軟硬結(jié)合印制板是指在一塊印制板上包含有一個或多個剛性區(qū)和一個或多個撓性區(qū)的印制線路板。它可分為有增強(qiáng)層的撓性板及剛撓結(jié)合多層板等不同類型。下圖為一個十二層軟硬結(jié)合板結(jié)構(gòu)圖:
俗話說:“工欲善其事,必先利其器”,所以在考慮一個軟硬結(jié)合板的設(shè)計及生產(chǎn)工藝時,做好充分的準(zhǔn)備是非常重要的,但這需要一定專業(yè)知識以及對所需物料特性的了解,軟硬結(jié)合板所選用的材料直接影響后續(xù)生產(chǎn)工藝及其性能。
撓性板的覆銅材料我司可選用杜邦、臺虹、宏仁、新高、律勝等品牌的聚酰亞胺撓性基材,聚酰亞胺是一種具有很好的可撓性,優(yōu)良的電氣性能和耐熱的材料,但它具有較大的吸濕性和不耐強(qiáng)堿性。之所以選擇無粘接層的基材,是因為介電層與銅箔間的粘接劑多為丙烯酸、聚酯、改性環(huán)氧樹脂等材料,其中改性環(huán)氧樹脂粘接劑可撓性較差,聚酯類粘接劑雖可撓性好,但耐熱性較差,而丙烯酸粘接劑雖然在耐熱性、介電性能以及可撓性方面令人滿意,但需考慮其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)及壓合溫度較高(185℃左右),目前也很多工廠采用日系(環(huán)氧樹脂系列)的基材和粘接劑來生產(chǎn)軟硬結(jié)合板的。
對于剛性板的選擇也有一定的要求, 相配合的樹脂體系的剛——撓性板壓合后,需避免受熱沖擊后的翹曲變形。目前也有較多的基材廠商專門針對軟硬結(jié)合板開發(fā)和生產(chǎn)了一些剛性板的材料。
對撓板和硬板之間的粘接劑部分最好采用No flow(低流動)的Prepreg來進(jìn)行壓合,因為其膠流動性小對軟硬過渡區(qū)域有很大的幫助,不會造成由于溢膠而導(dǎo)致過渡區(qū)需返工或者造成功能性上受到影響,目前有很多生產(chǎn)原材料的企都有開發(fā)這種PP片而且有很多種規(guī)格可以滿足結(jié)構(gòu)上的要求, 另外對于客戶在ROHS, High Tg, Impedance 等有要求的還需注意原材的特性指標(biāo)是否可以達(dá)到最終的要求,如材料的厚度規(guī)格、介電常數(shù)、TG值、環(huán)保要求等。
軟硬結(jié)合板的研制是在撓性板及高密度多層剛性板的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,在工藝制造方面與剛性板有很多相同的地方,但是,由于軟硬結(jié)合板材料及其在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上的特殊性,決定了它從設(shè)計要求到制作工藝都有別于普通的剛性板和撓性板,幾乎對每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行試驗、調(diào)整,最終優(yōu)化整個工藝流程和參數(shù)。
如圖為剛?cè)峤Y(jié)合印制板常規(guī)工藝流程圖。
撓板部分
圖形轉(zhuǎn)移在高密度、細(xì)線條的印制板中占據(jù)非常重要的地位,對撓性線路而言,尤其如此。因為撓性單片既薄又軟,給表面處理等操作帶來很大困難,而銅箔表面的清潔狀態(tài)及粗糙程度直接影響抗蝕干膜的貼附及細(xì)線條的制作。由于機(jī)械擦板對設(shè)備要求較高,且不適宜的壓力可能造成基材變形、卷折、尺寸伸縮等,操作不易控制,故而我們可以選擇使用電解清洗法。這種方法既可保證表面清潔度,同時采用微蝕的方法來保證銅面的粗糙度,有利于0.1mm~0.15mm線寬/間距的線路圖形制作。酸性蝕刻除了注意控制蝕刻速率以保證設(shè)計要求的線寬、間距外,更要注意防止單片的卷曲、皺折,最好是加輔助的引導(dǎo)板并且關(guān)閉設(shè)備上的抽風(fēng)系統(tǒng)。
撓性基材的尺寸穩(wěn)定性較差,這是因為聚酰亞胺材料有較強(qiáng)的吸潮性,經(jīng)過濕處理或在不同的溫、濕度環(huán)境中收縮變形嚴(yán)重,造成多層板的層壓對位困難。為了克服這一困難,可采用以下措施:在設(shè)計上要考慮對位花斑及靶沖斑的設(shè)計,才能保證在沖制對位孔或鉚釘孔時的精確度,不至于在疊板時造成層間圖形的偏位而導(dǎo)致報廢。OPE沖制后定位孔,能消除濕法處理過程中材料伸縮變形帶來的誤差。
層壓后用X—ray對位鉆孔,確定偏移量,使鉆孔更為精確。針對聚酰亞胺的材料特性及環(huán)境特點,參考鉆孔偏移量繪制外層底片,提高外層底片與鉆孔板的重合度。這樣,我們就可以滿足層間對位保證0.1mm~0.15mm環(huán)寬的要求,保證外層圖形轉(zhuǎn)移的精確度。
即使是采用OPE沖制后定位孔,層壓前的單片處理對層間對位也有著很大影響。首先,由于聚酰亞胺材料不耐強(qiáng)堿,在強(qiáng)堿溶液中產(chǎn)生溶脹,所以在進(jìn)行黑、棕化處理的過程中,在強(qiáng)堿性工序如去油,黑、棕化等適當(dāng)?shù)亟档蜏囟?、減少時間。由于采用的是無粘接層基材,無須考慮粘接層在堿液中的變化,這種方法還是可行的。其次,氧化處理后的單片烘烤應(yīng)避免垂直放置,應(yīng)采取水平烘烤方式,可減少彎曲變形,盡量保持平整。烘烤后盡可能地縮短裝模時間,防止單片再次吸潮。
由于撓性單片易變形,層壓前平整度較差,加之所用粘接片的樹脂流動度大大低于剛性板層壓用的半固化片,所以,為使粘接片與單片結(jié)合良好并嵌入細(xì)密的線條間距中,我們選擇使用覆形性較好的材料作為層壓襯墊材料,如聚丙烯薄膜、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡膠片等,可提高撓性板的層壓質(zhì)量。試驗后認(rèn)為理想的襯墊材料為硅橡膠材料,即可保證其覆形性又可相對減少被壓件尺寸收縮變形。
對于硬板部分在壓合的處理主要應(yīng)注意以下三方面的事項:
一、是不論是基材壓合還是單純的半固化片壓合,都要注意玻璃布的經(jīng)緯方向要一致,壓合過程中注意消除熱應(yīng)力,減少翹曲。
二、是硬板應(yīng)有一定的厚度,因為撓性部分很薄且無玻璃布,受環(huán)境及熱沖擊的影響后,它的變化與剛性部分是有差別的,若剛性部分沒有一定的厚度或硬度,這種差別就會表現(xiàn)得很明顯,使用過程中就會產(chǎn)生較嚴(yán)重的翹曲變形,影響焊接及使用,若剛性部分具有一定的厚度或硬度,這種差別就可能會顯得微不足道,整體的平整度不會同撓性部分的變化而產(chǎn)生變化,可保證焊接及使用,若剛性部分太厚則顯得厚重不經(jīng)濟(jì),實驗證明0.8~ 1.0mm厚度較為適宜。
三、是對于撓性窗口的處理,通常有先銑切和后銑切的方式來加工,但需根據(jù)軟硬結(jié)合板本身的結(jié)構(gòu)及板厚來進(jìn)行靈活處理, 如果是先銑切撓性窗口應(yīng)保證銑切的精確,既不能小了影響焊接也不能大了影響撓曲,可由工程制作好銑切數(shù)據(jù),將撓性窗口預(yù)先銑切好。如果采用先不銑切撓性窗口,等完成所有前工序最后成型再使用激光切割的方式取下?lián)闲源翱诘膹U料,應(yīng)注意激光所能切割FR4的深度。
壓制參數(shù)可參考撓性基材及剛性板壓制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木C合優(yōu)化。
軟硬結(jié)合板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此確定鉆孔的最佳工藝參數(shù)對取得良好的孔壁十分重要。為防止內(nèi)層銅環(huán)以及撓性基材的釘頭現(xiàn)象,首先要選用鋒利的鉆頭。如果所加工的印制板數(shù)量大或加工板內(nèi)的孔數(shù)量多,還要在鉆完一定孔數(shù)后及時更換鉆頭。鉆頭的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給是最重要的工藝參數(shù)。進(jìn)給太慢時,溫度急劇上升產(chǎn)生大量鉆污。而進(jìn)給太快則容易造成斷鉆頭、粘結(jié)片以及介質(zhì)層的撕裂和釘頭現(xiàn)象。
其次應(yīng)根據(jù)板厚及最小鉆孔孔徑來選擇鉆孔機(jī)及優(yōu)化鉆孔參數(shù),目前業(yè)內(nèi)已有可以達(dá)到20萬轉(zhuǎn)/每分的鉆床,對于小孔而言轉(zhuǎn)速越高鉆孔的質(zhì)量越好,同時,蓋板、墊板的選擇也非常重要,好的蓋板、墊板除了起保護(hù)板面還起到良好的散熱作用,應(yīng)當(dāng)注意的是墊板最好用鋁箔板或環(huán)氧膠木板,不要用紙質(zhì)墊板,因為紙質(zhì)墊板較軟,容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的鉆孔毛刺,孔化前去毛刺時容易撕裂或擦壞孔口,給后工序工作帶來麻煩,影響板子質(zhì)量。
實驗證明,印制板的鉆污水平和厚度隨著鉆孔時溫度的升高而增加,在樹脂的玻璃化溫度之上增加更快。因而有些制造商曾嘗試?yán)鋬龇ㄣ@孔,通過降低加工板上的溫度而達(dá)到減小鉆污的效果。具體做法是:先將剛?cè)峤Y(jié)合印制板在低溫下(放入冷庫或冰箱中)冷凍數(shù)小時,取出后在冷氣保溫條件下鉆孔。采用這種方法鉆的孔,只有少許鉆污,效果十分明顯。
還有一點應(yīng)該注意的是,雖然我們在濕法處理、沖制OPE孔,層壓對位等方面做了大量的工作以保證層間對位精度,但是,由于聚酰亞胺材料本身受濕熱影響較大,不可避免地會產(chǎn)生不確定的層間偏差及板間偏差。所以,鉆孔前應(yīng)以X—ray對位鉆小孔,確定不同板子的不同的漲縮量,參照該漲縮量進(jìn)行數(shù)據(jù)校正,確保鉆孔精確有效。同時,該偏移量交至工程部處理菲林的縮放,參考繪制外層底片,保證外層圖形轉(zhuǎn)移的對位精確。
軟硬結(jié)合板的孔內(nèi)沾污以聚酰亞胺樹脂、環(huán)氧玻纖、環(huán)氧樹脂為主。撓性聚酰亞胺樹脂對濃硫酸溶液顯惰性,而在強(qiáng)堿性的高錳酸鉀溶液中又會產(chǎn)生溶脹,所以,常規(guī)的濕法去沾污很難奏效。我們也曾嘗試過使用濃硫酸或堿性高錳酸鉀溶液去沾污,改變濃度、溫度、處理時間等參數(shù),多次試驗都沒有收到令人滿意的效果,于是,我們放棄了傳統(tǒng)的濕法化學(xué)去沾污,改用等離子體法。
等離子體化學(xué)處理系統(tǒng)--等離子體去鉆污凹蝕系統(tǒng),一般由五部分組成:真空腔體、真空泵、RF發(fā)生器、微機(jī)控制器、原始?xì)怏w。不同類型等離子體處理設(shè)備只是在真空腔內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)和氣體的輸入位置和方式上略有差別。等離子體是指電離的氣體,是原子在射頻能量發(fā)生器的作用下完全或部分失去其電子層時的狀態(tài),由離子、電子、自由基、游離基團(tuán)和紫外線輻射粒子等到組成,整體上顯電中性,具有很高的化學(xué)活性。等離子體去沾污最大的優(yōu)點是沒有選擇性,就是不分所處理板子的樹脂類型,只要調(diào)整參數(shù),均可進(jìn)行處理。譬如,高活度的等離子流對環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、丙烯酸、玻璃纖維等產(chǎn)生的沾污都能快速、均勻地把它們從孔壁上作用掉,并可以形成一定的凹蝕,有效地實現(xiàn)三維連接,提高金屬化孔的可靠性。
(1)在設(shè)備腔體達(dá)到一定的真空度后向其中按比例注入高純氮氣和高純氧氣,主要作用是清潔孔壁,預(yù)熱印制板,使高分子材料具有一定的活性,有利于后續(xù)處理。一般為80℃、10分鐘。
(2)以CF4、O2和N2作為原始?xì)怏w與樹脂反應(yīng),達(dá)到去沾污、凹蝕的目的,一般為85℃、35分鐘。
(3)以O(shè)2作為原始?xì)怏w,去除前兩步處理過程中形成的殘留物或“灰塵”,潔凈孔壁。
但值得注意的是采用等離子體除去多層柔性和剛?cè)峤Y(jié)合印制板孔內(nèi)鉆污時,各種材料的凹蝕速度各不相同,從大到小的順序是:丙烯酸膜、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、玻璃纖維和銅。從顯微鏡中能明顯地看到孔壁有凸出的玻璃纖維頭和銅環(huán)。為了保證化學(xué)鍍銅溶液能充分接觸孔壁,使銅層不產(chǎn)生空隙和空洞,必須將孔壁上等離子反應(yīng)的殘余物、凸出的玻璃纖維和聚酰亞胺膜除去,處理方法,包括化學(xué)法和機(jī)械法或二者相結(jié)合。化學(xué)法是用氟化氫胺溶液浸泡印制板,再用離子表面活性劑(KOH溶液)調(diào)整孔壁帶電性。機(jī)械法包括高壓濕噴砂和高壓水沖洗。采用化學(xué)法和機(jī)械法相結(jié)合的效果最好。
要指出的是要求電鍍銅層的延展率大于剛?cè)峤Y(jié)合及柔性多層印制板的熱膨脹率并且有較高的抗拉強(qiáng)度。在經(jīng)受熱沖擊時,剛?cè)峤Y(jié)合多層印制板基材的總膨脹率比孔中鍍銅層大1.65%,而這一指標(biāo)在剛性多層板中僅為0.03%。由此可見,剛?cè)峤Y(jié)合印制板中金屬化孔所承受的拉應(yīng)力比剛性多層板大得多。同時,鍍銅層的厚度對剛?cè)峤Y(jié)合印制板的可靠性也有一定影響。大多數(shù)剛?cè)峤Y(jié)合多層板制造商都靠增加孔壁銅層厚度來提高金屬化孔的可靠性。
由于撓性板在使用過程中有撓曲要求,一般在撓性窗口或撓性部分大多采用聚酰亞胺保護(hù)膜壓接的方式來保護(hù)線路,可是針對精密線路時聚酰亞胺在覆型及開窗上就難以滿足要求,但可以采用阻焊油墨來涂覆,普通的阻焊油墨易脆裂,無可撓性,不能滿足要求,所以我們可以選擇一種絲網(wǎng)印刷撓性液態(tài)感光顯影型阻焊油墨,兩者都能起到阻焊、防潮、防污染、耐機(jī)械撓曲等作用,另外還有一種方法就是貼顯影型撓性覆蓋干膜,但原材料價格較高,而且需要真空貼膜機(jī)才能很好地完成涂覆。
可焊性保護(hù)層使用有機(jī)防氧化保護(hù)膜,保證焊盤表面平整、可焊,請參考表中幾種覆蓋層工藝的比較。
表 幾種覆蓋層工藝的比較
精度(最小窗口) | 可靠性(耐撓曲性) | 材料選擇 | 設(shè)備/工具 | 技術(shù)難度 經(jīng)驗需求 | 成本 | |
傳統(tǒng)的覆蓋膜 | 低(800μm) | 高(壽命長) | PI,PET | NC鉆機(jī) 熱壓 | 高 | 高 |
覆蓋膜+激光鉆孔 | 高(50μm) | 高(壽命長) | PI,PET | 熱壓 機(jī)構(gòu) | 低 | 高 |
網(wǎng)印液態(tài)油墨 | 低(600μm) | 可接受(壽命短) | 環(huán)氧,PI | 網(wǎng)印 | 中 | 低 |
感光干膜型 | 高(80μm) | 可接受(壽命短) | PI,丙烯酸 | 層壓,曝光,顯影 | 中 | 中 |
感光液態(tài)油墨型 | 高(80μm) | 可接受(壽命短) | 環(huán)氧,PI | 涂布,曝光,顯影 | 高 | 低 |
剛?cè)峤Y(jié)合印制板則要在銑床上銑外形,主要應(yīng)注意柔性部分,因為柔性部分易于扭曲而造成銑出的外形參差不齊和粗糙??梢栽谌嵝源翱诘纳舷聣|入與剛性外層厚度一致的墊片,并且在銑外形時壓緊,就可以確保銑出光潔而且均勻的外形邊緣。如果是采用預(yù)先不開撓性窗口,最后來采用激光來切除撓性窗口的廢料,則銑出的柔性部分的外形會更加理想,但是并不是每一種疊構(gòu)都可以采用激光方式的。
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