新型深度槽加工方法在模块PCB产品中的应用.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛344智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology 新型深度槽加工方法在模块PCB产品中的应用Paper Code:S-004 刘 涌 王红月（上海美维电子有限公司，上海 201100）摘 要 模块PCB产品深度槽的加工传统的方法是采用激光热烧灼的方式去除介质层形成空腔，但存在流程繁琐且槽底平整度较差等不足，文章讲述一种硬板新型的空腔制作方法，通过内层预先设置的PI保护膜，在空腔区域将层压半固化片隔离，外层用激光切割空腔的侧壁，在使用揭盖方式去除介质层形成空腔；主要探讨该工艺的流程设计，工具开发、关键制程的参数优化及测试等。关键词 模块PCB；空腔；PI保护膜 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0344-09 Application of new deep groove machining method in module PCB productsLiu Yong Wang Hongyue Abstract The traditional processing method of deep groove of module PCB products is to use laser thermal cautery to remove the medium layer and form a cavity.However,there are some shortcomings such as complicated process and poor flatness of groove bottom.This paper describes a new kind of hard board cavity manufacturing method the laminated prepreg is isolated in the cavity area by a pre-set PI protective film on the inner layer.The outer layer is laser cut on the side wall of the cavity,and the medium layer is removed in the way of uncovering to form the cavity.This paper mainly discusses the process design,tool development,parameter optimization and testing of the key process.Key words Module PCB;Cavity;PI Protective Film0 前言随着电子产品的轻薄化微型化的发展,PCB制作工艺能力的提升，埋铜块PCB产品，埋入式薄膜电阻产品，软硬结合板产品等，呈现越来越多的cavity设计，尤其一些埋入式产品的cavity尺寸较大，深度达0.15 mm甚至更深。传统的制作方法需要使用机械深度铣方式、激光深度铣方式或者二者结合方式实现。以上方式各有些弊端，对于大尺寸的cavity制作时长久，耗费过多的制作成本。对于机械激光组合方式制作其对准度也是一个高的挑战。结合以上传统工艺面临的问题，文章介绍一种新型的工艺方法，实现cavity制作。并达到良好的品质要求。1 传统cavity制作方式介绍传统的深度槽制作多用CO2激光钻孔方式和机械钻孔方式制作，需要将cavity区域的基材料全部清除，加工程序以345智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology2023春季国际PCB技术/信息论坛密集排布的方式制作，以激光钻孔制作方式为例，程序设定如下；图1 激光钻孔烧灼方式制作cavity程序以上程序的设定可以明确看出cavity区域需要激光路径全部交叠铺设完成，这样会导致板内cavity设计数量多的情况下整板需要铺设的激光路径孔数很多，加工工时很长，相应的制作成本很高。以一款埋入式电阻产品为例，单面cavity设计，每个单元设计一个2 mm4 mm尺寸的cavity，使用最优程序设计，cavity全部区域使用0.152 mm光圈0.076 mm pitch，最外围增加两圈使用0.102 mm光圈0.051 mm pitch铺设，这样最终整个working panel激光孔数为450万孔，每块板制作时间为50 min，生产效率极低。另外一些模块类产品客户有双面cavity设计，若同样密度的cavity设计，期制作时长需要翻倍。另外对于高介厚的产品其cavity深度可延伸至150 m到300 m以上，此类设计需要先使用机械深度铣完成至一定的厚度，再将剩余基材使用激光当时制作，期制作时长就更加冗长。激光钻孔方式制作cavity还需要兼顾底部平整度的要求，对激光钻孔参数及后续的底部和边缘除胶有较高的要求，激光制作不良容易导致槽底部平整度超出客户要求。图2 激光后cavity底部平整度超差2 PI保护膜方式制作cavity流程设计2.1 流程设计内层图形制作内层板棕化PI膜贴膜PI膜铣cavity区域废料区剥离层压外层各流程-外层图形外层铣cavity区域cavity区域揭盖整板除胶AOI检验阻焊印刷2.2 各流程设计目的2023春季国际PCB技术/信息论坛346智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology 依照上述的流程对各流程的制作内容和设计目的做一介绍。图3 流程内容介绍2.3 测试板选择选择4层一次压合测试板，cavity设计在外层，底部为次外层铜面，cavity尺寸依据产品的需要多种规格设计。为达到工艺制作的普遍性，设计普通FR4材料和厂内常用的 Low loss材料分别测试。图4 测试板叠层设计3 重点制程加工方法、工艺参数研究工艺流程中涉及到相关的工具设计，专用的制程参数，以下按照重点制程的顺序分别阐述工艺开发的过程和参数的积累。1?PI?PI?2?PI?PI?3?PI?cavity?cavity?PI?CO2?cavity?PI?4?cavity?PI?cavity?5?cavity?cavity?CO2?cavity?6?cavity?cavity?PI?cavity?7?347智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology2023春季国际PCB技术/信息论坛3.1 PI基本特性介绍3.1.1 PI膜基本性能介绍PI膜有其特殊的材料特性，其耐高温程度可剥离等特点明显，在层压后不会发生变性，容易剥离，固工艺上选用此材料。表1 PI膜基本性能介绍3.1.2 PI膜贴合力介绍PI膜在完成层压后粘结面与内层板铜面或者基材面直接接触，为层压后便于剥离在初始材料选择时选用低粘性的PI膜。但同时对膜的贴合过程和条件也提出了新的挑战。现今选用的结合力最低的一种规格。表2 PI膜结合力参考3.2 PI膜贴合测试软硬结合板PI膜贴合在层压前的半固化片上，通过普通贴膜机贴合，该工艺中PI膜贴合在硬板的棕化面上，结合能力较半固化片差异较大。贴合是需要给足够的压力和温度，保证二者的解恨能力，便面后续撕膜后有效区域的PI膜被带离。需要从贴合设备、贴合参数中做整体的测试评估。首先使用厂内的现有快压机设备，PI?HX-1212N（normal adhesive）（?）?PI?12.5 m&25 m?6 m75 m?12.5 m+6 m?120?Tg?260?MD0.01%?TD0.01%?CuFR-4?g/25 mm?PI?50?22?230?2?28?50?20?230?2?17?50?23?230?2?29 2023春季国际PCB技术/信息论坛348智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology 表3 快压机测试贴膜结果快压机测试结果均不能满足制作要求。以上失败主要原因PI膜韧性较差，虽然增加足够的压力但是PI膜与板之间的空气不能充分被抽，PI膜粘性较低，加压过程中无法充分结合，更改使用干膜真空贴膜机设备测试。真空贴膜机经过抽真空环节可以将结合面之间空气排出,增加两者间的结合能力。分别就目前可使用的两台贴膜机测试确认其可行性见表4。以上多种测试确定，使用2号贴膜机，常规生产参数，但仅可手动滚动式贴膜。3.3 cavity区域激光洗PI膜程序测试重点确认激光洗PI膜后尺寸变化状况，设计不同尺寸的补偿确定完成尺寸与实际尺寸之间的差异见表5。测试结果看，使用不同程序制作后，完成后尺寸较设计程序尺寸整体偏小，整体偏小0.076 mm，单边0.038 mm，由此可以确定内层激光制作后尺寸变化量，可初步确定补偿值的大小，但具体补偿量需要增加外层激光开窗的尺寸最最终的补偿确定。?3?/?/kg.cm-2?/kg.cm-2?/S?NO.1 180 120 60?NG?PI?2 180 120 120?NG?3 180 120 240?+?NG?/?/S?NO.1 180 120 60?NG?2 180 120 120?NG?3 180 120 240?+?NG?349智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology2023春季国际PCB技术/信息论坛?4?1#?/?/kg.cm-2?/S?/?/kg.cm-2?/S?NO.1 65 5 60?25 m?NG?PI?1?2?65?2#?NO.1 100 5 60?NG?2?OK?5?PI?1?2?3?4?5?/mil-4-2 0 2 4?/mm?3.9 1.9 3.95 1.95 4 2 4.05 2.05 4.1 2.1?/mm 3.82 1.81 3.87 1.87 3.93 1.92 3.97 1.96 4.02 2.02 -3.1-3.4-3-3.1-2.9-3.1-3.3-3.4-3.1-3?-?表5 内层激光铣PI不同补偿测试2023春季国际PCB技术/信息论坛350智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology 3.4 外层cavity区域激光铣程序测试外层激光铣目的是cavity侧壁成型，决定cavity的形状和尺寸，需要对程序的补偿和测试做特别的测试和规定，但同时外层激光程序的尺寸又需要与内层PI膜切割程序相互匹配，最终满足成品cavity尺寸满足要求，且便于cavity揭盖。三者之间分匹配性有以下相互关系。有以下两种边界现象:以下两个方向：1）内层PI膜激光切割较外层过大，导致在外层揭盖时PI膜残留在揭盖边缘之外，最终残留在板内，影响产品可靠性；图5 切割后示意图-12）内层PI膜激光切割较外层过小，外层揭盖时盖子边缘无PI膜存在导致揭盖不易。图6 切割后示意图-2鉴于以上考量，设计实验搭配两种激光程序补偿量做对比测试，并分析结果表6 内外层激光程序测试结果?Cavity?Cavity?1?2?3?4?5?PI?/mil-4-2 0 2 4?PI?/mm?3.9 1.9 3.95 1.95 4 2 4.05 2.05 4.1 2.1?/mm 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2?cavity?3.93 1.92 3.96 1.95 4.01 2.01 4.06 2.07 4.12 2.22?/mm 0.03 0.02 0.01 0 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02?(?)5%10%20%50%50%50%?cavity?PI?10 m20 m?PI?cavity?PI?50 m?PI?351智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology2023春季国际PCB技术/信息论坛以上结果可以得出五种设计中出去设计3外，其余设计存在明显的结果不良，确定内层好外层激光补偿量均为0，但设计3的揭盖良率仅为50%。3.5 揭盖方式优化 切片分析以上程序3设计完成试验板，PI膜边缘和外层激光切割边缘基本保持一致，盖子底部无溢胶残留，可判定为揭盖不良的主要原因为PI膜与内层铜面之间的结合力过大导致，为了提升揭盖良率，从两方面出发，一是增加揭盖时对盖子的拉力，二是降低PI膜与内层铜面之间的结合力。提升盖子对盖子的拉力，选用粘结能力较强的剥离胶带。图7 揭盖胶带相关参数降低PI膜与内层铜面之间的结合力，分别作了以下测试尝试。a.烘烤方式降低结合力结合HDI板热应力可靠性测试方式，产品加温方式可以降低P片与铜面间的结合力，烘烤参数：180 2 h结果：揭盖不良，整体不良比例50%b.除胶方式分别使用plasma除胶和水平desmear方式处理待揭盖板，结果：揭盖不良，整体不良比例50%c.IR处理方式产品激光钻孔后安排IR一遍，IR参数：最高温度260度，保持时间15 S结果：揭盖良率明显提升，一次揭盖成功率90%以上，经过两次胶带揭盖后全部完成揭盖。以上测试确定揭盖前需将产品板进行IR一遍，再使用粘度较高的专用胶带进行揭盖动作。3.6 cavity除胶 Cavity外层激光揭盖后边缘残胶炭化，揭盖后底部残胶及内层板铜面棕化层暴露，影响后续的流程制造，有些产品有cavity底部镍钯金等类似的表面处理要求。按照工艺需求建议使用同外层层压半固化材料除胶参数进行制作，除胶完成后EDX分析底部是否清洁完成，同时做ENIG制作和拉金等相关测试，结果满足要求。4 总结以上工艺与传统的激光钻孔制作方式相比，当cavity面积相对较大时有明显的优势，主要体现在加工工时和加工成本方面，但面积相对较小时，边距小于2 mm以内时该工艺无明显优势，但可以作为备选工艺制作，可以释放激光钻孔机器的一部分产能。该工艺目前完成了工艺开发，内层激光铣、外层激光铣，揭盖等关键工序完成相关工艺参数评估。2023春季国际PCB技术/信息论坛352智能制造与机械加工技术 Intelligent manufacturing and Machining technology 图8 cavity底部EDX分析结果图9 除胶后cavity底部在客户测试板中完成测试应用，工艺满足产品制作需求。参考文献1 冉彦祥,孟昭光.印制电路板埋入平面薄层电阻研究,特种印制板制造技术,2013.2 王子建.柔性板开盖的制作研究,维普期刊,2015.第一作者简介刘涌,上海美维电子有限公司研发部高级工程师，主要从事HDI及5G产品的生产工艺开发与优化。