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1、1 引言随着电子产品制造技术的迅速高水平化、电子产品的小型化、轻量化、高功能化、以及表面贴装技术的猛速发展，要求印刷电路板本身的弯曲翘曲度、PCB焊接时连接热盘和焊接的共面性与平坦度也非常严格；因此在电子产品中起重要角色的PCB也必须随着向高精度、高密度、高层次、小型化方向发展。压合工艺在电路板向多层化中发展起着至关重要的作用。压合的本质便是实现芯板与芯板、芯板与铜箔之间的有效粘结并保证其绝缘性能和整板的电气性能。为了提高结合力，在压板之前先要对内层芯板进行表面处理；层压工序是多层印制电路板制造中比较重要的一环，通常情况下压合参数的设定是关系到压合品质好坏的关键一步。本论文主要介绍了内层芯板表
2、面棕化机理和层压参数的匹配性，并对铜皱产生的原因和解决方法进行了探讨，文章结尾还对压合的优化方向提出了一些我的想法。2 压合流叠板蚀后冲孔层压冲孔机芯板棕化半固化片铜箔油压机电压机拆板打靶锣边打靶机锣边机程 图2.1压合流程图其中蚀后冲孔是在板子边缘冲出铆钉孔，供叠板时打铆钉，防止内层板层压时发生层间错位；叠板是预先将待内层芯板、PP、铜箔等按一定顺序叠放，为层压做准备；拆板、打靶、锣边是压合的后处理工作，主要用来钻出定位孔，方便后续工序定位，并对板边进行处理。这些工序原理简单，在此不作多介绍。3 层压材料在层压的过程中用主要到的原料有内层芯板、PP、铜箔。除此之外，层压时还会用到分隔钢板和牛
3、皮纸作为辅料。其中铜箔是层压时主要的加工对象之一，用于制作外层线路；分隔钢板在层压时平衡板面压力，使整个板面受力均匀。鉴于此，分隔钢板要有足够的硬度来保证他的功能；而层压过程中在压盆上下加垫的牛皮纸，是为了缓冲压力分布，使层压机的压力能够均匀的分布在整个板面。半固化片作为在层压时，起到粘结上下层，并提供机械性能的重要作用将在下面做重点介绍。半固化片由玻璃纤维布和树脂组成。树脂成分主要为环氧树脂，环氧树脂是泛指分子中有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。正是由于活泼环氧基团的存在，才可使环氧树脂与固化剂在一定的条件下发生固化反应，生成立体网状结构的产物，从而显现出各种优良的性能。固化剂在环
4、氧树脂的应用中是必不可少的，有些固化剂不同于催化剂，它在固化反应中既起到催化作用，又与树脂相互交联生成交联聚合物。因此固化剂在某种程度上对固化反应起着决定性作用，它决定了固化反应历程和所生成的交联聚合物的性质。半固化片中所添加的固化剂都是潜伏型固化剂，即在室温条件下可与环氧树脂较长期稳定地存在，而在高温高压或者光照等特殊条件下才具有反应活性，使环氧树脂固化。半固化片影响层压时各层粘结度和压合后电气性能的主要性能指标包括：含胶量、流动度、凝胶时间、挥发物含量四项。(1) 树脂含量指树脂在半固化片中所占的质量分数，一般树脂含量为4565，其含量随玻纤布厚度增加而减小。对于同一体系的半固化片，其含量
5、大小直接影响半固化片的介电常数、击穿电压等电气性能及尺寸稳定性。一般地：含量高，介电常数低，击穿电压高，但尺寸稳定性差，挥发物含量高。 (2)树脂流动指树脂中能流动的树脂占树脂总量的分数，树脂流动度一般在25 %40之间，其含量随玻纤布厚度增加而减小。流动度高，在层压过程中树脂流失多，容易产生缺胶或贫胶现象；流动度低，容易造成填充图形间隙困难，产生气泡、空洞等现象。因此在多层板生产过程中，宜选择中流动度的半固化片。不过，目前半固化生产厂家通常提供比例流动度来代替流动度和凝胶时间，比例流动度数据能够较好地预测成品板的最终厚度，在多层板生产过程中是重要参数之一。(3)凝胶时间 胶片中的树脂为半硬化
6、的B-stage材料，在受到高温后即会软化及流动，经过一段软化而流动的时间后，又逐渐吸收能量而发生聚合反应使得粘度增大再真正的硬化为C-stage材料。上述在压力下可以流动的时间，或称为可以做赶气及填隙工作的时间，称为胶化时间。当此时段太长时会造成板中应有的胶流出太多，不但厚度变薄浪费成本而且造成铜箔直接压到玻璃上使结构强度及抗化性不良。但此时间太短时则又无法在赶完板藏气之前因粘度太大无法流动而形成气泡现象。(4)挥发物含量指浸渍玻纤布时树脂所用的一些小分子溶剂在预固化时的残余物，挥发物占半固化片的百分质量称挥发物含量，一般挥发物含量小于等于O3。挥发物高，在层压中容易形成气泡，造成树脂泡沫流
7、动。4内层芯板表面处理4.1内层芯板处理方式在压合制造过程中为了防止压合后板铜与胶之间出现分层，增强内层之间的结合力，而采取的方法有黑氧化和水平棕化工艺。棕化技术克服了黑氧化所不能避免的缺点（产生粉红圈），并能够促进铜面与聚合物树脂这一无机/有机界面的粘结，为多层印制线路板在后续的线路生产、电子元件的表面焊接、贴装，提供可靠层间结合力，且由于其操作简单、条件温和、生产效率高等优点，而逐渐取代黑化工艺，成为印制线路板内层制作的主流工艺。4.2 棕化机理(1)棕化原因光滑内层铜面在多层板内层压板后结合力不足，在生产加工后容易产生爆板、分层等缺陷，因此在压合之前内层板要进行棕化以增强内层铜箔表面积，
8、提高结合力，另外，铜面不经氧化处理在高温高压状态下内层铜面会与半固化片固化过程中的有机物（在高温高压下多官能团有机物均具有很强的氧化效果）和挥发性气体（水和其他小分子物质）发生反应，造成内层铜面的颜色不均，明显的色差和次表面缺陷，采用棕化处理即可有效防止该类缺陷的发生，而且棕色具有很强的掩盖性（可以有效的将内层表面处理的一些次变面轻微缺陷掩盖）。再者，棕化还能够增加内层铜面对流动树脂的湿润性，使流动的树脂有充分的能力伸人氧化膜中，固化后展现强劲的抓地力。(2)棕化反应机理铜表面先被酸氧化成致密、完整、均匀、粗糙的Cu2O，为下一步有机铜膜的形成提供良好的物理结构，CuO与含N、S、O的有机化合
9、物缓蚀剂生成有机金属铜膜，沉积在Cu2O上面。因为含N、S、O的有机化合物含有孤对电子和芳香环，而Cu2O中Cu原子含有未充满的空间d轨道，易接受电子，产生键和配位键，由这两种键构成有机金属化合物聚合生成不溶性沉淀薄膜非常稳定，阻止了腐蚀介质的侵蚀，防止粉红圈的发生。内层芯板铜面反应机理1：Cu+O氧化Cu2OCu2O+R吸附CuI-RnCuI-R沉积聚合CuI-Rn其中R表示能与氧化亚铜生成有机金属膜的化合物。芯板进入棕化液后，蚀刻反应马上开始，铜表面与MS-300药液络合生成一层钝化膜在棕化液中，MS-300渗透钝化膜，无规则地打开通向铜表面的点，使蚀刻反应在这些位置进行棕化膜被穿透成为小
10、点，在随意可被透后到达的位置，少量的H2O2 , H2SO4 微蚀铜面此过程重复发生被蚀刻后的位置又变为钝化膜在铜表面上变得高度粗糙并被钝化。通过以上反应在内层芯板表面形成一层金属有机膜具有机械和化学粘附力，能够增强内层铜与树脂的结合力，提高层压板的内热冲击性、抗分层能力。5设定层压参数的参考因数多层板的制作最关键的就在于压机层压，而压机层压主要是通过设定参数来控制多层板不同层压时间段的温度和压力的。压合参数的选择是否得当，将直接影响压合后多层板的品质。而设定合适的层压参数可以从层压温度、压力、时间入手，实现三者的有机匹配。(1)温度层压过程中有几个温度参数比较重要。即树脂的熔融温度、树脂的固
11、化温度、热盘设定温度、材料实际温度及升温的速度变化。熔融温度系温度升高到70时树脂开始熔化。正是由于温度的进一步升高，树脂进一步熔化并开始流动。在温度70-140这段时间内，树脂是易流体，正是由于树脂的可流性，才保证树脂的填胶、湿润。随着温度逐渐升高，树脂的流动性经历了一个由小变大、再到小、最后当温度达到160-170时，树脂的流动度为0，这时的温度称为固化温度。热盘温度主要取决于钢盘、钢板、皮牛纸等的传热情况，一般为180-200。为使树脂能较好的填胶、湿润，控制好升温速率就显得很重要，升温速率是层压温度的具体化，即控制何时温度升到多高。升温速率的控制是多层板层压品质的一个重要参数，温升太慢
12、，将因逐渐固化，树脂流动度变小，造成排气不完全而出现气泡、空隙、厚度太厚等缺点。反之，当温升太快时，又容易造成树脂熔融粘度太低、胶流量太多，层间接合力也将因缺胶而降低。因此，必须选择正确的温升速率，温升速率的选择视半固化片中胶片的流动度、内层电路图设计、层压板尺寸与几何条件等实际条件而定。升温速率一般控制为2-4min。对7628PP升温速率可以快一点即为2-4min，对1080、2116PP升温速率控制在15-2min为最好；同时PP数量多、升温速率不能太快，因为升温速率过快，PP的湿润性差，树脂流动性大，时间短，容易造成滑板，影响层压品质。(2)压力多层板层压压力大小是以树脂能否填充层间空
13、洞，排尽层间气体和挥发物为基本原则。根据压力的变化，可将压制周期分为预压和全压两个阶段，从刚加预压到高压开始的时间为预压周期，主要作用是使熔融树脂润湿，挤出内层图形间的气体，并用树脂填充图形间隙，逐渐提高树脂的动态粘度。预压周期的长短主要由树脂的流变曲线来确定。，在树脂的流变曲线中，当树脂在某一温度出现最低粘度（即最大流动度），该点对应的即为预压时间，只要在这一点前施加高压，板的性能就会比较理想。压力大小一般根据PP供应商提供的压力参数确定，一般为15-35kgcm2。（3）时间 时间参数主要是层压加压时机的控制、升温时机的控制、凝胶时间等方面。对二段层压和多段层压，控制好主压的时机，确定好初
14、压到主压的转换时刻是控制好层压质量好坏的关键。若施加主压时间过早，会导致挤出树脂、流胶太多，造成层压板缺胶、板薄，甚至滑板等不良现象。若施加主压时间过迟，则会造成层压粘结界面不牢、空洞、或有气泡等缺陷。只有充分考虑到上述因素，才能设计出符合要求的压合参数，加工出合格的多层板。6 品质问题分析与改善压合过程是极其复杂的，从内层芯板的处理、材料的选择、压合程式的设定到员工的操作规范上，只要有一点不符合工艺要求，便会导致压合后多层板出现品质问题，甚至直接导致整板报废。常见品质问题有板面缺胶、气泡、板面凹痕、板厚不符合要求、板翘、分层等等。下面就最常出现的铜皱问题进行原因分析，并提出改善方法。6.1
15、铜皱产生的原因(1)在排版操作铜箔过程中导致铜箔在压合前就已经打折起皱，自动叠合线机械手卡位不当，融合铆合面不等因素对铜箔压合过程中均会产生外层铜箔起皱。对此可以对应地针对机器、操作方法进行改善。(2)局部添胶不足，而造成这些位置的铜箔不规则塌陷而起皱。(3)在高层版设计上存在大面积梧桐区域，每个层次无铜区处在相同的位置；图形设计上有容易引起树脂回流的图形。6.2解决方案(1) 图形设计于无铜区增加无数的直径1mm-2mm的小铜点，铜点间距0.25mm-1mm,铜点应间错开排列，各层铜点的位置相同，以便减少无铜区的面积：有利于胶体对间隙的填充。板边四个角间距较大，增加铜点时将直角转化成圆形角。单元间隔之间的间隔图形应设计成铜点，而非铜条。在板边工具图形直角位置增加一个流胶通道可以让多余树脂顺利溢出。 (2) 对于层数不高的情况，可以在叠层时每片板用适当数量张牛皮纸隔开，增加缓冲，平衡低压区，并且每层一板排板的方向相互错开，避免无铜区的叠加。使用牛皮纸缓冲压力能进行一定程度的改善，但对于无铜区太大，层数太高，累计厚度很厚的情况下，叠层加牛皮纸改善效果不大。(3) 在排板材料选择上的改善 用铝片排板，可以缓冲压合时的热冲击和压力，提高平整度；(4)选择膨胀系数大的钢板供压合用，或用铝片进行排板。因为不同的材料，其膨胀
