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线路与基材平齐PCB制作工艺开发

分类:
技术交流
作者:
金百泽科技
2018/10/18 09:40

常规PCB的线路是突起于基材的,但也有些客户要求线路与基材介质尽可能平齐,降低线路突出裸露的程度。这类产品的特点通常为厚铜,且线宽线距都较大,需要对线路进行介质填充。本文将介绍一种通过树脂填充方式实现PCB线路与基材平齐的制造工艺,可使此类厚铜产品的线路相对基材突出<15um,线路间隙填胶饱满,并满足可靠性等常规使用需求。

 


若PCB上的触点或线路需要与器件反复接触,随着产品工作时间的推移,其表面金属会出现一定的磨损,从而导致接触不良的情况。于是有客户提出线路与基材平齐的PCB制作需求,避免板面裸露的金属层过度磨损。此类产品通常面铜较厚,线宽线距较大,因此较为简单的一种制作方案是在线路间填充树脂作为介质,故本文将介绍树脂作为介质材料填充线路的制板方案。

 

线路与基材平齐PCB的制作要点

 

线路与基材平齐PCB的产品,其面铜较厚,通常大于3oz,而线宽线距也较宽松,通常是大于8mil/8mil,比较利于填胶操作。填胶方面客户通常要求线路边缘突出胶层不得高于15um,并且填胶部位的中心凹陷也不得低于10um,如下图1所示。除了要满足常规PCB的要求,在可靠性方面,热冲击测试也不得出现分层爆板,胶层开裂等情况。

图1 线路与基材平齐PCB的填胶要求截面示意图

 

从上述的制板要求来看,此类PCB要求线路间填满树脂,且填胶部位的中心凹陷不得过大,而通过提升胶含量使树脂溢出能较好地避免凹陷问题产生,但对除胶提出了较大的挑战。除胶的方式通常有激光除胶和磨板除胶,然而对于大面积线路和较厚的胶层,选择磨板除胶更为合适,但在磨板除胶的过程中,可能会出现铜层磨得过薄的情况。此外,填胶过程可能会因为线距和铜厚及树脂特性出现局部的气泡或填胶不充分,导致产品可靠性受到影响。

 

线路与基材平齐PCB的线路填胶与除胶

 

一、线路填胶

填胶作为该产品的制板难点之一,其作业质量与树脂种类、铜厚高度和线路间距紧密相关。通常树脂粘稠度越低,表面铜厚越薄,线路间距越宽,则填胶越充分且不容易出现气泡。因此在决定使用某种树脂进行填胶前,要进行试验摸清此类树脂的填胶性能。

 

这里以4oz铜厚为例,对设计了不同的线距的试验板进行某树脂的填胶效果测试,从8mil开始逐步提升线距,可得效果如下表所示。

表1 某树脂在不同线距下的填胶效果

 

可见该测试还是比较理想的,在8mil线距以上均实现了饱满填胶,但需要指出的是当产品的铜厚增加或线距缩小时,或是树脂更换品种类型,都需要重新测定其填胶能力,以确保生产能力满足填胶需求。

 

 二、板面除胶

尽管在填胶的过程中使树脂溢出,能有效避免填胶中心区域凹陷,但过多的溢胶会给除胶过程增加难度。采用磨板除胶加工[1],通常可以先用砂带研磨机对整板进行打磨,再用手动打磨设备对局部残胶打磨。加工思路在于整板打磨削减整体的胶层厚度,直到表面线路的铜皮裸露,后续对局部残胶手工打磨,能清除较厚残胶并降低铜面的磨损程度,如下图2所示。

 

 

 

图2 线路与基材平齐PCB的除胶示意图

 

 

实际磨板除胶过程中,最糟糕的情况莫过于板面出现局部铜皮裸露时,还有大面积残胶需要手工处理,显然这样做工作量极大。为了减少这样的情况,填胶过程中就应该管控好溢胶厚度及其表面的均匀性,如优化刮胶工艺或填胶后静置一段时间,待胶层平顺后再进行后工序加工。

 

 线路与基材平齐PCB的制程设计

 

通过对以上的难题及解决方案的描述,大致的制板流程已经开始清晰,这里就以多层板结构为例,对线路与基材平齐PCB的大体流程设计如下图3所示。

 

 

 

图3 线路与基材平齐PCB制板流程(常规多层板)

 

 

此流程的设计与常规PCB产品制作的区别在于,外层铜厚的底铜几乎就是成品铜厚。基于这个特点展开的外线和孔加工工序,大致是先对厚底铜蚀刻出线路,然后对线路进行树脂填充,接着钻通孔并孔金属化,再单独镀孔提升孔铜厚度,最后蚀刻填胶部位的薄铜层。从而满足常规PCB制作要求及线路与基材平齐的要求,如下图4所示。

 

 

 

图4 线路与基材平齐PCB的外层线路制作示意图

 

 

此外当客户对产品平整度的要求包含了表面处理,则需要对铜面高度的处理流程进行适当的调整,以满足表面处理后的平整度需求。

 

加工效果

根据上述流程制作样板,并制作样品切片,收集若干个样品的基材与线路顶端高度差,得到了如下表2所示数据,样板与切片如下图5所示。

 

 

 

表2 基材与线路高度差

 

图5 线路与基材平齐PCB的样板及切片图

 

可见该线路与基材平齐PCB样品是满足高度差<15um的要求的,实际上若对磨板流程及孔金属化流程进一步优化,有利于得到更小的高度差,从而获得更好的平整度。

 

此外,还对完成的线路与基材平齐PCB样品进行288℃热冲击10s三次测试,可得其外观及切片如下图5所示,可见产品未出现分层爆板状况,填胶部位效果良好,并未出现开裂。

图6 线路与基材平齐PCB的热冲击效果

 

综上,此类线路与基材平齐PCB的重点在于使线路与基材加工出平齐的效果,而加工关键在于影响着产品可靠性的填胶与除胶处理工序,此外产品加工平整度还仰赖于外层线路和表面处理流程的紧密配合。

 

当前此类产品披露的相关文献较少,本课题为解决此类产品制作过程中的问题作出的一些设想与尝试多少有欠妥之处。然而在产品差异化倍增的现今,客户的需求就是我们研究工作的灵感来源与精神动力,新的探索永无止步。

 

参考文献

[1] F. Sauli, “GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors”, Nucl. Inst. & Meth. A, vol.

386, issues 2–3, 21/2/1997, pp. 531–534.

[2] R. Chechik, A. Breskin, C. Shalem et al. Nucl. Instrμm. Methods A, 2004, 535: 303-308

[3] Yuguang Xie et al., “Development of Au‐coated THGEM for Single Photon, Charged Particle, and Neutron Detection”, NIMA 729 (2013) 809–815

[4] X. Zhang, S. Niu, Y. Xie* et.al., “Study of new substrate based THGEMs with low neutron scattering and low radioactivity”, 2015 JINST 10 P10043

[5] 朱鹏飞, 叶雁, 钟杰, 朱巍. GEM气体探测器研究概述[J]. 高能量密度物理, 2010, 3~4.

[6] 唐宏华, 石学兵, 陈春, 陈裕韬. 一种超高精度同心环PCB的制作工艺探讨[J]. 印制电路信息, 2013, 248.

[7] S. Duarte Pinto et al., A large area GEM detector. IEEE-NSS 2008 conference record, pp. 1426–1432.

[8] M. Villa et al., Progress on large area GEMs. Journal of Instrumentation, 2011, 628(1):182-186.

 

作者

吴军权    唐宏华    林映生    陈春  

谢宇广

 

本文首发于《印制电路信息》 2018年 第26卷  总第308期

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