多层线路板的层压技术

Preparedby:白杨日期:二零零一年九月版本:A目录前言……………………………………………第3页目的……………………………………………第4页内容简介………………………………………第5页主要内容………………………………………第6-128页工艺原理及方法（TheoryandMethod）…第6-36页物料介绍（Material）……………………第37-74页机器设备（Machine）……………………第75-100页检测方法（Measure）……………………第101-116页缺陷分析（Troubleshooting）……………第117-129页总结……………………………………………第130页前言随着当今科技的发展需求,对线路板的制作提出了更高的要求，因此为了跟上这些工业发展的要求，我们将重点放在人(Man)的因素上，即作为工艺工程师、生产监督及操作者都应更加深入了解各工艺的基本原理及方法，只有掌握了工艺的基本原理及方法，才能找到解决工艺难点的途径。目的使目前在职工程师掌握压板的基本理论及其技术方法使工艺理论知识得到普及，提高公司整体技术力量内容简介鉴于本教材是针对在职工程师的培训教材，所以对于一些工序中的专业术语将不深入解释。教材的内容将从以下五个方面分别讲解：工艺原理及方法（Method）物料介绍（Material）机器设备（Machine）检测方法（Measure）缺陷分析（Trouble-shooting）主要内容PartⅠ工艺原理及方法一、工艺原理压板的工艺原理是利用半固化片从B-stage向C-stage的转换过程,将各线路层粘结成一体。半固化片在这一过程中的转换过程的状态变化见下图：FlowBeginResinMeltResincuresFlowend二、工艺条件及压板Cycle的设计方法：1.工艺条件：1.1升温速度：应合理控制树脂从开始流动到停止流动这段时间范围内，对应树脂的温度约在80°—130°C，这个温度段Resin充分流动，称为flowwindow。在这个温度段，升温速度将影响树脂的粘度变化及凝胶时间，从而影响压板的品质——板厚均匀性。1.1.1升温速度与树脂粘度变化的关系：慢升温快升温时间树脂的粘度从上图可以看出：升温速度快对应的树脂粘度较升温速度慢的树脂粘度低，说明快升温时的树脂流动性大。升温速度快的Flowwindow较升温速度慢的要小，说明可以用于控制的时间短，不利于压板厚度的控制。1.1.2升温速度、Flowwindow及厚度控制的关系：从上图可以看出：升温速度快的Flowwindow较升温速度慢的要小。流动窗口小，树脂来不及填充导线之间的间隙，同时也不容易掌握加压时机，不利于压板厚度平均的控制。而升温速度过慢，流动窗口太宽时，树脂处于流态的时间长，在压力的作用下，流胶也会过多，而且相应的整个Cycletime也会加长。1.1.3升温速度的控制范围：通过以上分析，应合理控制Flowwindow的升温速度，通常对于目前公司用到的多数供应商提供的半固化片，升温速度通常控制在1.5°C±0.5°C/min。而对于美国有些供应商如：Polyclad等要求的升温速度通常会到4-6°C/min。所以升温速度的控制应参照不同胶系树脂的粘度特性来决定。1.2最高加热温度：要确定压板工艺的最高加热温度，首先应了解到使用的半固化片的树脂体系，它的固化温度（curetemperature)是多少，根据它来决定一个压板cycle中应提供的最高加热温度是多少。例如目前公司常用的FR-4环氧树脂的curetemperature是160°C—170°C。那么应使压板时最高料温达到170°C。如果对于不同的树脂体系：如热加强型（高Tg）FR-4，BT料等，应根据它们不同的最高料温要求决定最高加热温度。另外，还应了解一点：压板Cycle的最高加热温度是指压机的最高热盘温度，所以作为工程师应熟悉压机加热盘温与隔热层，Lay-up层数之间的关系及热损耗情况。Temp（°C）PlatenPresspadMultilayer+SeperatorPlatenPresspad190°C170°C1.3压力的提供：1.3.1压力的作用：A、要保证树脂与铜面之间充分接触与结合B、提高树脂流动速度，尽快均匀地填充导线间的空隙。C、将树脂反应产生的气泡挤到板边。1.3.2压力的设定方法与时机：1.3.2.1Onestagepresscycle（一段压方式）T（0C）1750CP（Bar）PressureTemperature一段压力的方式是指当压机开口一经闭合后立即提供全压力的压合方式，它主要用于树脂流量很小的树脂体系的压板。1.3.2.2Twostagepresscycle（两段压方式）对于高树脂含量、长Geltime的树脂体系通常采用两段加压方式。第一段压称为接触压力（KissPressure），主要提供压力保证先软化的树脂与铜薄充分接触，咬和。之后当树脂随温度变化后粘度较低时提供第二段压力。T（0C）1750CP（Bar）PressureTemperatureKisspressureTime1.3.2.3加压时机对于两段加压的压板方式，存在一个加压时机的问题。A.加压过早时，将导致过多的低粘度的树脂被挤出，导致板厚偏薄，更严重的情况将是缺胶，这部分区域将在后续工艺流程中产生分层。B.加压过晚，将会出现空洞、气孔缺陷。在沿着内层铜的边缘出现凹下去的轨迹。那么，加压时机应该怎么确定，才能避免以上缺陷出现呢？从以上的讨论中可以知道：加压时机与树脂粘度有关，所以我们应该掌握我们所用的树脂的粘度特性，下面一张图将粘度、压力、温度之间的关系汇总了一下，以供参考。而掌握正确的加压时机应根据长期实践经验来把握。图中虚线表示Onestage材料的粘度变化，实线表示高流量树脂的Twostage树脂的粘度变化情况。TemperaturePressureTimePressureTemperatureViscosityViscositySolidviscositytoohightoflowproperlyEffectiveworkingrangeViscositytoolow慢升温快升温TMADSC△H△THKTemperature(°C)Time(min)25507510012515017501234510678915°C/minheatinput流动起始点流动终结点熔融点固化点以上图为分别用TMA与DSC测试仪量度到的一张普通FR-4半固化片的热变化曲线.1.3.3压力大小的确定：1.3.3.1压力的大小如何确定？A、针对两段压力的加压方式，首先在升温初期，树脂受热逐渐开始熔化，粘度下降，仍未到充分流动阶段。应提供一个较低的压力，保证开始溶化的树脂与粗化铜面充分接触，这个压力通常称为kisspressure—接触压力（又称吻压）。通常这个压力设为5Kg/cm2左右。B、树脂开始流动到固化这个阶段应提供充分的压力，帮助树脂尽快流动填充导线间的空隙，并产生与各层铜较强的附着力。这个压力如何制定呢？根据以前的经验总结下表提供参考：长X宽INCH10111213141516171819202122231021523028511215230285122322453001324530014260315152853151630033017315330183303401933036020340213602237023385压力（psi）1.3.3.2压机中压力的设定方法：以上表中确定了压板时板面的承受压力，实际在压板机中如何设定操作压力值呢？以下将给出计算方法：)section(cmcrossspiston'ofarea)area(cmbonding)p/cmpressure(kspecificP222例如：Bondingarea：48”×26”(121.9×66cm2)Specificpressure:22Kp/cm2(315psi),Pistondiameter:35cm(962.1cm2)，那么压机压力应该设为：P=(22Kp/cm2×8045.4cm2)÷962.1cm2≈184Kp/cm2那么184Kp/cm2压机液压系统的压力.1.4固化时间：（Curetime)1.4.1固化时间的确定在制作半固化片的工艺中填加的催化剂与固化剂（dicy双氰胺），加速剂2-MI（2-甲咪唑），影响到树脂固化反应的速度，应了解使用的半固化片的这一特性指标:固化温度与固化所需的最少时间，目前我们经常使用的Tg135°C的FR4半固化Curetime通常为175°C保持60min。而热加强型(Tg175°C-185°C)的FR4固化时间为190-200°C保持120min以上.对于不同的树脂体系应从制造商处了解到该树脂的关于这方面的基本特性与参数制定出合理的固化时间.1.4.2固化时间与压板后材料的Tg之间的关系:材料的固化时间充分，保证了树脂C-stage的充分反应，而C-stage的充分反应时，则树脂中的高分子在硬化反应形成的链壮结构更加致密，材料的稳定性就越好。而材料固化充分的一个参考指标就是Tg。材料的Tg值与材料本身的特性有关，但也受压合条件中固化时间的制约，下图为两者之间的关系：树脂特性WETCLOTHB-StageCuredlaminationTg1.5总结：确定一个压板Cycle应首先确定以下四个工艺条件：A.升温速度B.最高加热温度C.压力D.固化时间2.压板Cycle的设计方法：2.1温度的Profile的设计2.1.1首先根据确定好的物料的升温速度，与根据经验所得的各层料温的差异，确定出压机热盘的升温条件。2.1.2然后根据物料的最高温度要求确定热盘的最高加热温度。2.1.3根据Curetime的时间定出在最高加热温度需要保持的时间。2.1.4根据以上三点可以基本确定出压板Cycle中温度的Profile。而具体实际应用时应该插Thermalcouple到不同层的材料中，根据实际情况与要求的偏差做一些修正。2.2压力的Profile的设计2.2.1首先确定加压方式，是采用一段压力，两段压力还是多段压力。2.2.2然后确定加压时机—即在物料温度达到多少时进行换压。不同物料特性不同，加压时机也不同。所以这要根据经验与对物料升温速度的掌握来确定。2.1.3根据实际的物料温度的测量结果进行修正。2.1.4根据修正的结果确定正式使用的压力Profile.2.3压板cycle的一个具体recipe：StepItemTemperature135癈150癈180癈190癈200癈190癈150癈135癈Pressure55N/cm255N/cm2250N/cm2250N/cm2250N/cm2250N/cm2250N/cm2250N/cm2Time15min10min10min15min35min15min10min5min12345678压板温度曲线05010015020025030011:20:4411:28:5711:37:1011:45:2411:53:3712:01:5012:10:0312:18:1612:26:3012:34:4312:42:5612:51:0912:59:221:07:361:15:49时间间隔温度\压力pressuresetN/cm2temperatureset℃platentemperature℃producttemperature1℃producttemperature2℃producttemperature3℃加压温度点为100oC三、压板的工艺方法：1.Masslamination大量无销钉层压方式:TopPlateKraftPaperSeperatorKraftPaperCarrierPlatePCBPrepregCopperfoilMasslamination大量无销钉层压方式:是指直接用铜箔与半固化片与内层基板压合的大批量层压方式。该方式操作简单快捷，产量大的特点。缺点是只对四层