC,工艺原理及方法,三、压板的工艺方法:,1.Mass lamination 大量无销钉层压方式:,工艺原理及方法,Mass lamination 大量无销钉层压方式:是指直接用铜箔与板固化片与内层基板压合的大批量层压方式。
13、该方式操作简单快捷,产量大的特点。缺点是只对四层板适用。对于高于四层以上的板时,需要采用内层预先用铆钉铆合后与Mass lamination相结合的方式。,2.Pin lamination 对位销钉定位的层压方式:当层数增多,用普通的铆钉无法达到定位效果时,采用这种传统的工艺方法。这种方法虽然在层压后的拆板时的操作繁琐、困难,但却是保证高层板层间对位的唯一较好的方法。,工艺原理及方法,从以上图中可以看出:用PinLamination的方式,需要在内层板、铜箔、半固化片上开出同样形状的工具孔,而且在所有相关工具上开孔:上下夹具板、所有分割钢板。而多种多样的Project会产生板尺寸的多样性,决定
14、了工具的多样性、复杂性。另外,销钉所起到的作用只是减少层与层之间的滑移而产生的对位不准,而对于板材本身经过压合过程中的应力变化产生的涨缩变化仍旧不能完全避免。而Pin-lamination与铆钉固定所采用的对位原理都是一样的:PEP(OPE的Post-Etch-Punch),工艺原理及方法,3.压合过程中的对位方法:(PEP),PEP(蚀刻后冲孔方式)的基本做法如下:3.1 内层板各层菲林上设置两个光学标靶(Optical Target):如图所示:,工艺原理及方法,3.2 根据菲林做出内层图形.3.3 将蚀刻后的内层板放在具有CCD对位系统的冲孔机上(如:Multiline 的OPE机),根
15、据以上的两个标靶由机器中固定的模具冲出压板对位用的所有工具孔,入图所示:,工艺原理及方法,3.4 从上图中我们知道:中间的四个腰型孔为Pin-lamination所需要的对位孔,其它圆形孔作为其它铆合方式用的对位孔。因此,我们可以看出:Pin-lamination与结合铆钉的Mass-lamination的层间对位方法一样。,3.5 4-Slot的对位方式的优点:压合后的变形有规律,层间偏差小.4个销钉在冲出的腰型孔中的位移变化情况入图所示:,工艺原理及方法,四、介电层厚度的计算方法:1.单张半固化片层压厚度X:指单张半固化片压制敷铜板后的平均厚度。通常该值与树脂含量具有一定的关系。,工艺原理
16、及方法,各类半固化片单张压制敷铜板的厚度指引:(单位mil),工艺原理及方法,工艺原理及方法,2.2 对于图二的情况,用公式二计算:公式二:,工艺原理及方法,一、基本原材料:1.铜箔 1.1 铜箔的种类:按照制造方法分为压延铜箔(Wrought Foil)与电解铜箔(ED-Foil)。1.2 电解铜箔的特点:双面粗糙度不同,较粗的一面处理 后可以和树脂产生较强的接合力.,物料介绍,1.3 铜箔的量度方法:由于铜箔厚度的测量受到仪器操作方法及操作环境的限制,所以通常铜箔的量度方法是按照单位面积的铜箔重量来衡量.,表一:,物料介绍,1.4 铜箔的品质要求:纯度:(Purity)电解铜箔需高于99.
17、8%,压延铜箔需高于99.9%.电阻:20C时不高于以下要求:1/8oz:0.1782ohm-gram/m2.1/4oz:0.169ohm-gram/m2.3/8oz:0.1671ohm-gram/m2.1/2oz:0.16359ohm-gram/m2.3/4oz:0.162ohm-gram/m2.1oz:0.1594ohm-gram/m2.,物料介绍,抗拉强度与拉伸比:(Tensile Strength and Elongation)室温下,1/2oz铜箔抗拉强度应大于15000 lb/in2,拉伸 比应大于2%.1oz以上则应大于30,000 lb/in2,及3%.针孔:(Pin-hole
18、):1/2oz以下的铜箔不可有大于0.1m/m大小的针孔,且针孔 数不可多于10点/ft2.1oz以上的铜箔针孔数不可多于5点/ft2,且在任何5 ft2 内,不得有大于0.125mm的针孔.基重:(Weight):如前面表一所示.,物料介绍,外观(Surface appearance):表面不得有任何凹点、折 皱、刮痕、粗粒、油脂、指印及任何杂质。1.4.7 抗氧化性(Tarnish resistant):存放其间不许有表面氧 化变色现象.抗热性(Heat resistance):热压后表面不许氧化变色.锡焊性(solderability):焊锡可以均匀分布在铜箔表 面,不能有无法浸润与浸润
19、不均的现象.表面粗糙度(Roughness):平均需在0.2-0.3Ra,物料介绍,抗撕强度(Peel strength):又称线拉力.由双方自行 制定.通常如下规定:常温下,0.5oz2.0kg/cm 1oz2.0kg/cm 2oz3.0kg/cm 抗化学药品性:在浸渍化学药品后不可有氧化及剥离 强度减弱的缺点.抗焊性:(Solder resistance):经过焊锡漂浮后,抗撕 强度不可有显著下降.,物料介绍,1.5 铜箔的发展趋势:对现有铜箔品质的持续改善.发展高品质的PCB所需的铜箔:1.软性层压板所需的低温高抗拉强度的铜箔.2.高温高抗张强度的铜箔.3.高密度细线路制作所需的薄铜箔.
20、4.直接镭射钻孔所需的超薄铜箔.(如日本MITSUI的 UTC-Foil,最薄可以做到3-5m.(5m的重量 为45g/m2,9m的重量为80g/m2(1/4oz).),物料介绍,2.半固化片:2.1 Prepreg 是Pre-pregnant的英文缩写,是树脂与载体合成的一种片状粘结材料.它在制作过程中的变化如下图所示:,Structure,物料介绍,2.2 玻璃纤维布:,是一种经过高温融合后冷却成一种非结晶态的坚硬的无机物,然后由经纱,纬纱纵横交织形成的补强材料.2.2.1 可以作为补强材料的有:纤维素纸、E-玻璃纤维布、聚芳酰胺纤维纸、S-纤维布等。2.2.2 E-玻璃纤维布的成分,物料
21、介绍,2.2.3 E-玻璃纤维布的常用结构:,物料介绍,2.3 树脂:是一种热固型材料,可以发生高分子聚合反应。树脂的功能及特性:A.具有电气绝缘性 B.可以作为铜箔与加固物(玻璃纤维布)之间的粘合剂 C.特性:抗电气性、耐热性、耐化学性、抗水性。树脂的种类:由于树脂种类有多种,所以决定了我 们材料的多样性。PCB行业中常用的树脂体系有以 下几种:A.酚醛树脂 B.环氧树脂 C.聚酰亚胺树脂 D.三嗪和/或双马来酰亚胺树脂,物料介绍,2.4 胶液:(Varnish)2.4.1 胶液的组成:树脂、固化剂(Dicy)、固化剂溶剂、胶液溶剂(针对环氧树脂常用丙酮)、固化剂加速 剂(2-MI)。2.4
22、.2 胶液的功能:A.降低树脂粘度,引导树脂与固化剂 浸入玻璃纤维中.B.溶解树脂、固化剂与催化剂。C.提供一个化学性稳定的混合物。2.4.3 胶液的一致性:胶液的一致性对半固化片有相当重 要的影响。保证一致性的几个因素:A.配方的比例准确性。B.测试胶液的凝胶时间、粘度、比重。C.胶液的寿命:最好2天内使用,最长不能超过2 星期。存放其间溶剂的蒸发影响树脂的粘度及比重。D.新旧胶液不可混合使用。,物料介绍,2.5 半固化片及其特性、存放条件:2.5.1 半固化片的制程简介:,物料介绍,2.5.2 半固化片的特性参数:,A.RC%(Resin content):指胶片中除了玻璃布以外,树脂 成
23、分所占 的重量百分比。RC%的多少直接影响到树脂填充导线间空谷的能力,同时决定压板后的介电层厚度。B.RF%(Resin flow):指压板后,流出板外的树脂占原 来半固化片总重的百分比。RF%是反映树脂流动性的指标,它也决定压板后的介电层厚度 C.VC%(volatile content):指半固化片经过干燥后,失 去的挥发成分的重量占原来重量的百合比。VC%的多少直接影响压板后的品质。,物料介绍,D.Gel Time(Gel time):是凝胶时间,指B-阶半固化 片受高温后软化粘度降低,然后流动,经过一段时间 因吸收热量而发生聚合反应,粘度逐渐增大,逐渐 固化成C-阶的一段树脂可以流动的
24、时间。凝胶时间与溶融粘度及树脂流量的关系:,物料介绍,凝胶时间与溶融粘度及树脂流量的关系:在相同的半固化片流动下:一个低粘度系统需要较少的时间流动(快的反应性)一个高粘度系统需要较多的时间流动(慢的反应性)不同树脂可能需要不同的凝胶时间来达到相同的流动。凝胶时间流动的关系:较低的凝胶时间提供较低的流动 较高的凝胶时间提供较高的流动 在较低的凝胶时间里,凝胶时间对流动的影响较小 因此,凝胶时间是半固化片制程中需要控制的关键参数,也是后面压板工艺需要参考的重要指标,它是提供树脂流动的特性指标。,物料介绍,二、基材 1.结构:,基材又称覆铜板,它是通过半固化片在高温高压下与铜箔粘结在一起制成的不同规
25、格厚度的印刷电路板的原材料。,物料介绍,1.1 常用厚度基材的结构:,物料介绍,2.基材分类:(按IPC4101分类)2.1 纸基敷铜板:(IPC-4101中有5种),物料介绍,2.2 复合基材敷铜板:(IPC-4101中有3种),物料介绍,2.3 FR-4环氧玻璃布敷铜板:(IPC-4101中有9种),物料介绍,2.4 聚酰亚胺玻璃布敷铜板:(IPC-4101中有4种),物料介绍,3.基材特性参数:3.1 一般性能:3.1.1 目测:在300300mm面积内金属凹坑、皱折、划痕、次 表面缺陷(蚀铜后的内表面)接受标准等应按 IPC-4101标准接受。3.1.2 尺寸:长、宽、厚度检查公差按I
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