薄型HDI板变形的分析与改善

2023-09-25胡菊红孙宜勇

印制电路信息 2023年9期

胡菊红孙宜勇

（上海美维电子有限公司，上海 201613）

0 引言

伴随着电子科技的飞速发展，印制电路板（printed circuit board，PCB）向高集成度、高密度和多层化方向发展。实际生产中，材料变形引起层间对位会导致内层过孔盘（pad）与镀通孔（plating through hole，PTH）之间出现偏位，甚至导致开关短路［1］。

在PCB 的加工过程中，导致板变形的原因复杂多样，如何减少或消除由于材料特性不同或者加工引起的变形是PCB 制造商面临的最复杂的问题之一。本文从PCB 边框设计及层压参数两方面对涨缩变形进行研究，经过试验验证，提出了针对低损耗材料，缩小由材料导致的涨缩变形的方案。

1 材料变形机理分析

1.1 高聚物的3种状态及特征

高聚物在不同的温度下呈现出3 种状态：玻璃态、高弹态、黏流态，如图1所示。

图1 高聚物的3种状态

大部分半固化片（prepreg，PP）是玻璃布与不同体系树脂组成的热固性高聚物复合材料，室温下呈固体状态，弹性模量大，具有高应力不易变形的特征，属于玻璃态；经过加热后，在Tg以上，PP 极易在外力的作用下发生形变，使分子链段端处于不自然的状态，即PCB 存在应力。如将此状态冷却到Tg以下，那么随着时间的推移或温度的影响，分子链段自发地向平衡自然状态发展成大分子链，以释放应力，宏观表现为尺寸的变化，即PCB的翘曲、变形等［2］。

1.2 变形产生的原因分析

1.2.1 压合材料、结构、图形设计

PCB 由芯板和PP 以及外层铜箔压合而成，其中，芯板与铜箔在压合时受热变形，变形量取决于两种材料的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）。

铜箔的CTE 为17×10-6K-1，而普通的FR-4 基材在Tg以下Z向CTE 为（5～7）×10-5K-1，Tg以上为（2.5～3.5）×10-4K-1。X向CTE由于玻璃布的存在，一般与铜箔类似。其中，PCB 变形的图形分布与芯板厚度、材料特性相关，当图形分布比较均匀、PP 树脂体系一致时，不易发生形变；当层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时，会导致不同芯板的CTE 差异较大，易在压合过程中产生变形，压合过程中的涨缩差异会通过PP 的固化过程而被保留并最终造成PCB的变形。

1.2.2 加工过程中引起的变形

PCB 加工过程的变形原因可分为热应力和机械应力2 种。其中，热应力主要产生于压合过程，机械应力主要产生于板件堆放、搬运及烘烤过程。

压合工序是产生热应力的主要原因，在不同压合参数下会产生不同的固化条件，产生固化程度差异带来的局部应力。PCB 由于厚度、图形分布、PP 等原因，其热应力也会比覆铜板更多，更难消除。

PCB 中存在的应力会在后续烘烤等流程中释放，导致板件产生变形。同时，选择冷热一体压机压合对减少热应力也有明显的帮助，原因在于冷热一体压机可避免板件转移冷却，不会在高温下失压导致变形。

2 试验设计

本文选取了在涨缩变形中影响最大的两个因素进行试验设计，一是PCB 边框设计，二是层压参数上的优化，并对此两种设计的结果进行分析。

2.1 量测方法及数据处理

使用三维测量仪，量测前须确认方向，以防呆孔左下方为识别方向。量测时，下垫和上盖的保护板保持板面平整再进行量测；量测前须静置，每次蚀刻、压合或回流焊后需静置1 h后再进行尺寸量测。PCB 涨缩量测距离分别为a1、a2、b1、b2，变形测量距离分别为a3、b3、S1、S2，如图2所示。测量数据处理见表1。

表1 PCB涨缩及离散的数据处理标准

图2 PCB涨缩量测位置

2.2 面板边框的图形设计

面板边框的图形设计对层压变形有着显著影响。连续形铜皮边框强度高，在压合及拼板加工过程中刚性较大，使板件内残余应力不容易释放，集中在外形加工后释放，导致变形更严重。而非连续形铜皮边框则在压合及后续加工过程中逐步释放应力，在外形加工后单板变形较小。本文使用5 种不同的面板边框设计与原有设计进行对比，见表3 和图3，在不同含铜率的情况下对涨缩变形进行监控，找出最有利于涨缩变形的设计。

表3 面板边框图形设计分析

图3 面板边框图形设计

通过以上设计可以研究在不同流胶方式、不同残铜率下面板边框图形涨缩变形的大小，设计出一种最有利于改善易变形材料及薄板上因变形而产生偏孔报废问题的方案。

2.3 层压参数的设计

在影响板变形的各种因素中，层压参数对涨缩变形的影响尤其突出，不同的层压参数会产生不同的结果，同时影响PCB 的翘曲度。通过合理的参数设置、压机选择和叠板方式等可以有效地减少应力的产生。层压参数对涨缩变形影响的主要因素为上压点、降压方式、最大压力。因此，本文采用了9组正交试验，每组5块板进行试验数据收集。试验水平数据见表4。

表4 层压参数影响因素设计

本试验使用的层压材料为EM-355（D），1037 RC 69%。从材料的黏度曲线得出，其在130 ℃开始流动，并在145 ℃达到流动最大状态。因此，上压点设计分别为130 ℃、145 ℃、160 ℃，降压方式及最高压力设计，按现有生产使用过的3种不同参数进行试验。

设计3 因子、3 水平正交试验，试验设计见表5，其中=温升速率为2.0～3.0。

表5 正交试验设计

此设计使用以上9 组实验设计得出最终结果，确认在不同层压参数下的涨缩变形变化，最终可找出影响最小、最合理的因子组合，并对此参数进行验证。

3 试验结果分析

3.1 板边图形设计对变形影响分析

针对5 种不同板边框设计上的涨缩变形与正常硬板设计比较，试验中发现在不同流胶状态下的涨缩变形情况有很大的不同，其中，软板内层流胶槽与其他几种设计相比，变形影响较小。

3.1.1 长边与短边的涨缩离散比较

收集面板边不同的流胶槽类型第一次压合后涨缩离散进行比较，结果见表6。

表6 长边与短边的涨缩离散比较

结果分析：从第一次层压后的涨缩数据分析，无论长边还是短边，各种不同面板边框设计的层压涨缩离散均满足极差R＜200 µm，标准差3σ＜100 µm 的要求。其中，正常的硬板流胶槽在长、短边上的极差较大，软板内层流胶槽在长、短边上的极差相对较小，说明软板内层流胶槽的涨缩变形相对稳定。对比第一次层压压合后的涨缩离散程度，蜂窝型内层流胶槽设计稍优于其他设计。各种不同面板边框设计涨缩初步对比结果为：蜂窝型＜斜条纹状＜网格型＜条纹状＜放射状。

3.1.2 板变形结果比较

收集面板边不同的流胶槽类型第一次压合后板变形结果比较见表7。从表中可以看出，斜条纹状的变形均＜75 µm，比较稳定。因此，斜条纹状的变形是较理想的情况。

表7 板变形结果比较

板变形的规律分析：从第一次层压后的板变形规律来看，各种不同面板边框设计的层压后均有长边一角变形；而软板内层流胶槽设计稍优于其他设计；各种不同板边框设计初步对比，长短边变形结果为：斜条纹状＜蜂窝型＜放射状＜条纹状＜网格型。从重点关注的腰鼓状变形结果来看，面板边框网格流胶槽设计有轻微的腰鼓状变形；各种不同面板边框设计初步对比腰鼓状变形结果为：斜条纹状＜蜂窝型＜放射状＜条纹状＜网格型。

根据以上结果可知：在板边框设计上综合涨缩及变形，斜条纹状在5种设计中较有优势。