排板压板技术培训教材.ppt

1,排板压板技术培训教材,撰写：白杨 日期：1999/6/28,2,目录 1、排板、压板工序的的概念 第3页 2、压板工序使用的原材料介绍 第12页 铜箔常识. 第14页 PREPREG特性. 第19页 如何根据PREPREG特性制定压合条件. 第25页 3、压板工艺原理及工艺条件 第32页 4、压板工序使用的设备简介 第52页 5、压板工序常见缺陷分析 第66页 6、压板工业前景展望 第81页,3,第一部分：排板、压板工序的概念,4,一、多层线路板的概念： 1. 什么是多层线路板（Multilayer PCB）？ 多层线印刷路板是指由三层以上的导电图形层与绝缘材料交替层压粘结在一起制成的印刷电路板。 通常，我们称的四层板、六层板、八层板等等都属于多层线路板的范畴。,5,四层板：,Layer 1,Layer 2,Layer 3,Layer 4,六层板：,6,八层板：,7,2.多层线路板是如何制作的？ 以四层板为例： 基材（双面铜箔）图像转移蚀刻 排板 绝缘材料及粘结剂（压 板）外层制作第一、四层的导电图形四层板,8,那么六层板是如何制作的？,基材两张2/3面，4/5面（双面铜箔）图像转移蚀刻 将2/3，4/5面钉在一起 排板 （压板）外层制作第一、六层 的导电图形六层板,9,3. 如何将外层铜箔与内层，以及各内层与内层之间连结成为一个整体， 即成 为Multilayer？ 需要 用一种介质将各层连结在一起。 这种介质应具备两种材料功能： A. 粘结剂 B. 绝缘材料,10,二、压板概念： 压板（PRESSING PROCESS）是指在高温高压条件下用半固化片将内层与内层，以及内层与铜箔粘结在一起，制成多层线路板的制作工序。,11,从上述概念中可以知道： 1. 压板工序是多层线路板制造工艺流程中不 可缺少的重要工序。 2. 压板工序必须具备的条件 A. 物质条件: 制作好导线图形的内层板 铜箔 半固化片 B. 工艺条件: 高温 高压,12,第二部分:压板工序使用的原材料介绍,13,一、基材：（Copper clad lamination，CCL） 基材又称覆铜板，它是通过半固化片在高温高压下将铜箔粘结在一起制成的不同规格厚度的印刷电路板的原材料。,Cu,半固化片,Cu,14,二、铜箔： PCB行业中使用的铜箔主要有两类： 1、电镀铜箔（Electrodeposited Copper Foil OR E.D Foil） 电镀铜箔是硫酸铜溶液电镀而成,用这种方法制成的铜箔：一面光滑, 称为光面(Drum Side), 另一面是粗糙的结晶面,称为毛面(Matte Side)。,Drum Side,Matte Side,15,电镀好的铜箔要在毛面的牙尖上瘤化处理 ，称为Bonding treatment。为什麽要做Bonding treatment？ 为了增加铜箔附着力，瘤化处理后： A. 增大了表面积,加强树脂渗入的附着力。 B. 增大了铜与树脂微细胞之间的配位共价键结合力，又称为范得尔力。,16,2. 压延铜箔： 是纯铜经过多次机械辊轧制成的铜箔。 因此，压延铜箔的两面都是光滑的，对基材的附着力较差，必须增加表面粗化处理，制作成本高。 3. 铜箔的品质： 纯度：A. 电镀铜箔纯度为99.98% B. 压延铜箔纯度为99.99%以上,17, 单位面积的重量:(oz/ft2) 铜箔通常以重量来表示厚度的。, 抗拉强度：（Tensile strength）,18, 抗撕强度(peel strength):又称为剥离强度 。是表示铜箔与树脂结合力 的参数。 常温下，0.5oz2.0kg/cm 1oz2.0kg/cm 2oz3.0kg/cm 外观：无凹坑,凸起缺陷(pits and dents), 无皱纹,刮痕等表面缺陷。,19,三、半固化片：（Prepreg） 1. 什么是半固化片（Prepreg是Pre-pregnant的英文缩写）是树脂与载体合成的一种片状粘结材料。 A. 树脂是一种热固型材料，为高分子聚合物，目前常用的为环氧树脂。 它具有三个生命周期满足压板的要求： A-Stage：是溴化丙二酚+环氧氯丙烷 液体环氧树脂，为A- Stage的树脂，又称为凡立水（Varnish）。 B-Stage：是用玻璃纤维浸润于A阶的树脂中，经过热风，或者红外 线烘干，部分聚合反应，成为固体胶片，称为B-Stage。,20,C-Stage：在压板过程中，B-阶树脂经过高温熔化成为液体，然后发生高 分子聚合反应，成为固体聚合物，将铜箔与基材粘结在一起， 成为固体的树脂叫做C-Stage。 而由溴化的丙二酚制成的耐燃性环氧树脂称为FR-4环氧树脂。,21,B. 玻璃纤维布(Glass fabric)： 是一种无机物经过高温融合后冷却成为 一种非结晶态的坚硬的，然后由经纱，纬纱纵横交织形成的补强材料。常用的玻璃布规格有以下几种：,22,总结： 1.半固化片是玻璃布经机器(Treater)含浸在配置好的varnish中，经烘干 后部分聚合反应形成B-stage胶片。 2. 使用时应根据不同介电层厚度要求选择玻璃布型号。 3. 目前公司使用的基材以及半固化片中的树脂均是FR-4是耐燃性环氧 树脂。,23,2. 半固化片的特性： 半固化片的特性包括压板前的特性和压板后的特性。 层压前特性： A. RC%（Resin content)：指胶片中除了玻璃布以外，树脂成分所占 的重量百分比 。 RC%的多少直接影响到树脂填充导线间空谷的能 力，同时决定压板后的介电层厚度。 B. RF%（ Resin flow）：指压板后，流出板外的树脂占原来半固化片 总重的百分比。 RF%是反映树脂流动性的指标，它也决定压板后 的介电层厚度 C . VC%（volatile content）：指半固化片经过干燥后，失去的挥发成 分的重量占原来重量的百合比。VC%的多少直接影响压板后的品质。,24,D. Gel Time（Gel time）：是凝胶时间，指B-阶半固化片受高温后软化粘度降低，然后 流动，经过一段时间因吸收热量而发生聚合反应，粘度逐渐增大，逐渐固化成C-阶 的一段树脂可以流动的时间。,粘度,时间,T1,T2,固体（solid）,开始熔化，但粘度太高不易流动,有效的工作粘度范围 Efficient working range,粘度太低，开始水化，无法控制流量,25,3.分析： Gel Time实际上也是RF%的一个体现，Gel Time时间越长，表明树脂流动性愈大，不宜凝胶，这样压板时造成树脂流失过多，厚度变薄。 Gel Time太短，树脂粘度变化太快，时间太短，以至出现气泡未被既及时赶走的现象。 RF%有一个范围限制：过高，流胶过多，厚度不易控制。过低，树脂的流动性差，无法填充导线间的空隙。 下图为不同树脂流量的粘度变化曲线对比： 实线是高树脂流量的粘度变化，虚线是低树脂流量的粘度变化：,26,升温速度同样影响树脂的粘度变化： A. 升温速度快，Gel time 短，有效粘度范围小，流动不均匀，压板厚度不均匀。 B. 升温速度慢，Gel time较长，有效粘度范围较宽，树脂较容易流动均匀，从而压板厚度 分布均匀。,27,结论： 1、所有这四个指标将决定压板后C-阶树脂的特性： A. 厚度平均值 B. 厚度分布及偏差 C. 附着力 D. 绝缘性 2、半固化片的特性参数，是设定压板工艺条件的参考，RF%大时，应 如何通过控制升温速度来降低偏差。Gel Time提供决定树脂流动 范围的参考。,28,3、半固化片的存放条件 （1）温度过高加快树脂的聚合反应，B-阶半固化片常温下较稳定。温 度过低容易吸收水份进入半固化片中吸附水加快固化反应，因 此通常半固化片贮存的温度范为1822OC （2）湿度：湿度 较大导致 VC% 变大，RF%变大，不利于固化反应，同 时易出现分层起泡等品质缺陷。因此，贮存的湿度范围为：50%-70%,29,4、半固化片的选择 （1）公司常用的几种不同厚度半固化片的特性参数总结如下：（使用相 同的FR-4树脂体系）,以上为Multifunctional的Prepreg接收标准。,30,（2）选择原则： A 根据多层板的绝缘层厚度要求选择prepreg种类 B 考虑压板时树脂填充导线间的空隙。 C 应考虑内层的板面设计，铜面密度，铜箔厚度等因果，决定RC% 的合理范围。 D 根据板面的图形分布，决定RF%应选用高流动性的还是低流动性 的树脂，从而定出RF%的范围。,31,总结： 1、半固化片的构成：由环氧树脂+玻璃纤维部分聚合反应形成的 2、特性：由四个特性参数来表达半固化片的性质。 3、存放 ：存放的温度湿度条件。 4、选择： 如何根据不同的介电层要求来确定半固化片的种类及特性 参数。,32,第三部分：压板工艺条件及工艺流程介绍,33,一、工艺原理 通过以上介绍，我们知道压板是利用半固化片从B阶向C-阶的转换过程将各线线路层粘结成一体。 二、工艺条件 前面提到压板需要高温、高压。,Flow Begin,Resin Melt,Resin cures,Flow end,34,决定压板的工艺条件的因素： * 加热速度（升温速度） * 最高加热温度 * 提供的压力 * 硬化时间 * 压力与时间的配合,35,前面讲过，应合理控制树脂从开始流动到固化这段时间范围内，这段对应树脂的温度约在80OC130OC，这个温度段Resin充分流动，称为Lamination window（or flow window）。在这个温度段，加热速度将直接决定流胶时间。流胶时间太长、太短均对压板品质不利： 1、太短树脂来不及导线之间的空隙。 2、太长将会流胶过多。因此应合理控制这个温度段的升温速度，根据经验通常应控制80OC%130OC的升温速度在1.5OC+0.5OC/min。 80OC之前，130OC之后的Heat-up speed对压板的影响不大，应考虑到生产效率的问题，提高升温速度。,1. 升温速度：,36,2. 最高加热温度 要确定压板工艺的最高加热温度，首先应从半固化片供应商处了解到使用的半固化片的树脂体系，它的固化温度（cure temperature)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。 目前用的环氧树脂的 cure temperature是1600C-1700C。,37,3、提供压力范围 （1）为什么要提供压力？ A、要保证树脂与铜面之间充分结合 B、提高树脂流动速度，尽快均匀地填充导线间的空隙。 （2）怎样根据树脂在不同温度段的变化提供适当的压力？ A、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kiss pressure接触压 力（又称吻压）。这个压力多大合适呢？,38,接触压力通常为51kg/cm2左右，这个压力不可过大，因为Resin未 充分流动，压力过大，将对半固化片中的glass fabric的弹性纤维布 产生较大剪应力，压力太小，不能使树脂充分填满铜面(毛面）的 空隙。 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。那么这个压力又是为何制定呢？根据以 前的经验总结，列至下表：,39,40,4、硬化时间：（Cure time） 树脂在制成半固化片时填加的催化剂与硬化剂（dicy双氰胺），加速剂2-MI（2-甲咪唑）的不同，它的固化反应快慢不同，应从供应商处了解到使用的半固化片的特性指标，其中应包括硬化时间，与建议的压板cycle。 目前公司用的半固化Cure time通常在165OC固化4560min。,41,固化时间充分，则保证了树脂C-阶反应的完全，从而保证了半固化片达到了它在制造过程中预定的Tg，从而保证了该板的后期制作中的尺寸稳定性。,树脂特性,WET CLOTH,B-Stage,Cured lamination,Tg,42,5、压力与时间的配合： 1）预压时间（kiss pressuretime）1525min 2）升压阶段配合80130C流胶段的温升速度。 3）保压阶段充分固化时间决定。,43,1、lamination window 的升温速度在12OC/min。 2、最高加热温度制定。 3、硬化时间的确定。 4、压力的确定。 5、压力与时间的配合。 当详细了解到半固化片的特性后，制定出以上5个条件，那么就可以 编写一个压板程序（press cycle）。,压板工艺条件总结：,44,工艺流程,三、工艺流程介绍： 1、工艺：mass-lamination无销制定位的大量层压方法。,45,Lay up叠合示意图,拿板过程需要绝对清洁，因为压板后板面的一点凹凸不平缺陷都会导致外层线路缺口，引起开短路，因此，排板过程需要无尘环境。,46,问题1： 多层线路板的制作，存在一个内外层如何对位（Registration）的问题。我们在工艺上如何解决对位的问题呢？ A、 四层板在制作内层上，图形上预先设计有内外层对位的管位孔：layer2与layer3上均有，layer2与3的对位是否精确，是由干菲林中工序决定的。排板时，直接将2/3面的内层板放在两个介电层之间，外加两层copper foil压完后，再钻出内 层的管位孔，制作外层。,47,B、那六层板、八层板在lay-up时，如何保持层与层间对位问题呢？ 首先，同四层面一样，应先保证2/3面对正，4/5两面对正，由干菲林决定。 同时保证2/3、4/5四个面的管位孔距一致。 然后，排板前，先将两个或三个内层用鸡眼钉在一起，保证2、3、4、5层（8层板包括6，7层）的管位孔对准，然后同四层板一样在排板时一样，将钉好的六层板（2个内层），八层板（3个内层）排在两层介电层之间，外面加两层铜箔。压完板后，钻出管位孔，以它定位，制作外层线路，实现内外层的对位。,48,那么钉鸡眼钉的孔如何打出的，它对如何保证层与层之间钉在一起达到对准的目的？这里简单提一下。 板的每面上设计有两个标靶，标靶是菲林上预先定好的，每一面都一致，OPE机根据每面内层的标靶自动啤出5个位置相同的孔，然后用鸡眼钉穿5个孔将各个内层与半固化片钉在一起。,49,问题2：工序上操作者如何确定排板需要的半固化片与铜箔？ 例：H 7 40（1/1） 7 H （7S） H 4 7.5 (1/1) 2 7.5 (1/1) 4 H 最外层为0.5oz铜箔，中间是两个7.5mil 1oz的基材，基材中间为1080的Prepreg，两个外介电层为2116的Prepreg. 操作者根这个指示备料，0.5 OZ Cu，prepreg类型，切到尺寸，通常mass lamination方式copper foil与prepreg切成大张。,0.5OZ,0.5oz,40mil 1oz基材,外介电层为7628SP的Prepreg,50,问题3：为什么使用不锈钢板？ 保证压出的板面平行度。 保证板与板之间厚度分布均匀，偏差范围。 板面光洁，无板面缺陷。 问题4：为什么使用纸皮？ 主要是阻热作用，延缓传热,降低升温速度。 缓冲压力的作用。,51,问题5：为什么热压完要冷压？ 前面已讲过热压机提供高温高压完成固化反应，为什么热压后还要进行4060min冷压？ 因为树脂在固化反应时吸收大量热量，因而集中了较大的热应力，必须使它在一定压力下冷压至100OC以下，否则较大的内应力会引起板翘。这是从工艺加工条件上考虑的。也就是说冷压的目的： 1、消除内应力。 2、提供缓慢冷却条件。,52,第四部分：压板工序使用的设备介绍,53,多层线路板压板工序需要的设备： 热压机（包含加热系统，热压机，冷压机，进料架、出料架及控制系统）。 无尘排板房。 运输系统。 裁切工具（切Prepreg与Copper foil，纸皮） 不锈钢板：,54,一、热压机,种类油压真空，输助的热压机（Hydraulics） 功能：提供热能将Prepreg熔化，促使Prepreg内的树脂发生固化反应。 提供压力 树脂融溶粘度阻力，将压合材料中的气泡挤出，并促使其流动。 提供真空促使Prepreg内的挥发成分蒸发。 热源方式：电加热控制热油循环系统。,55,Burkle德国产真空热压机 压板过程中的工艺条件由电脑中设定在一个Press cycle的程序中，由该程序控制压机内温度与压力的变化。 PC中设定的一个压板cycle，最多可以输入20个Step，每个Step中包括以下内容： A、Platen温度。 B、压机的液压系统提供的压力。 C、该Step经历的时间。 温度Platen温度，即热油温度，通过牛皮纸，不锈钢板，传入板料中。压力压机的压力如何定？,56,程序中设压力有两种方式： 1、油压 Hydraulic pressure=specific pressure X bonding area/surface of piston， 制定程序的人可以根据压板中每步需要的压力，然后根据排板中每层的层压接触面积，换算为液压系统的压力，除以活塞面积得到压机操作油压。 2、直接输入每一步作用于板面的压力（ specific pressure ）然后在程序中给定Laminate的长（L）X 宽（B）的尺寸，电脑中将根据输入的信息自动计算作液压系统压力，并发出指令。 时间：每Step设定好的时间，到时自动进入下一步，直到全部程序全部运行完。,压力压机的压力如何定？,57,实例：常用的压板cycle：,58,压板程序曲线：,59,实测到的每层升温情况：,60,实测的升温曲线,由图中可见：靠近platen的温度变化最快，与中间层有差别，加纸皮的目的是为了缓冲热量传递，减小层间差异。,61,压机对platen的要求： 表面平整，平面度达到+0.025mm公差，加压的平行度达到+ 0.05mm。 因为platen若不平，平行度差，则会使压力不均匀，板内积聚较大内应力，从而出现板厚不均匀，甚至翘曲。 冷压机结构同热压机， 采用循环水降温。,62,不锈钢板要求： 高硬度，耐磨 传热性良好 较高的平面度 较高的平行度 没有板面凹凸，针孔缺陷 抗腐蚀性,63,* 无尘室： 无尘要求：粉尘数量小于100K 粉尘粒度：小于0.5m 空调系统：保证温度在18-22C，相对湿度在50-60% 进出无尘室有吹风清洁系统，防止空气中的污染 防止胶粉，落干铜箔或钢板上，引起板凹。,64,运输系统,包括加盖上盖板的贮存台 运输不锈钢板线 运输底板（带lay up排板台大运输线） 拆上盖板台 拆板，贮存钢板工作站 打磨、清洁钢板线,65,总结： 1、这一套压板系统属于自动化控制工艺条件。 2、 三个排板台，两台热压，一台冷压，满足工艺连续性，24小时20- 22炉 左右，平均约1小时出一炉板。 3、8个opening可排12-15层（根据板厚不同）产量大。 4、操作简单,66,第五部分、 压板工序常见缺陷分析,67,我们将压板可能出现的缺陷分为 类，将缺陷征状分析原因、解决方法列表归纳如下：,表面缺陷,68,表面缺陷,69,表面缺陷,70,表面缺陷,71,表面缺陷,72,表面缺陷,73,整体缺陷,74,整体缺陷,75,整体缺陷,76,整体缺陷,77,压板中的一个主要缺陷：对位不正（misregistration） 压板为何会出现对位不正? 造成对位不正的原因有以下几点: A.压板时,树脂流动造成内层板滑移,引起多层板层与层之间对位不正。 B.多层板钉板时会出现层与层之间对位不正。 C.多层板压板时板料胀缩规律不同,会导致层间对位不正。 D.在进行图像转移时也会出现对位不正.这就不是压板造成的缺陷了。,78,如何解决对位不正的问题呢？,A.对于压板滑移造成的对位不正,应该从以下几点考虑： 1.压板程序中设定的操作压力过大,应该减小压力。 2.排板时应选用较低树脂流量的PREPREG。 3.钉板时可以适当增加鸡眼钉的数量,钉板会阻止滑移。 B.对于钉板造成大的对位不正,从以下两点考虑： 1.2/3 与4/5面的啤孔标粑(OPE标粑)不一致,应从菲林图像转移上找原因。 2.OPE啤孔机的啤孔精度不够,达不到对位精度要求,应选择精度高的啤孔机。 3. 注意钉板操作的打钉方向垂直向下,不能倾斜用力,造成钉歪板。 4.叠板中使用半固化片张数较多,或者排板层数较多时,钉完板后应用X-RAY机检查 一下,是否有重影。,79,关于板料胀缩引起的对位不正： 为什么板料会存在胀缩？