一種高壓壓合的高頻PCB層偏改善研究

唐海波 李逸林

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 引言

通信設備對于信號損耗的要求越來越高，高頻印制電路板（printed circuit board，PCB）產品具有較小的介質損耗（Df），可減小信號損耗，提高信號傳輸的質量，因此，通信產品中高頻PCB產品的使用率逐年攀升。同時，通信產品的快速更新迭代也促使著高頻PCB 的復雜度不斷提高，除常規的雙面PCB 產品以外，已有多層PCB 及高密度互連（high density interconnector，HDI）板的設計。對于多層PCB，層間偏移（簡稱層偏）是一個嚴格要求的指標，層偏輕則影響信號傳輸質量，重則可能導致導通孔崩孔從而影響層間電氣導通。

本文對某4 層高頻PCB 產品層偏進行研究，由于此產品使用的半固化片（prepreg，PP）類型屬于低流動性PP，因此層壓壓力設定較高，分析數據時發現了嚴重的層偏問題。結合產品的實際情況，本文對類似采用高壓壓合的高頻PCB 產品的壓合工藝進行了對比及分析。

1 層偏的影響因素分析

1.1 產品物料及儀器設備

原材料：4層設計的高頻PCB（A 公司提供），其結構如圖1所示。

圖1 產品結構

采用A高頻芯板制作，2張芯板材料厚度均為0.3 mm，2 張芯板之間使用3 張B PP 進行黏接，L1 和L2 層使用35 μm 高溫高延展性銅箔（high temperature elongation electrodeposited copper foil，HTE），L3 層使用35 μm、L4 層使用18 μm 的HTE銅箔，盲孔直徑0.2 mm，連接第1～2層。

儀器設備：棕化線（用于芯板棕化）、電磁熱熔機（用于電磁熱熔工藝）、層壓機（用于芯板與PP層壓）。

1.2 壓合工藝

本次產品在制作過程中確保人員的操作規范，物料、機器都按標準要求嚴格監控，僅對不同的壓合工藝進行研究。制作此產品時，首次采用PIN 釘定位壓合工藝（PIN+lamination，PIN+LAM），即采用PIN 釘固定芯板及PP，防止后續壓合過程中芯板或PP 產生移位造成圖形偏位。PIN 釘類型為方PIN，分布在4 條板邊的中間位置，如圖2所示。

圖2 PIN孔分布

本次層壓程序采用高壓壓合程序，壓合過程保持高壓4 481.59 kPa，最高溫度設置220 ℃。完成層壓后，對產品板的相鄰層偏、整體層偏及與L2層層偏進行測量，具體數據見表1。

表1 PIN+LAM 壓合工藝層偏數據

從層偏數據來看，2 張板的相鄰層偏已達到0.254 mm（10 mil）左右，不滿足品質要求，用X射線檢查機可看到同心圓及內層連接盤已發生嚴重偏位，如圖3所示。

圖3 層壓后同心圓偏位圖

取一張板試鉆后發現崩孔。從同心圓以及內層連接盤的偏位情況看，2張芯板在短邊方向發生滑板移位，長邊方向重合度良好。

2 實驗部分

首批產品使用PIN+LAM 方式壓合，2 張芯板在短邊方向發生嚴重移位現象，猜想由以下原因造成：①使用3 張PP 壓合，芯板易發生移位；②由于壓力較高，僅靠PIN 釘不足以固定芯板。由于客戶有厚度要求，疊構不能更改，且更改層壓程序可能會造成樹脂空洞等問題，因此只對壓合排板方式進行研究。

除去PIN+LAM 工藝，還有鉚合+銷釘（鉚+PIN）以及熔合+銷釘（電磁熱熔+PIN）等排板方式。鉚+PIN 是使用鉚釘對芯板和PP 進行固定，電磁熱熔則是利用電磁加熱對PP 進行高溫固化，從而達到固定芯板和PP 的作用。基于以上原理，采用鉚+PIN 方案分別在長邊及短邊用鉚釘進行固定，對比2 種方法的改善效果。另增加一組對照實驗，采用電磁熱熔+鉚+PIN 的方式進行排板，驗證多種固定方式下是否可以更加有效地改善層偏，具體實驗方案見表2。

按照實驗方案完成層壓后，分別對相鄰層偏、整體層偏和與L2 層層偏進行測量，具體數據見表3。

表3 不同排板方式的層偏數據

分析數據可知，層偏控制能力以長邊鉚釘+PIN為最差，其他3種方案接近，均屬可行。

從以上數據可得：短邊鉚釘+PIN、電磁熱熔+PIN 和電磁熱熔+鉚+PIN 3 種壓合方式可有效改善層偏問題，用X 射線檢查機檢驗內層同心圓及內層連接盤偏位情況，如圖4所示。

圖4 不同方案層壓后偏位圖

鉚釘使用金屬銅制作，材質較軟且為空心結構，受到較大壓力可能會發生扭曲變形。由于長邊鉚釘+PIN 方式層偏情況較為嚴重，因此對此種方式壓合的產品板鉚釘做切片分析，以確認變形情況，如圖5所示。

圖5 長邊鉚釘切片

本次實驗中使用的鉚釘高度均為2.5 mm，預排高度設置1.2 mm，由圖5 可知，在高壓壓力的作用下，鉚釘孔已有明顯的變形，芯板發生錯位，2層芯板間無PP填充。

3 分析與討論

（1）PIN+LAM 工藝使用的PIN 針為方PIN，受力面為方形平面，理論上長邊及短邊均會受到2個PIN 釘的固定作用，但實際產品有層偏。采用長邊打鉚釘的方式，層偏數據幾乎沒有改變，而采用短邊打鉚釘的方式，產品層偏有明顯改善。因此可認為相比長邊，短邊受的力更大，在高壓的作用下，PIN 針不足以固定板面，鉚釘的固定作用更明顯。

（2）此次實驗里電磁熱熔的熔合連接盤共計12個，其中長邊8個，短邊4個，相當于長短邊都進行了固定，從結果來看可有效改善層偏問題。電磁熱熔+鉚釘+PIN 的方式相當于用鉚釘對板進行了二次固定，實際層偏數據相比電磁熱熔+PIN方式并無明顯變化。

從以上對比分析可得，改善此類產品的層偏問題主要在于短邊的固定方式，采用電磁熱熔或者鉚釘對短邊進行固定都可以避免高壓下短邊發生移位。

4 結語

通過以上分析可以看出，對于此種結構的產品采用全鉚或電磁熱熔的方式進行排板可有效改善層偏問題，而電磁熱熔連接盤離板內單元太近會有芯板分層的風險，離板內單元較遠又會導致拼版利用率下降，綜合效率及利潤考慮，可以采用全鉚的方式進行生產。

由于本次實驗僅對壓合工藝進行了調整對比，并未研究壓合程序和疊構對層偏的影響，因此后續可以考慮降低壓力或減少PP 數量研究層偏的主要影響因素。