挠性及刚挠印制板生产工艺二

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1、挠性及刚挠印制板生产工艺二 挠性及刚挠印制板生产工艺二4.3.4 粘结片的选用选用不同类型的粘结片对刚挠印制板的结构有著直接的影响。图 13-16a-b 是采 用不同类型粘结片粘结内层的刚挠八层印制板结构示意图。其中 a 类是全部采用 丙烯酸粘结薄膜做为内层的粘结片。在这种结构中，丙烯酸厚度的百分比相当大，因而整个刚挠印制板的热膨胀系数也很大。这种结构的金属化孔在热应力试验 中容易失败。唯一可以弥补的方法就是增加电镀铜层的厚度，从而增加铜层可靠 性。在这种结构中靠降低丙烯酸粘结片的厚度达到减少 Z 轴膨胀的方法是不实际 的，一方面这不利於无气泡层压，另一方面靠增加压力弥补其厚度的不足往往还 会

2、造成挠性内层图形的偏移超差。结构 b 是采用了用。玻璃布做增强材料的丙烯酸 代替无增强材料的丙烯酸粘结片 这种有增强材料的丙烯酸不但能满足无气泡层 压的要求而且增加了结构的硬度。它的缺点是在孔化之前要处理凸出的玻璃纤维 头。结构 c 中采用环氧玻璃布半固化片粘结压了覆盖层的挠性内层。a 丙烯酸粘结片(b)丙烯酸玻璃布半固化片(c)环氧玻璃布半固化片(d)环氧玻璃布(或丙烯酸玻璃布)半固化片(e)环氧玻璃布(或丙烯酸玻璃布)半固化片 A:0.05mm 厚双面覆 35m 铜箔聚酰亚胺薄膜 B:带丙烯酸粘结片的 0.025mm 厚聚酰亚胺覆盖层 C:双面覆铜箔环氧玻璃布层压板 D:双面覆铜箔聚酰亚胺

3、玻璃布层压板 图 13-16 刚挠多层印制板结构示意图 由於环氧树脂与聚酰亚胺薄膜的结合力较差，因此在安装和使用过程中，易产生内层分层的现象。可以通过在环氧玻璃布与聚酰亚胺之间加一层丙烯酸胶增加 结合力，这样做的结果 是又引进了丙烯酸而且还增加了生产的复杂性。因此，这 种结构不宜采用。结构 d 中取消了覆盖层，内。层的粘结全部采用环氧玻璃布半固化 片或环氧玻璃布做增强材料的丙烯酸 挠性覆铜箔基材在表面的铜被蚀刻掉之后 露出的是一层丙烯酸胶，因而它与环氧的结合力非常好。同时，由於环氧材料的 大量引入大大降低了整个刚挠印制板的热膨胀系数，因此大大提高了金属化孔的 可靠性。由於去掉了大量的覆盖层，这

4、种印制板在高温工作环境下会变软，其挠 性段更是如此，因此要增加一个加固板。结构 e 是用聚酰亚胺层压板代替环氧层 压板，可以改善刚挠印制板的耐高温性。结构 a-e 中，除了 c 不宜采用之外，制 造商可以根据自己的设备和技术情况以及刚挠印制板的应用要求来确定刚挠印制 板的结构。近来，国外的制造商突破传统的层压方法。正在尝试一种大胆的覆盖 层部分层压法。这种方法具有显而易见的优点;它保留了结构 a 中结合力好的优 点，同时也克服了热膨胀大的缺点。这种层压法的结构示意图如图 13-17 所示。在这种结构中，挠性多层印制板最外边的覆盖层只伸入到刚性区中大约 1/10 的 位置，刚性外层与挠性内层采用

5、不流动环氧半固化片粘结。由於没有覆盖层，环 氧半固化片主要是与挠性基材上粘结铜箔的丙烯酸胶(当铜箔被蚀刻掉以后，这 层丙烯酸胶就露出来了)相互粘结，因而结合力很好。，由於去掉了粘结刚性外层 与挠性内层的两层丙烯酸粘结片以及两个覆盖层上的丙烯酸粘结片 整个刚挠印 制板的热膨胀系数大大降低，提高了金属化孔的耐热冲击能力。因此虽然这种结 构的工艺复杂而且成本高，但是它却提高了刚挠印制板的可靠性。图 13-17 覆盖层部分层压法传统的 改进的刚性外层与刚性内层的粘结首先要注意所选用的粘结片流动度应低於 2,，主 要是为了防止树脂从刚性部分的下部溢流到挠性视窗部分。改性丙烯酸薄膜，低 流动度环氧树脂薄膜

6、和不流动环氧玻璃布半固化片都是可供选用的粘结材料。丙 烯酸与聚酰亚胺的结合力强，而且不会在刚挠结合部出现余胶堆积，它的缺点是 热膨胀系数大。环氧树脂 与聚酰亚胺的结合力稍差，但是它的热膨胀系数较小。它的主要缺点是会在刚挠结合部形成余胶堆积，因而在无法解决余胶问题时，最 好还是选用丙烯酸做粘结片。4.3.5 层压的衬垫材料衬垫材料的选用对於挠性及刚挠印制板的层压质量十分重要。理想的衬垫材料 应该具有良好的敷形性，流动度低，冷却过程不收缩的特点，以保证层压无气泡 和挠性材料在层压中不发生变形。衬垫材料通常分为软性体系和硬性体系。软性 体系主要包括聚氯乙烯薄膜或辐射聚乙烯薄膜等热塑性材料。这种材料在

7、各个方 面的压力以及成形都比较均匀，而且敷形性非常好，能满足无气泡层压的要求。但是这种材料在压力较大的情况下，其流动度大大增加，从而造成挠性材料的变 形超差，因而这种衬垫材料最适合於简单的挠性印制板。硬性体系主要是采用玻璃 布做增强材料的矽橡胶。矽橡胶在各个方向的压力都十分均匀，并且在 Z 轴方向 上适应凹凸不平的电路，具有良好的敷形效果。其中的玻璃布则起到限制矽橡胶 在 XY 方向上的移动，即使层压的压力较大，也不会引起挠性内层的变形。矽橡 胶的价格虽然比聚氯乙烯薄膜昂贵，但是它却可以重复使用，是十分理想的衬垫 材料。4.3.6 刚挠印制板挠性窗口的保护:刚挠印制板的层压过程中，为了保证挠性

8、视窗的层压和平整，要在窗口放入垫 片。垫片应当表面光洁，具有脱膜性，这是为了保证挠性视窗的外观和垫片易於 拆卸。垫片的厚度应与刚性外层的厚度一致，垫片的大小应与窗口匹配。垫片的 尺寸太小会使挠性视窗产生不规则压痕影响外观;垫片太大则不利於排气和拆卸。经过层压以后，刚挠印制板的挠性视窗还要经过一系列的湿法工序，在这些工序 中都应对挠性视窗进行特殊的保护。综上所述可以看出，挠性多层板尤其是刚挠印制板的层压比普通刚性多层印制 板复杂得多。无论是基材的选择，粘结片的选择还是衬垫材料的选择都十分讲究。只有在正确选择材料的基础上，正确的把握工艺条件才能达到理想的层压效果。4.4 钻孔由於挠性刚挠印制板的结

9、构复杂，因此确定钻孔的最佳工艺参数对取得良好的 孔壁十分重要。为防止内层铜环以及挠性基材的钉头现象，首先要选用锋利的钻 头。如果所加工的印制板数量大或加工板内的数量多，还要在钻够一定孔数时更 换钻头。钻头的转速以及进给是最重要的工艺参数。进给太慢时，温度急剧上升 产生大量钻污。而进给太快则容易造成断钻头，粘结片以及介质层的撕裂和钉头 现象。通常 0.6 孔，其典型的钻孔工艺参数为:进给量 70mm/sec，转速 50000 rpm。对於有附连测试图形的在制板，附连测试图形的孔应最后钻，这样才能真 实的反映加工板孔内的情况。上，下垫板的使用对钻孔质量也十分重要。上垫板能防止板子的上表面产生毛 刺

10、和钻头钻偏，起导向作用。上垫板一般采用 0.3mm 厚的硬铝板，铝板还能起到 散热从而减少钻污的作用。下垫板具有保护工作台，防止板子下表面产生毛刺的 作用。下垫板的厚度一般为 1.5mm 应具有均匀，平整，对钻头磨损小以及不含能 引起钻污的成份等特点。一种覆铝箔层压板是较为理想的下垫板，它是以木屑和 纸浆为芯，两面是硬铝箔，用不含树脂的胶作粘结剂。从所周知，印制板孔内的钻污的形成主要是由於钻孔时的高温使印制板中的树 脂发生熔化。实验证明，印制板的钻污水平和厚度随著钻孔时温度的升高而增加，在树脂的玻璃化温度之上增加更快。因而有些制造商曾尝试冷冻法钻孔，通过 降低加工板上的温度而达到减少钻污的效果

11、。具体做法是:先将刚挠印制板在低 温下(放入冷库或冰箱中)冷冻数小时，取出后在冷气保温条件下钻孔。采用这 种方法钻的孔，孔壁铜环光亮，只有少许钻污，效果十分明显。4.5 去钻污和凹蚀经过钻孔的印制板孔壁上可能有树脂钻污，只有将钻污 彻底清除才能保证金属 化孔的质量。在刚挠印制板中，由於覆盖层和丙烯酸粘结片上镀层结合力差，在 经受热冲击时，易造成镀层与孔壁分离，所以孔壁除了要求彻底去除钻污外，还 要求有 20m 左右的凹蚀，以使内层铜环与电镀铜呈可靠性更高的三点接触，大 大提高金属化孔的耐热冲击性。通常，聚酰亚胺产生的钻污较少，而环氧和改性 丙烯酸产生的钻污较多。环氧钻污可用浓硫酸去除，而丙烯酸

12、钻污只能用铬酸去 除。铬酸法处理过程中板子的持拿及清洗都十分不方便。又由於聚 酰亚胺不耐强 碱，因此强碱性的高锰酸钾去钻污根本不适用於挠性和刚挠印制板。因此，许多 厂家都使用等离子体法去钻污和凹蚀。图 13-18 为刚挠多层印制板未去净钻污而造成内层互连断路的显微剖切实例。图 13-18 X200 内层腻污导致内层断路等离子体去钻污是国外八十年代才开始采用的技术。等离子体是电离的气体，整体上显电中性，是一种带电粒子组成的电离状态，称为物质第四态。应用等离 子去除刚挠板及挠性板孔壁的钻污可看作是高度，活化状态的等离子气体与孔壁高 分子材料和玻璃纤维发生气固化学反应 同时生成的气体产物和部分未发生

13、反应 的粒子被抽气泵排出，是一个动态的化学反应平衡过程。等离子体气体的生成条 件为:(1)将一容器抽成真空(0.2-0.5Torr)，并保持一定的真空度;(2)向真 空容器中通入所选气体，必须保持一定的真空度;(3)开启射频电源向真空器内 正负电极间施加高频高压电场，气体即在正负极间电离，放出辉光，形成等离子 体，此时气体不断输入，真空泵一直工作以使真空器内保持一定真空器。由於等 离子体处理 需要专用设备以及电子级专用气体，因此采用等离子体去钻污凹蚀比 较昂贵。图 13-19 为等离子体去钻污，凹蚀的工艺流程图。挠性或刚挠印制板?钻孔?去毛刺?高压水洗?湿喷砂?烘板等离子体阻蚀处理?高压水洗?

14、孔金属化图 13-19 等离子体去钻污凹蚀工艺流程图 4.5.1 高压湿喷砂:高压湿喷砂是用 600 目左右的刚玉(AL2O3)在高压水条件下对多层板孔壁进 行清洗的过程。高压水洗与显喷砂都是为了提供洁净的孔壁，减少后续等离子体 处理的负荷。4.5.2 烘板:主要是为了去除加工板中的潮气。因为丙烯酸树脂和聚酰亚胺树 脂的吸潮系数比环氧树脂大得多。如果印制板中的潮气因低真空而进入真空系统，必然降低真空度，同时在真空泵中凝结，会对真空泵造成极大的损害。另外，对等离子体的化学活性也有影响。烘板的工艺条件为:1200C 下烘 3 至 4 小时。4.5.3 等离子体处理印制板专用的等离子体化学处理系统-

15、等离子体去腻污凹蚀系统，一般由五部 分组成:真空腔体，真空泵，RF 发生器，微机控制器，原始气体。各类型等离子 体处理设备只是在真空腔内电极的结构和气体。的输入位置和方式上略有差别 图 13-20 为 PC-760 等离子体系统的外形 图 13-21 为真空腔体内部结构。整个等离子体处理过程为分批间歇操作，分为三步，各步骤的典型工艺参数 如表 13-7 所示。第一阶段是用高纯度的 N2 气为处理气，产生等离子体。目的是 使整个系统处於 N2 氛围;N2 自由基与孔壁附有的气体分子反应，使孔壁清洁且使 孔壁实氮，同时预热印制板，使高分子材料处於一定的活化态，以利於后续阶段 反应。第二阶段以 O2

16、 CF4 为原始气体，混合后产生 OF 等离子体，与丙烯酸，聚 酰亚胺和环氧树脂，玻璃纤维反应，达到去钻污凹蚀的目的。第三阶段采用 O2 为 原始气体，生成的等离子体与反应残余物反应使孔壁清洁。等离子体处理的工艺 参数主要包括:气体比例，流量，射频功率，真空度和处理时间。气体比例是决 定生成等离子体活性的重要参数。要达到较好的处理效果，一般 02 为 50-90,和 CF4 为 50-10,。纯 02 等离 子体与孔壁材料反应速度慢且产生热量大，导致铜的 氧化。而 50,-10,的 CF4 增加了反应由凹蚀速度，能产生极化度高，活性强的氧 氟自由基。射频(RF)功率大小约在 2-5kw 之间。

17、高的功率使气体电离度提高，提高了反应速度，但同时也产生大量的热量。从而增加了间歇式反应的次数。系 统气体压力主要由射频功率和气体流量，比例决定。在较低的压力下，等离子体 放电不均匀，但粒子的平均自由程加大，可增加粒子进入小孔的能力;高的气体 压力使粒子的渗透能力降低，且产生大量辉光。增加功率水平可以改善渗透能力。通常比较理想的系统压力在 200-300mTorr 之间。图 13-20 PC-760 等离子体处理系统 图 13-21 真空腔的内部结构表 13-7 等离子体去钻污凹蚀工艺参数工艺参数(系统压力 280mTorr)第一阶段 第二阶段 第三阶段 CF4 气百分比(,)0 20 0O2

18、气百分比(,)0 80 100N2 气百分比(,)100 0 0 真空度 mTorr 110 110 110 射频功率 kw 2.5 2.5 2.5处理时间 min 5 40 5 等离子体去钻污凹蚀是复杂的物理化学过程，有许多影响因素。包括工艺参数，钻孔质量，前处理效果，印制板潮湿程度和温度，印制板上孔的分布和大小等。总之，只有充分考虑各类影响因素，正确确定前处理和等离子处理的工艺参数 才能确保去钻污凹蚀的质量。4.6 孔金属化和图形电镀 4.6.1 工艺流程，见图 13-22 所示。经等离子体处理加工板?除玻璃纤维?化学镀铜?电镀铜加厚成像?图形电镀 图 13-22 金属化孔和图形电镀工艺流

19、程 4.6.2 去除玻璃纤维采用等离子体除去挠性和刚性印制板孔内钻污时，各种材料的凹蚀速度各不 相同，从大到小的顺序是:丙烯酸膜，环氧树脂，聚 酰亚胺，玻璃纤维和铜。从 显微镜中能明显地看到孔壁有凸出的玻璃纤维头和铜环。为了保证化学镀铜溶液 能充分接触孔壁，使铜层不产生空隙和空洞，必须将孔壁上等离子反应的残余物，凸出的玻璃纤维和聚酰亚胺膜除去，处理方法，包括化学法和机械法或二者结 合。化学法是用氟化氢胺溶液浸泡印制板，再用离子表面活性剂(KOH 溶液)调整 孔壁带电性。机械法包括高压湿喷砂和高压水冲洗。采用化学法和机械法相结合 的效果最好。4.6.3 化学镀铜由於刚挠或挠性印制板中挠性部分基材

20、如丙烯酸和聚，酰亚胺不耐碱 因此孔 的前处理溶液应尽量采用酸性的，活化宜采用酸性的胶体钯而不宜采用碱性的离 子钯。如果采用碱性化学镀铜溶液，要控制好化学镀铜的沉积速率。沉积速率过 慢，反应时间长，碱性溶液会导致挠性内层材料溶胀;太快则溶液不稳定，铜层 机械能差。合适的速率为 55cm2 玻璃布试验引发时间 5-6s，覆盖时间 15-20s。化学镀铜宜采用镀薄铜工艺。因为化学镀铜层的机械性能如延展率较差，在经 受热冲击时易产生断裂。一般在化学镀铜层达到 0.3-0.5m 时，立即进行全板电 镀铜加厚至 3-4m，以保证在后续的处理过程中孔壁镀层的完整。4.6.4 成像刚挠及挠性多层板在层压之后表

21、面不如刚性多层印制板平整，最好采用真空 贴膜和真空曝光工艺。孔周围的不平整还易影响干膜的显影从而形成残膜。因而 显影后的清洗一定要乾净彻底，以防干膜残渣污染孔壁，最终造成孔内空洞。图 13-23 刚挠多层印制板的吸潮 4.6.5 图形电镀，首先图形电镀的铜延展率十分重要 要求电镀铜层的延展率大於刚挠及挠性 多层印制板的热膨胀率并且有较高的抗强度。在经受热冲击时，刚挠多层印制板 基材的总膨胀率比孔中镀铜层大 1.65,，而这一指标在刚性多层板中仅为 0.03,。由此可见，刚挠印制板中金属化孔所承受的拉应力比刚性多层板大得多。同时，镀铜层的厚度对刚挠印制板的可靠性也有一定影响。大多数刚挠多层板制造

22、商 都靠增加孔壁铜层厚度来提高金属化孔的可靠性。但是片面增加铜层厚度不能提 高金属化孔的可靠性，这是由於随金属化孔镀层厚度的增加，孔内横向应力增加。最合适的铜层厚度为 40-50m.最后，控制好电镀溶液的成份及工艺参数是生 产出高品质金属化孔的保证。(1)要求的(2)可接受的(3)不能接受的 图 13-24 覆盖层的分层 4.7 热熔/热风整平由於挠性和刚挠印制板的吸潮性大，因此在热熔或热风整平之前一定要烘板 去除潮汽，以防止在经受热冲击时，金属化孔断裂或内层分层。通常应在 1200C 下烘 4-6 小时。烘完的印制板应立即进行热熔或热风整平，以防止板子重新吸潮。图 13-23 为刚挠印制板在

23、 50,相对湿度，室温条件下的吸潮情况。从图可以看出，在 24 小时之内，板子的潮湿水平急剧升高。热熔工艺通常采用甘油热熔，它比 红外线热熔更容?卓刂啤,有杂?瓢逵伸逗苋恚 谌确缯 绞庇 潭谔刂频募?具上。4.8 外形铣挠性印制板的外形加工在大批量时是用专用冲膜(橡皮模具)冲，小批量时 用剪刀剪。刚挠印制板则要在铣床上铣外形，主要应注意挠性部分，因为挠性部 分易於扭曲而造成铣出的外形参差不齐和粗糙。可以在挠性视窗的上下垫入与刚 性外层厚度一致的垫片，并且在铣外形时压紧，就可以确保铣出光洁而且均匀的 外形边缘。铣外形的典型工艺参数为进给量 25mm/s，转速 45000rpm。低进给高 转速会造

24、成印制板边缘烧焦，反之进给大而转速低则会造成铣刀折断和印制板外 形的参差不齐。5.挠性及刚挠印制板的性能要求挠性及刚挠印制板在大多数通用要求上与刚性印制板是一致的，针对其引进了 挠性材料的特点，还有以下几方面的特殊要求。1，覆盖层分层:挠性及刚挠印制板的覆盖层分层应符-24 所示。图 13-25 连接盘上的粘结剂 1)离开导线随机位合以下规定，如图 13 置分层的面积不大於 6.5mm2 约直径 2.5mm，离印制板边缘或 余隙孔边缘的距离不小於 1mm。在任意 6.5cm2 覆盖层表面区域内，分层的个数不 多於 3 个。2)沿导线边缘的分层宽度不大於 0.5mm 或不大於相邻导线间距的 20

25、,，(以较小 者为准)。3)覆盖层外边缘无分层。4)在满足 1)-2)条要求的情况下，允许覆盖层有皱褶。2，连接盘上粘结剂:元件孔连接盘上的粘结剂应不使环宽小於 0.13mm(金属化)孔)或 0.25mm(非金属化孔)，见图 13-25.3，覆盖层余隙孔:当每个元件孔绝缘层为单个余隙孔时，其重合度应不使最小 环宽小於 0.13mm(金属化孔)，0.25mm(非金属化孔)。有盘趾加固的连接盘，盘 趾应被覆盖层塔盖，见图 13-26.图 13-26 余隙孔位 4，增强层的附著性:挠性印制板与增强层间的最小剥离强度应不小於 0.55N/mm.5 耐弯折性:1 型板和 2 型板的弯折半径应为挠性印制板

26、弯折处总厚度的 6 倍，但 应不小於 1.6mm.3 型板，4 型板和 5 型板的弯曲半径应为挠性印制板弯折处总厚 度的 12 倍，但应不小於 1.6mm。在经历 13-27 次弯折后，挠性和刚挠印制板应不 出现性能降低或不可接受的分层现象。耐弯折性应按图 13-27 所示的方法进行试验。布设总图中应规定下列实验要求:a:弯折方向;b:弯折度数。C:弯折周期数;d:弯折半径;e:弯折点。弯折周期的定义为:取试样的一端，使它围绕心轴弯 折，然后解除弯折回到原来位置，在一个方向弯折 1800 然后在相反方向弯折 1800.弯折周期也可以定义为:取试样两端互相向著同一方向弯折，然后解除弯折回到 原来

27、位置，每一端在一个方向弯折 900.然后在相反方向弯折 900.试验时，将心轴 放在试样的一侧与试样接触，然后将心轴放在式样的另一侧与试样接触，分别做 完规定的弯折周期数。做完弯折试验后检验印制板的电性能。6，耐挠曲性:1 型和 2 型板的挠曲半径为挠曲处总厚度的 6 倍，最小约为1.6mm。3 型，4 型，5 型板的挠曲半径应为挠曲处总厚度的 12 倍，最小约为 1.6mm。挠性和刚挠印制板应能耐 100000 次挠曲而无断路，短路，性能降低或不可接受 的分层现象。耐挠曲性采用专用设备(例如挠性疲劳延展性测试仪 FOF-1 型)，也可采用等效的仪器测定，被测试样应是符合有关技术规范要求。布设总图应 规定下列要求:a 挠曲周期数;b 挠曲半径;c 挠曲速率;d 挠曲 点;e 回转行程(最小 25.4mm).图 13-27 耐弯折性实验