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一、 前言:
(图)印制板印制板

  刚挠多层印制板(flex-rigid multilayer printed board)作为一种特殊的互连技术,能够减少电子产品的组装尺寸、重量、避免连线错误,实现不同装配条件下的三维组装,以及具有轻、薄、短、小的特点,已经被广泛应用于计算机、航空电子以及军用电子设备中,但刚挠印制板也存在工艺复杂,制作成本高以及不易更改和修复等缺点。
  本文则主要从改进刚挠多层印制板层压、外层成像等方面进行讨论,浅谈刚挠印制板的制作。
  二、 刚挠印制板结构:
  刚挠印制板是在挠性印制板上再粘结两个(或两个以上)刚性外层,刚性层上的电路与挠性层上的电路通过金属化孔相互连通。每块刚挠性印制板有一个或多个刚性区和一个或多个挠性区。。
双面覆35μm铜箔的聚酰亚胺挠性基材
带0.025mm厚丙烯酸胶的聚酰亚胺覆盖层
双面覆35μm铜箔环氧玻璃布层压板
丙烯酸粘结薄膜
  四、 刚挠印制板制作工艺:
  1、 刚挠印制板材料:刚挠印制板除了采用了刚性材料(如环氧玻璃布层压板及其半固化片或聚酰亚胺层压板及相应的半固化片)外,还采用挠性材料。
挠性材料:常用的挠性介质薄膜有聚酯类、聚酰亚胺类和聚氟类, 选择挠性介质薄膜应从材料的耐热性能、覆形性能及厚度等进行综合考察;常用的粘结薄膜主要有丙烯酸类,环氧类和聚酯类, 选择粘结薄膜则主要考察材料的流动性及其热膨胀系数
铜箔:印制板采用的铜箔主要分为电解铜箔(ED)和压延铜箔(RA)。电解铜箔是采用电镀方式形成,其铜微粒结晶状态为垂直针状,易在蚀刻时形成垂直的线条边缘,有利于精细线路的制作;但在弯曲半径小于5mm或动态挠曲时,针状结构易发生断裂;因此,挠性覆铜基材多选用压延铜箔,其铜微粒呈水平轴状结构,能适应多次挠曲。
  2、 挠性内层成像与蚀刻:
前处理:
覆铜板表面铜箔都经防氧化处理,铜箔表面有一层致密的氧化物保护膜,因此,在成像前,须对挠性覆铜板进行表面清洗和粗化。但由于挠性板材易变形和弯曲,可采用专用浮石粉磨板(Pumice)机或微蚀(Micro-etching)--对于一般生产厂家建议采用微蚀以减少额外的设备投资。
微蚀过程中应控制微蚀对板面的粗化程度及粗化的均匀性,建议微蚀液采用过硫酸钠(Na2S2O4)和硫酸(H2SO4)型的微蚀液以防止板面过度粗化或部分板面粗化不足;同时,为防止微蚀过程中卡板或板材掉入微蚀液中,可在挠性板之前粘一块刚性板牵引(显影及蚀刻也应采用)。
注意板材的持拿要十分小心,因为板材的凹痕或折痕都会造成曝光时底版无法贴紧而造成图形的偏移。
成像与蚀刻:
建议采用干膜成像以减少板的返工(采用湿膜成像时,因湿膜预烘困难,返工率较高),注意板材的持拿,防止折叠,显影及蚀刻时应用刚性板牵引。
注:刚性内层的成像与蚀刻与一般刚性多层板内层的成像与蚀刻基本相同,此处不作介绍
刚性外层与刚性半固化片的开窗口:
可采用锣机进行开窗口,为防止刚挠印制板层压时开窗口处的流胶,刚性半固化片的窗口应比刚性外层的窗口稍大(一般比刚性外层的窗口大0.2-0.4mm为宜),且刚性半固化片越厚,刚性半固化片的窗口比刚性外层的窗口也应越大。在开窗口时注意将刚性外层或刚性半固化片钉紧,并用皱纹胶固定以免所开窗口边缘不整齐或尺寸与设计不符。
挠性层及刚挠多层印制板的层压:
蚀刻后的刚挠印制板的挠性多层板在压刚性外层之前,要对表面进行处理以增加结合力,表面处理可采用微蚀或浮石粉磨板;表面处理后的挠性内层层压前应进行适度的干燥以去除挠性内层中的水分。
(1) 一次层压和分步层压:
刚挠印制板的层压可采用一次将所有内层压在一起的一次层压法,也可以采用先压挠性内层再压刚性外层的分步层压法。一次层压法的加工周期短,成本低,但层压时覆盖层定位难度大,层压缺陷如气泡,分层和内层变形只能在外层蚀刻后才被发现;分步层压则可以减小层压时覆盖层定位难度,也可以及时发现内层的图形偏移和层压缺陷,而且分步层压还能照顾挠性和刚性材料的特点,优化工艺参数,但分步层压较一次层压费工、费时、费辅助材料。
(2)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着直接的影响。图3a-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。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,一方面这不利于无气泡层压,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。
0.05mm厚双面覆35μm铜箔聚酰亚胺薄膜
带丙烯酸粘结片的0.025mm厚聚酰亚胺覆盖层
双面覆铜箔环氧玻璃布层压板
双面覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板
  由于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,但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。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,由于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,但由于去掉了大量的覆盖层,这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,部分生产厂家正在尝试一种大胆的覆盖层部分层压法(这种层压法的结构示意图如图4所示),这种方法保留了结构a中结合力好的优点,同时也克服了热膨胀大的缺点。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不流动环氧半固化片粘结。由于没有覆盖层,环氧半固化片主要是与挠性基材上粘结铜箔的丙烯酸胶(铜箔与挠性基材用丙烯酸胶粘结)相互粘结,因而结合力很好。同时由于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。
  (3)层压的衬垫材料:
  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过程中不发生变形。衬垫材料通常分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氯乙烯薄膜等热塑性材料,这种材料在各个方向的压力以及成形都比较均匀,而且敷形性好,但在压力较大时,其流动性大大增加。硬性体系主要是采用玻璃布做增强材料的硅橡胶,它在各个方向的压力都很均匀,并且在Z轴方向上适合凹凸不平的电路,具有良好的敷形效果,其中的玻璃布则起到限制硅橡胶在X、Y方向上的移动,即使层压压力较大,亦不会引起挠性内层的变形,是一种比较理想的衬垫材料。
同时,衬垫材料的厚度应与刚性层(刚性外层和刚性半固化片)的厚度一致,大小与窗口匹配(太小会使挠性窗口产生不规则,太大则不利于排气和拆卸),且衬垫材料应表面光洁。
  采用覆盖层部分层压法,可有效地提高刚挠多层印制板的可靠性和金属化孔的耐热冲击性能,但由于与刚性外层相连的覆盖膜只伸入到刚性区的1/10左右,采用非感光覆盖膜的定位则非常困难,因此,为减少层压时覆盖膜的定位难度,可采用感光覆盖膜(成像,由于感光覆盖膜采用传统抗蚀刻/电镀干膜的贴膜方式,产量较小时可能会造成感光覆盖膜的浪费)并在层压定位时采用打靶机(Target Machine)定位,建议采用一次层压以减少制作的流程及制作成本(层压的工艺参数可在一般多层板层压工艺参数下进行优化)。
  5、 钻孔及去钻污:
  由于刚挠印制板采用了刚性及挠性材料,易产生大量的钻污,因此,选择钻孔材料和钻孔工艺参数的选择就显得十分重要。众所周知,印制板孔内的钻污的形成是由于钻孔时的高温使印制板中的树脂发生熔化,因此,在选择材料时应选择散热性能优良的铝片及垫板(也应兼顾到铝片的表面粗糙度及垫板的材质等,如Cimatec公司的 CIM-Alu 1001和CIMWOOD SD-27能很好的兼顾到几者的性能)。同时,在钻孔前,可先将刚挠印制板在低温如冰箱等冷冻数小时再进行钻孔,钻孔时应选用较高的钻速及进给速度,最好能在冷气保温条件下进行钻孔以减少钻污的产生。
注:去钻污和凹蚀在许多资料中已有详细说明,此处不再敷衍
  6、 外层成像及图形电镀:
  刚挠印制多层板有一个或多个挠曲区域即有一个或多个凹槽,采用传统的多层板外层制作工艺(干膜成像)因干膜难以封住凹槽,会在挠曲区域电镀上Cu/Ni/Au而引起报废,因此,须在成像(或图形电镀)前封住凹槽。
  最简单的方法就是在图形电镀前用红胶纸封槽--使挠曲区域在电镀时无法接触到电镀药水而不电镀Cu/Ni/Au,褪干膜时揭去红胶纸,但要注意红胶纸不能贴到近挠曲区域的PAD位上,电镀过程中也不能有破损(破损则会引起报废);多数厂家则采用固体胶封凹槽再做外层成像、蚀刻前揭去固体胶的方法,这种方法可有效的保护覆盖层不受褪膜碱液(NaOH)的影响--覆盖层受碱液较长时间的浸蚀,会影响覆盖层的颜色及刚挠印制板的挠曲性能,工艺也不复杂,适合批量刚挠印制多层板的生产;
  其中成像1是为了蚀掉挠曲区域的铜,此流程的两次成像在挠曲区域都设计为非曝光区。这种方法工艺比较复杂,且经过多次褪膜,覆盖层受褪膜碱液(NaOH)较长时间的浸泡,其覆盖膜的颜色及挠曲性能都会受到一定的影响,同时,由于增加了蚀刻底铜的厚度(铜箔铜厚+电镀铜厚),也就增加了蚀刻的制作难度,特别是含精密线路(线宽/线距:2~3mil)的蚀刻尤为困难,建议含有精密线路时,电铜分两次完成,即在图形电镀时电镀Cu/Ni/Au,在整板电铜时电镀大约5μm铜厚(孔内最小铜厚)即可以减小蚀刻的制作难度。
  由于刚挠印制多层板基材的总膨胀率比孔内镀铜层大1.65%,而在刚性多层板中仅为0.03%,因此,在图形电镀时可适当的增加镀铜层的厚度来提高刚挠印制多层板金属化孔的可靠性(采用覆盖层部分层压法也降低了金属化孔的耐热冲击性能)。

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标签: 印制板

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