多层印制线路板基材涨缩控制研究

【摘 要】本文结合PCB生产厂商实际生产中压合后板材发生涨缩的实际情况；通过L9（34）正交实验图表对影响涨缩的三个主要因素进行三个位级九组实验数据的收集、分析从而得出影响涨缩的主、次因素及涨缩系数；以便得出更合理的基材涨缩补偿系数。

【关键词】涨缩系数；因素 ；位级 ；芯板

一、 前言

随着电子信息产品向轻、薄、短、小及多功能化、高性能化、高可靠性方向发展，电路板的层数及电气连接孔的密度也在不断地提高；一些如：BGA （ Ball Grid Array 球珊阵列封装技术） 、CSP （ Chip-scale packaging 芯片尺寸封装技术）芯片安装技术等的提升使得电子元器件引脚数目越来越多，安装密度也越来越大；像封装基板应用于裸芯电板和倒芯片封装板的印制线路板，其面积一般大于100*100 mm， 线宽线距小于：0.075/0.075 mm ；这就对印制线路板的性能提出了新的要求，同时高密度化的发展也必然会带来高精度化的要求；当印制线路板尺寸稳定性不好时，直接影响到的是印制线路板的线路制作及钻孔孔位精度的控制及后期的SMT，因此在高温焊接的过程中会出现较大的形变（如：拱曲、扭曲等），从而造成电子元器件引脚与所对应的PCB焊盘存在偏差进而出现焊接质量差或者焊接不上等异常。而对于大尺寸、多引脚、高多层PCB板来说尺寸的稳定性就显得尤为重要！因此就需要PCB板在长期的组装和使用过程中都能保持良好的尺寸稳定性，不因外界温湿度、压力等外部条件的变化而出现使用性能发生变化；故PCB板的尺寸稳定性是线路板制作过程和使用过程中一个重要的关键管控点。

二、 多层印制线路板基材涨缩产生的原因及分析：

从影响多层板在制作过程中基材发生涨缩的鱼骨图（如图1）中可以了解到影响多层板在制作过程中发生基材涨缩的因素包括：原材料基板料 / PP 生产厂家、压合芯板的板厚、铜厚、残铜率、压合结构设计、烤板方式及参数等等。但是在材料一定的情况下，影响多层板在制作过程中发生涨缩的主要因素为：芯板的厚度、铜厚、内层的残铜率、压合结构设计。

图1 影响多层板发生涨缩的原因分析

2.1 热膨胀系数对基材涨缩的影响：

常规PCB基板的CTE（CTE ：Cofficient of thermal expension 的缩写；热膨胀系数）为：十万分之一到十万分之二之间；对于PCB 在制作过程中发生的基材涨缩大多集中在热膨胀系数不匹配的问题上。因此在PCB 板中各种材料的热膨胀系数相匹配或者想接近就显得尤为重要了，下图为PCB板及各种原材料及下游段电子元器件引脚的CTE系数图表：

从上表2.1中可以看出影响印制线路板热膨胀性能最主要的因素是树脂体系；在印制线路板的生产过程中树脂胶把铜箔和E-玻璃纤维布粘结起来，当受热时它们会发生膨胀，而E-玻璃纤维布的CTE最小，粘结E-玻璃纤维布网孔和表面的树脂受到的限制将最大，其次是内层图形表面粘结的树脂，而铜箔和E-玻璃纤维布之间的树脂将发生最大的热膨胀；这就形成了热膨胀的不匹配。只要把树脂的CTE降下来，就可以降低这种热膨胀不匹配的程度。树脂的CTE比E-玻璃纤维布的CTE大的多但由两者融合的PCB基板的CTE并不是两者的简单加和。在PCB基材的X 、Y 方向上的CTE 主要是由E-玻璃纤维布起主要作用；在Z 方向上的CTE 由树脂起主要作用。在制作覆铜板基板的过程中树脂在高温高压的作用下先融化膨胀再与铜箔冷却固化，此反应会引起尺寸收缩，而基材中的E-玻璃纤维布会阻碍这种收缩；当玻璃纤维布结构的树脂层很薄少时，尽管树脂的收缩较大，但由于量少，同时受到玻璃纤维布机械阻挡式的束缚作用，使得玻璃纤维布的伸缩反而变得主要了；这也是板材内应力产生的原因之一。实际上不同类型的树脂体系其CTE是不同的，如高Tg树脂体系的CET就小的多。因此不同的板料生产商家的PCB热膨胀系数是存在差异的，另在多层板压合过程中尽量选择对称结构。

2.2 PCB设计及层压结构对线路板涨缩的影响：

对于设计复杂的高精密多层埋盲孔板来说，它的一个制作难点是有几种不同类型不同层级的导通孔，这就可能会多次使用机械钻孔或者激光钻孔，线路和间距的设计日趋减小，焊盘也逐渐缩小；在导线线宽线距≤0.075 mm ，孔径小于0.2mm ，孔环宽度0.15mm甚至更小的情况下孔位的稍微偏移就会导致孔金属化不能使各层有效的连接起来；导电性能也会受影响甚至开、短路。随着结构的复杂化，一块印制线路板可能由一次压合而成也有可能要经过多次反复的压合，因此首先需要考虑的是选择合适的内层预涨值使不同厚度芯板的涨缩尽可能的保持一致或者相接近，一般在公司的实际运作过程中对于印制线路板发生涨缩的问题大多采取提前对相应的菲林片进行预补偿；对钻带进行预拉伸来减少后期之报废；另因玻璃纤维布上、下两面的热膨胀系数存在差异，因此在工程设计的时候应尽可能采取对称结构进行压合设计，这样镜面对称效益就会使热应力互补或者抵消这样可有效减少发生涨缩的几率，同时导体层及孔径结构也最好采用对称结构，这样才能从整体上保证应力的均衡性。

2.3 烤板对线路板涨缩的影响：

任何材料在温度发生变化时，都会发生一定的形变，而形变的大小取决于材料自身的热膨胀系数和温度变化的程度。当形变受到限制时就产生了应力；多层线路板残余应力的主要来源有：① 半固化片、内层芯板和铜箔等热膨胀系数不匹配导致的残余应力或形变；② 内层芯板再层压再加热、加压及其蚀刻后吸湿使树脂膨胀产生的残余应力； ③ 在压合过程中树脂粘性流动造成铜箔伸展，特别是对内层图形拉伸作用和流动导向不均匀时影响更大，从而形成残留应力和形变。由于压合用的铜箔和介质层PP的热膨胀系数存在差异，因此在压合冷却的过程中介质层的收缩大于铜箔的收缩，铜箔会束缚介质层的全面收缩进而压合后的覆铜板一直处于“收缩状态”；而压合后烤板可以有效减缓收缩的程度，增强线路板的尺寸稳定性。下图为层压后烤板前、后板材尺寸发生涨缩的实验数据图表：

图2.3.1层压烤板前后板材涨缩对比图表

从上图看压合后板的尺寸发生了涨缩，烤板后板件更接近板的稳定尺寸；这是因为压合后的多层板进行烤板：一方面可以促进树脂的进一步充分固化，另一方面也可以释放残余应力；因此压合后烤板有利于板件尺寸的稳定性。

图2.3.2内层基板烤板对比实验数据图表

从上图实验数据分析可以看出在压合前将内层基板进行烘烤可以有效减小内层覆铜箔芯板的涨缩程度，多层印制板在层压时会形变在经烘烤后可以释放部分应力以减缓涨缩的可能性。

2.4 内层芯板厚度、内层铜厚、内层残铜率对线路板涨缩的影响：

从鱼骨图分析来看影响多层印制线路板发生涨缩的因素有很多；包括上述所提到的CTE 、PCB设计及层压结构、烤板方式及参数等对压合后板材的影响。但是当所用内层芯板一定压机设备无异常的情况下影响压合后板材发生形变涨缩的主要因素有：① 内层芯板的残铜率 ② 内层芯板铜厚 ③ 内层芯板板厚；那么这三个主要因素对印制线路板发生形变涨缩及其组合效应对PCB发生形变涨缩的影响程度究竟有多大呢？下面我们将通过DOE的方式将内层芯板残铜率、内层芯板铜厚、板厚进行组合式实验以求能得出各因素对PCB层压板发生涨缩的影响程度。

2.4.1 实验流程设计：

图2.4.1 实验流程图

2.4.2 制定实验因素、位级表：

影响实验结果的因素是多种多样的，通过分析矛盾，决定本次试验需要考察内层芯板的残铜率、内层芯板铜厚、内层芯板板厚三种因素。对于这三种要考察的因素现分别按具体的情况选出要考察、比较的条件――正交法称之为位级。

因素A ―内层芯板的残铜率：

第一位级A1 残铜率：25% ；第二位级A2 残铜率：50% ；第三位级A3 残铜率：75%

因素B ―内层芯板铜厚：

第一位级B1 芯板铜厚：H/H OZ ；第二位级B2芯板铜厚：1/1 OZ ；第三位级B3芯板铜厚：2/2 OZ。

因素C ―内层芯板板厚：

第一位级C1芯板板厚：0.1mm ；第二位级C2 芯板板厚：0.3mm ；第三位级C3 芯板板厚：0.5mm。

把以上因素、位级综合成一张因素位级表如下表所示：

图2.4.2 因素、位级表

2.4.3 实验方案正交图表的选择：

正交表L9（34）最多能安排4个3位级的因素，本次实验安排有3个因素，因此可用此正交表来安排试验。

（1）因素顺序上列：

按照因素位级表中固定下来的三种因素次序，把A（内层芯板的残铜率）B（内层芯板铜厚） C （内层芯板板厚）顺序的放到正交表L9（34）的三个纵列上，列放一种，第四列上没有放因素，那么它在安排试验条件上就不起作用我们可以抹掉它。

（2） 位级对号入座：

三种因素分别在各列上安置好以后，再把相应的位级按因素位级表所确定的关系对号入座。具体来说：

第一列由A（内层芯板的残铜率）所占有，那么在第一列的三个号码“1”“2”“3”分别代表A 因素的三个位级：25% 、50% 、75% ；第二列、第三列以此类推。正交表L9（34）

的表格及填法如下图所示：

2.4.3 正交表L9（34）图表

2.4.4 实验参数设计：

备注：409*340 mm 对应的经纬方向为经向*纬向。

2.4.5 实验结果与分析：

1、经向实验结果与分析：

2.4.5.1经向实验计划正交图表及实验数据

通过对上2.4.5.1的正交实验图表及实验数据结果进行简单的计算；我们就能找出影响多层印制线路板基材发生涨缩的哪些因素是比较重要的。上图表中Ⅰ= 0.748 mm ， 它是由残铜率A这一列三个位级1发生经向涨缩值加在一起得出来的。第一列残铜率A数码“1”所对应的试验号是：1、4、7号，所以Ⅰ= ① + ④ + ⑦ = 0.204 + 0.266+0.278= 0.748 mm；

同样，Ⅱ=0.436 mm ，是由第一列中三个位级2发生经向涨缩值加在一起得出来的。所以Ⅱ=② + ⑤ + ⑧ = 0.436 mm；同理 Ⅲ= ③ + ⑥ + ⑨ = 0.450 mm；极差R 等于列三个位级发生涨缩值和的最大值减去最小值；第一列残铜率A 的极差 R =Ⅰ-Ⅱ =0.748 - 0.436=0.312 mm；同理第二列、第三列的极差值分别为：0.229 mm、0.069 mm 。从上表中极差值R的大小来分析影响多层印制线路板发生涨缩的主次程度分别是：内层残铜率A是主要因素对发生涨缩的影响最大，其次是内层铜厚B ；影响最小的是内层芯板厚度C 。从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 位级1、2、3的涨缩和来看，单因素（经向）内层残铜率越大涨缩值越小；内层铜厚越厚涨缩值就越大；内层芯板越厚涨缩值就越小；各因素对经向涨缩的影响如图2.4.5.3所示：

2、纬向实验结果与分析：

2.4.5.2纬向实验计划正交图表及实验数据

从上图表因素位级表中通过极差计算可知在纬向影响发生涨缩的主要因素为内层铜厚；其次是内层残铜率；再其次是内层芯板厚度；另随着残铜率的增加压合后涨缩值逐渐减小；随着内层铜厚的增加压合后涨缩值逐渐增大；随着内层板厚的增加涨缩值逐渐减小；各因素对纬向涨缩的影响如图2.4.5.3所示：

2.4.5.3 各因素位级对涨缩的影响效应图

三、总结

在实际生产条件下通过选定常用板材；采用L9（34）正交图列进行基材补偿系数DOE的方式进行实验数据的收集、分析得出以下结论以供参考：

⑴ 内层铜厚对涨缩的影响基本呈线性变化，内层铜厚越厚涨缩系数越大。

⑵ 内层板厚对涨缩的影响也呈线性变化，芯板越厚涨缩系数越小。

⑶ 在经向方向内层芯板残铜率对涨缩的影响呈反比线性变化；内层残铜率越高涨缩系数就越小；在纬向方向，当残铜率＜50% 时涨缩系数与残铜率呈反比线性变化；当残铜率≥ 50% 时残铜率对涨缩值的影响趋于平缓。

参考文献：

【1】/ T 7510-1994 《工艺参数优化参数方法 ― 正交试验法》 机械科学研究院出版社发行 1995年6月第一版

【2】 邓丹、许鹏等《多层板层压过程中的尺寸收缩分析》 2010年总209期 印制线路板信息

【3】刘瑾 《PCB制造过程中基材涨缩之形成机理及控制》 2005年

【4】 邓丹、张岩生、刘东、宋建远等《PCB内层芯板补偿预估：实验和统计学方法》增刊2012总第235期印制线路板信息