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高多層PCB的關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制流程

  • 發(fā)布時(shí)間:2022-09-17 09:50:02
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何為高層線路板?在PCB行業(yè)中,一般大于10的線路板即為高層電路板,業(yè)內(nèi)也稱為多層線路板。

其主要應(yīng)用于5G通訊、數(shù)據(jù)中心、智能醫(yī)療、航空航天、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、軍工等技術(shù)領(lǐng)域。近年來,由于國內(nèi)外5G通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域的發(fā)展,高層線路板的需求愈加旺盛。

高層PCB由于層數(shù)多,品質(zhì)要求高,所以生產(chǎn)加工的難度較大,同時(shí)需要高超、嫻熟的生產(chǎn)技術(shù)人員和高精密的生產(chǎn)、檢測設(shè)備。因此,生產(chǎn)高多層電路板門檻較高。目前,PCB層數(shù)已經(jīng)成為衡量PCB生產(chǎn)廠家生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)指標(biāo)。目前國內(nèi)能批量生產(chǎn)高層電路板者的,主要有以奔強(qiáng)電路代表的為數(shù)不多的高端PCB廠商。

向大家介紹高層電路板在生產(chǎn)中所遇到的主要加工技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵生產(chǎn)工序。以饗讀者。

1、主要制作難點(diǎn)

對較常規(guī)電路板,高層電路板具有板件更厚、層數(shù)更多、線路和過孔更密集、單元尺寸更大、介質(zhì)層更薄等特點(diǎn),其內(nèi)層空間、層間對準(zhǔn)度、阻抗控制以及可靠性要求更為嚴(yán)格。

1.1 層間對準(zhǔn)度難點(diǎn)

由于高層板層數(shù)多,客戶設(shè)計(jì)端對PCB各層的對準(zhǔn)度要求較高,通常層間對位公差控制在75μm左右,考慮高層板單元尺寸設(shè)計(jì)較大、圖形轉(zhuǎn)移車間環(huán)境溫濕度,以及不同芯板層漲縮不一致性帶來的錯(cuò)位疊加、層間定位方式等因素,使得高層板的層間對準(zhǔn)度控制難度更大。

1.2 內(nèi)層線路制作特點(diǎn)及難點(diǎn)

高層PCB線路板多采用高TG、高速、高頻、厚銅、薄介質(zhì)層等特殊材料,對內(nèi)層線路制作及圖形尺寸控制等提出了更高的要求從而增加了內(nèi)層線路的制作難度。其線寬、線距更小,開短路增多,微短路增多,合格率較低;細(xì)密線路信號層較多,內(nèi)層AOI漏檢的幾率加大;內(nèi)層芯板厚度較薄,容易褶皺從而導(dǎo)致曝光不良,蝕刻過機(jī)時(shí)容易卷板;高層板大多數(shù)為系統(tǒng)板,單元尺寸較大,在成品報(bào)廢時(shí)代價(jià)較高。

1.3 壓合制作難點(diǎn)

多張內(nèi)層芯板和半固化片疊加,壓合生產(chǎn)時(shí)容易產(chǎn)生滑板、分層、樹脂空洞和氣泡殘留等缺陷。在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí),需充分考慮材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)厚度,并設(shè)定合理的高層板壓合程式。層數(shù)多,漲縮量控制及尺寸系數(shù)補(bǔ)償量無法保持一致性;層間絕緣層薄,容易導(dǎo)致層間可靠性測試失效問題。圖1是熱應(yīng)力測試后出現(xiàn)爆板分層的缺陷圖。

1.4 鉆孔制作難點(diǎn)

采用高TG、高速、高頻、厚銅類特殊板材,增加了鉆孔粗糙度、鉆孔毛刺和去鉆污的難度。層數(shù)多,累計(jì)總銅厚和板厚,鉆孔易斷刀;密集BGA多,窄孔壁間距導(dǎo)致的CAF失效問題;因板厚易出現(xiàn)斜鉆等問題。

2、 關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制

2.1 PCB基材的選擇

隨著電子元器件向高性能化、多功能化的方向發(fā)展,同時(shí)帶來高頻、高速發(fā)展的信號傳輸,因此要求電子電路材料的介電常數(shù)和介電損耗比較低,以及低CTE、低吸水率和更好的高性能覆銅板材料,以滿足高層板的加工和可靠性要求。常用的板材供應(yīng)商主要有A系列、B系列、C系列、D系列,這四種內(nèi)層基板的主要特性對比,見表1。對于高層厚銅電路板選用高樹脂含量的半固化片,層間半固化片的流膠量足以將內(nèi)層圖形填充滿,絕緣介質(zhì)層太厚易出現(xiàn)成品板超厚,反之絕緣介質(zhì)層偏薄,則易造成介質(zhì)分層、高壓測試失效等品質(zhì)問題,因此對絕緣介質(zhì)材料的選擇極為重要。

2.2 壓合疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的主要因素是材料的耐熱性、耐電壓、填膠量以及介質(zhì)層厚度等,應(yīng)遵循以下主要原則。

 (1)半固化片與芯板廠商必須保持一致。為保證PCB的可靠性,所有層半固化片避免使用單張1080或106半固化片(客戶有特殊要求除外),客戶無介質(zhì)厚度要求時(shí),各層間介質(zhì)厚度必須按IPC-A-600G保證≥0.09mm。

 (2) 當(dāng)客戶要求高TG板材時(shí),芯板和半固化片都要用相應(yīng)的高TG材料。

 (3) 內(nèi)層基板3OZ或以上,選用高樹脂含量的半固化片,如1080R/C65%、1080HR/C 68%、106R/C 73%、106HR/C76% ;但盡量避免全部使用106 高膠半固化片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以防止多張106半固化片疊合,因玻纖紗太細(xì),玻纖紗在大基材區(qū)塌陷而影響尺寸穩(wěn)定性和爆板分層。

 (4)若客戶無特別要求,層間介質(zhì)層厚度公差一般按+/-10%控制,對于阻抗板,介質(zhì)厚度公差按IPC-4101 C/M級公差控制,若阻抗影響因素與基材厚度有關(guān),則板材公差也必須按IPC-4101 C/M級公差。

2.3 層間對準(zhǔn)度控制

內(nèi)層芯板尺寸補(bǔ)償?shù)木_度和生產(chǎn)尺寸控制,需要通過一定的時(shí)間在生產(chǎn)中所收集的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn),對高層板的各層圖形尺寸進(jìn)行精確補(bǔ)償,確保各層芯板漲縮的一致性。選擇高精度、高可靠的壓合前層間定位方式,如四槽定位(Pin LAM)、熱熔與鉚釘結(jié)合。設(shè)定合適的壓合工藝程序和對壓機(jī)日常維護(hù)是確保壓合品質(zhì)的關(guān)鍵,控制壓合流膠和冷卻效果,減少層間錯(cuò)位問題。層間對準(zhǔn)度控制需要從內(nèi)層補(bǔ)償值、壓合定位方式、壓合工藝參數(shù)、材料特性等因素綜合考量。

2.4 內(nèi)層線路工藝

由于傳統(tǒng)曝光機(jī)的解析能力有限,公司特引進(jìn)了高精度的激光直接成像機(jī)(LDI),大大提高了線路圖形的解析能力。采用高精度對位曝光機(jī),圖形對位精度可以提高到15μm左右,層間對位精度控制30μm以內(nèi)。新設(shè)備的使用,大大減少了傳統(tǒng)設(shè)備的對位偏差,提高了高層板的層間對位精度。提高了產(chǎn)品的良率和客戶滿意度。

為了提高線路蝕刻能力,需要在工程設(shè)計(jì)上對線路的寬度和焊盤(或焊環(huán))給予適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償外,還需對特殊圖形,如回型線路、獨(dú)立線路等補(bǔ)償量做更詳細(xì)的設(shè)計(jì)考慮。確認(rèn)內(nèi)層線寬、線距、隔離環(huán)大小、獨(dú)立線、孔到線距離設(shè)計(jì)補(bǔ)償是否合理。有阻抗、感抗設(shè)計(jì)要求的,需注意獨(dú)立線、阻抗線設(shè)計(jì)補(bǔ)償是否足夠,蝕刻時(shí)控制好參數(shù),首件確認(rèn)合格后方可批量生產(chǎn)。為減少蝕刻側(cè)蝕,需對蝕刻液的各組藥水成分控制在最佳范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的蝕刻線設(shè)備蝕刻能力不足,可以對設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造或?qū)敫呔芪g刻線設(shè)備,提高蝕刻均勻性,減少蝕刻毛邊、蝕刻不凈等問題。

2.5 壓合工藝

目前壓合前層間定位方式主要包括:四槽定位(Pin LAM)、熱熔、鉚釘、熱熔與鉚釘結(jié)合,不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用不同的定位方式。對于高層板采用四槽定位方式(Pin LAM),或使用熔合+鉚合方式制作,OPE沖孔機(jī)沖出定位孔,沖孔精度控制在±25μm。熔合時(shí)調(diào)機(jī)制作首板需采用X-RAY檢查層偏,層偏合格方可制作批量,批量生產(chǎn)時(shí)需檢查每塊板是否熔入單元,以防止后續(xù)分層,壓合設(shè)備采用高性能配套壓機(jī),滿足高層板的層間對位精度和可靠性。

根據(jù)高層板疊層結(jié)構(gòu)及所使用的材料,研究合適的壓合程序,設(shè)定最佳的升溫速率和曲線,在常規(guī)的多層PCB電路板的壓合程序上,適當(dāng)降低壓合板料升溫速率,延長高溫固化時(shí)間,使樹脂充分流動、固化,同時(shí)避免壓合過程中滑板、層間錯(cuò)位等問題。材料TG值不一樣的板,不能同爐排板;普通參數(shù)的板不可與特殊參數(shù)的板混壓;保證漲縮系數(shù)給定合理性,不同板材及半固化片的性能不一,需采用相應(yīng)的板材半固化片參數(shù)壓合,從未使用過的特殊材料需要驗(yàn)證工藝參數(shù)。

2.6 鉆孔工藝

由于各層疊加導(dǎo)致板件和銅層超厚,對鉆頭磨損嚴(yán)重,容易折斷鉆刀,對于孔數(shù)、落速和轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)南抡{(diào)。精確測量板的漲縮,提供精確的系數(shù);層數(shù)≥14層、孔徑≤0.2mm或孔到線距離≤0.175mm,采用孔位精度≤0.025mm 的鉆機(jī)生產(chǎn);直徑φ4.0mm以上孔徑采用分步鉆孔,厚徑比12:1采用分步鉆,正反鉆孔方法生產(chǎn);控制鉆孔披鋒及孔粗,高層板盡量采用全新鉆刀或磨1鉆刀鉆孔,孔粗控制25um以內(nèi)。為改善高層厚銅板的鉆孔毛刺問題,經(jīng)批量驗(yàn)證,使用高密度墊板,疊板數(shù)量為一塊,鉆頭磨次控制在3次以內(nèi),可有效改善鉆孔毛刺,如圖2、圖3所示。

對于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用的高層PCB板,背鉆技術(shù)是改善信號完整有效的方法。背鉆主要控制殘留stub長度,兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內(nèi)銅絲等。同時(shí)我公司亦有具備背鉆功能鉆孔機(jī)。從行業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)和成熟量產(chǎn)應(yīng)用的背鉆技術(shù)主要包括:傳統(tǒng)控深背鉆方法、內(nèi)層為信號反饋層背鉆、按板厚比例計(jì)算深度背鉆等。

三、可靠性測試

高層板一般為系統(tǒng)板,比常規(guī)多層板厚、更重、單元尺寸更大,相應(yīng)的熱容也較大,在焊接時(shí),需要的熱量更多,所經(jīng)歷的焊接高溫時(shí)間要長。在217℃(錫銀銅焊料熔點(diǎn))需50秒至90秒,同時(shí)高層板冷卻速度相對慢,因此過回流焊測試的時(shí)間延長,并結(jié)合IPC-6012C、 IPC-TM-650標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)要求,對高層板的主要可靠性測試,

 

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THE END

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