软硬结合板的设计与生产工艺

软硬结合板的设计与生产工艺（论文） 1. 前言工业、医疗设备、3G手机、LCD电视及其它消费类电子如：电子计算机用的硬盘驱动器、软盘驱动器、手机、笔记本电脑、照相机、摄录机、PDA等便携式电子产品市场需求的不断扩大，电子设备越来越向着轻、薄、短、小且多功能化的方向发展。特别是高密度互连结构（HDI）用的柔性板的应用，将极大地带动柔性印制电路技术的迅猛发展，同时随着印制电路技术的发展与提高，软硬结合板(Rigid-Flex PCB)的开发研究并得到大量的应用，预计全球今后软硬结合板的供应量将会大量增加。同时，软硬结合板的耐久性与挠性，亦使其更适合于医疗与军事领域应用，逐步蚕食刚性PCB的市场份额。由于韩国、台湾地区有大量手机厂商，因此这些厂商主导了软硬结合板市场。据台湾电路板协会(TPCA)的数据，目前该地区约有200家PCB生产商。香港地区也有少数企业在生产软硬结合板，但大约有不到五家企业具备良好的生产技术。在中国大陆，这类产品在总体PCB市场中所占比例不大，台湾地区工业技术研究院(IEK)估计仅占2%左右。但大陆的生产份额正不断增长，厂商们都意识到，软硬结合板既轻且薄，而且紧凑，特别适合最新式的便携电子和高端医疗及军事设备这些终端产品目前都在推升大陆软硬结合板的产量。因此，业内人士预计软硬结合板将在未来几年超越其它类型的PCB。 产品虽好，制造门槛有些高，在所有类型的PCB中，软硬结合板对于恶劣应用环境的抵抗力最强，因此受到医疗与军事设备生产商的青睐。软硬结合板兼具刚性PCB的耐久力和柔性PCB的适应力。中国大陆的企业正在提高此类PCB占总体产量的比例，以充分利用需求不断增长的大好机会。减少电子产品的组装尺寸、重量、避免连线错误，增加组装灵活性，提高可靠性，实现不同装配条件下的三维立体组装，是电子产品日益发展的必然需求，挠性电路作为一种具有薄、轻、可挠曲等可满足三维组装需求的特点的互连技术，在电子及通讯行业得到日趋广泛的应用和重视。随着其应用领域的不断扩大，挠性线路板本身也在不断发展，如从单面挠性板到双面、多层乃至刚挠性板等，细线宽间距、表面安装等技术的应用以及挠性基材本身的材料特性等、对挠性板的制作提出了更严格的要求，如基材的处理，层间对位，尺寸的稳定性的控制，去沾污，小孔金属化及电镀的可靠性及表面保护性涂覆等方面都应予以高度的重视，本文仅就在研究和生产过程中所选择的重点工艺部分以及应注意的问题进行总结和阐述。2. 软硬结合板的设计与生产工艺 软硬结合印制板是指在一块印制板上包含有一个或多个刚性区和一个或多个挠性区的印制线路板。它可分为有增强层的挠性板及刚挠结合多层板等不同类型。 图（1）为一个十二层软硬结合板结构示意图:图（1）十二层软硬结合板叠构示意图图（2）软硬结合板图片21 材料的选择 俗话说：“工欲善其事，必先利其器”，所以在考虑一个软硬结合板的设计及生产工艺时，做好充分的准备是非常重要的，但这需要一定专业知识以及对所需物料特性的了解，软硬结合板所选用的材料直接影响后续生产工艺及其性能。挠性板的覆铜材料我司选用杜邦的（AP无粘接剂系列）聚酰亚胺挠性基材，聚酰亚胺是一种具有很好的可挠性，优良的电气性能和耐热的材料，但它具有较大的吸湿性和不耐强碱性。之所以选择无粘接层的基材，是因为介电层与铜箔间的粘接剂多为丙烯酸、聚酯、改性环氧树脂等材料，其中改性环氧树脂粘接剂可挠性较差，聚酯类粘接剂虽可挠性好，但耐热性较差，而丙烯酸粘接剂虽然在耐热性、介电性能以及可挠性方面令人满意，但需考虑其玻璃转化温度(Tg)及压合温度较高(185左右)，目前也很多工厂采用日系（环氧树脂系列）的基材和粘接剂来生产软硬结合板的。 对于刚性板的选择也有一定的要求，我们最先选择成本较低的环氧胶木板，因表面太过光滑无法粘牢，后又选择使用FR4.G200等有一定厚度的基材蚀刻掉铜，但终因FR4.G200芯材与PI树脂体系不同，Tg、CTE皆不配合，受热冲击后刚挠结合部分翘曲严重不能满足要求，所以最后选择PI树脂系列的刚性材料，可以用P95基材压合而成，也可以单纯用P95半固化片压合成，这样，相配合的树脂体系的刚挠性板压合后，就可以避免受热冲击后的翘曲变形。目前也有较多的基材厂商专门针对软硬结合板开发和生产了一些刚性板的材料。 对挠板和硬板之间的粘接剂部分最好采用No flow(低流动)的Prepreg来进行压合，因为其胶流动性小对软硬过渡区域有很大的帮助，不会造成由于溢胶而导致过渡区需返工或者造成功能性上受到影响，目前有很多生产原材料的企都有开发这种PP片而且有很多种规格可以满足结构上的要求， 另外对于客户在ROHS, High Tg, Impedance 等有要求的还需注意原材的特性指标是否可以达到最终的要求，如材料的厚度规格、介电常数、TG值、环保要求等。请参考表（1）及表（2）：表（1）低流动半固化片玻璃布类型半固化厚度（mm）玻璃布厚度（mm）层压后半固化片厚度（压力200psi）（mm）含胶量（）流动度（）凝胶时间（s）10370.0600.0230.0453721.0无10270.0540.0270.0302721.0无10150.0530.0380.0251521.0无表（2）不同粘结片的覆盖层性能比较介质薄膜类型聚酰亚胺粘结片类型项目及测试方法丙烯酸-IPC丙烯酸（V）环氧抗剥强度（b/in）8.010.68.0低温可柔性（IPC-TM-650，2.6.18）通过通过通过粘结片最大流动（） （IPC-TM-650，2.3.17.1）5.02.75.0挥发组份（IPC-TM-650,2.3.37）1.50.82介电常数（1MHZ）（IPC-TM-650，2.5.5.3最大值）4.03.54.0介电强度（KV/mm）(ASTD-D-149)8018080体积电阻率.cm（IPC-TM-650,2.5.17）101210121012表面电阻（IPC-TM-650,2.5.17）101110101010绝缘电阻M（IPC-TM-650,2.6.3.2室温下）104105104吸湿（最大百分比）（IPC-TM-650,2.6.2）6.01.04.0损耗角正切（1MHZ下）（IPC-TM-650,2.5.5.3）0.040.030.03浮焊试验（IPC-TM-650方法B2.4.13）通过通过通过软硬结合板的设计与生产工艺（论文）（二）外层图形的保护材料，也就是阻焊层，一般有三类可供选择，第一类是传统的覆盖膜（Coverlay），是一种选用聚酰亚胺材料加粘接剂直接与蚀刻后需保护的线路板以层压方式压合，这种覆盖膜要求在压制前预成型，露出需焊接部分，故而不能满足较细密的组装要求，第二类是感光显影型覆盖干膜，以贴膜机贴压后，通过感光显影方式漏出焊接部分，解决了组装细密性的问题，第三类是液态丝网印刷型覆盖材料，常用的有热固型聚酰亚胺材料，如太阳PSR-4000以及感光显影型挠性线路板专用阻焊油墨，这类材料能较好地满足细间距、高密度装配的挠性板的要求。22 生产工艺流程及重点部分的控制 软硬结合板的研制是在挠性板及高密度多层刚性板的基础上进行的，在工艺制造方面与刚性板有很多相同的地方，但是，由于软硬结合板材料及其在结构和应用上的特殊性，决定了它从设计要求到制作工艺都有别于普通的刚性板和挠性板，几乎对每一个生产环节都要进行试验、调整，最终优化整个工艺流程和参数。221 生产工艺流程如图（3）为刚柔结合印制板常规工艺流程图。挠板部分图（3）工艺流程222 内层单片的图形转移 图形转移在高密度、细线条的印制板中占据非常重要的地位，对挠性线路而言，尤其如此。因为挠性单片既薄又软，给表面处理等操作带来很大困难，而铜箔表面的清洁状态及粗糙程度直接影响抗蚀干膜的贴附及细线条的制作。由于机械擦板对设备要求较高，且不适宜的压力可能造成基材变形、卷折、尺寸伸缩等，操作不易控制，故而我们可以选择使用电解清洗法。这种方法既可保证表面清洁度，同时采用微蚀的方法来保证铜面的粗糙度，有利于0.1mm0.15mm线宽间距的线路图形制作。酸性蚀刻除了注意控制蚀刻速率以保证设计要求的线宽、间距外，更要注意防止单片的卷曲、皱折，最好是加辅助的引导板并且关闭设备上的抽风系统。223 挠性材料的多层定位 挠性基材的尺寸稳定性较差，这是因为聚酰亚胺材料有较强的吸潮性，经过湿处理或在不同的温、湿度环境中收缩变形严重，造成多层板的层压对位困难。为了克服这一困难，可采用以下措施：在设计上要考虑对位花斑及靶冲斑的设计，才能保证在冲制对位孔或铆钉孔时的精确度，不至于在叠板时造成层间图形的偏位而导致报废。OPE冲制后定位孔，能消除湿法处理过程中材料伸缩变形带来的误差。层压后用Xray对位钻孔，确定偏移量，使钻孔更为精确。针对聚酰亚胺的材料特性及环境特点，参考钻孔偏移量绘制外层底片，提高外层底片与钻孔板的重合度。这样，我们就可以满足层间对位保证0.1mm0.15mm环宽的要求，保证外层图形转移的精确度。224 层压 即使是采用OPE冲制后定位孔，层压前的单片处理对层间对位也有着很大影响。首先，由于聚酰亚胺材料不耐强碱，在强碱溶液中产生溶胀，所以在进行黑、棕化处理的过程中，在强碱性工序如去油，黑、棕化等适当地降低温度、减少时间。由于采用的是无粘接层基材，无须考虑粘接层在碱液中的变化，这种方法还是可行的。其次，氧化处理后的单片烘烤应避免垂直放置，应采取水平烘烤方式，可减少弯曲变形，尽量保持平整。烘烤后尽可能地缩短装模时间，防止单片再次吸潮。 由于挠性单片易变形，层压前平整度较差，加之所用粘接片的树脂流动度大大低于刚性板层压用的半固化片，所以，为使粘接片与单片结合良好并嵌入细密的线条间距中，我们选择使用覆形性较好的材料作为层压衬垫材料，如聚丙烯薄膜、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶片等，可提高挠性板的层压质量。试验后认为理想的衬垫材料为硅橡胶材料，即可保证其覆形性又可相对减少被压件尺寸收缩变形。 对于硬板部分在压合的处理主要应注意以下三方面的事项：一是不论是基材压合还是单纯的半固化片压合，都要注意玻璃布的经纬方向要一致，压合过程中注意消除热应力，减少翘曲。 二是硬板应有一定的厚度，因为挠性部分很薄且无玻璃布，受环境及热冲击的影响后，它的变化与刚性部分是有差别的，若刚性部分没有一定的厚度或硬度，这种差别就会表现得很明显，使用过程中就会产生较严重的翘曲变形，影响焊接及使用，若刚性部分具有一定的厚度或硬度，这种差别就可能会显得微不足道，整体的平整度不会同挠性部分的变化而产生变化，可保证焊接及使用，若刚性部分太厚则显得厚重不经济，实验证明08 10mm厚度较为适宜。 三是对于挠性窗口的处理，通常有先铣切和后铣切的方式来加工，但需根据软硬结合板本身的结构及板厚来进行灵活处理，如果是先铣切挠性窗口应保证铣切的精确，既不能小了影响焊接也不能大了影响挠曲，可由工程制作好铣切数据，将挠性窗口预先铣切好。如果采用先不铣切挠性窗口，等完成所有前工序最后成型再使用激光切割的方式取下挠性窗口的废料，应注意激光所能切割FR4的深度。 压制参数可参考挠性基材及刚性板压制参数进行适当的综合优化。 225 钻孔 软硬结合板的结构复杂，因此确定钻孔的最佳工艺参数对取得良好的孔壁十分重要。为防止内层铜环以及挠性基材的钉头现象，首先要选用锋利的钻头。如果所加工的印制板数量大或加工板内的孔数量多，还要在钻完一定孔数后及时更换钻头。钻头的转速以及进给是最重要的工艺参数。进给太慢时，温度急剧上升产生大量钻污。而进给太快则容易造成断钻头、粘结片以及介质层的撕裂和钉头现象。其次应根据板厚及最小钻孔孔径来选择钻孔机及优化钻孔参数，目前业内已有可以达到20万转/每分的钻床，对于小孔而言转速越高钻孔的质量越好，同时，盖板、垫板的选择也非常重要，好的盖板、垫板除了起保护板面还起到良好的散热作用，应当注意的是垫板最好用铝箔板或环氧胶木板，不要用纸质垫板，因为纸质垫板较软，容易产生较严重的钻孔毛刺，孔化前去毛刺时容易撕裂或擦坏孔口，给后工序工作带来麻烦，影响板子质量。如图（4）:软硬结合板的设计与生产工艺（论文）（三）实验证明，印制板的钻污水平和厚度随着钻孔时温度的升高而增加，在树脂的玻璃化温度之上增加更快。因而有些制造商曾尝试冷冻法钻孔，通过降低加工板上的温度而达到减小钻污的效果。具体做法是：先将刚柔结合印制板在低温下（放入冷库或冰箱中）冷冻数小时，取出后在冷气保温条件下钻孔。采用这种方法钻的孔，只有少许钻污，效果十分明显。 还有一点应该注意的是，虽然我们在湿法处理、冲制OPE孔，层压对位等方面做了大量的工作以保证层间对位精度，但是，由于聚酰亚胺材料本身受湿热影响较大，不可避免地会产生不确定的层间偏差及板间偏差。所以，钻孔前应以Xray对位钻小孔，确定不同板子的不同的涨缩量，参照该涨缩量进行数据校正，确保钻孔精确有效。同时，该偏移量交至工程部处理菲林的缩放，参考绘制外层底片，保证外层图形转移的对位精确。 226 去钻污、凹蚀软硬结合板的孔内沾污以聚酰亚胺树脂、环氧玻纤、环氧树脂为主。挠性聚酰亚胺树脂对浓硫酸溶液显惰性，而在强碱性的高锰酸钾溶液中又会产生溶胀，所以，常规的湿法去沾污很难奏效。我们也曾尝试过使用浓硫酸或碱性高锰酸钾溶液去沾污，改变浓度、温度、处理时间等参数，多次试验都没有收到令人满意的效果，于是，我们放弃了传统的湿法化学去沾污，改用等离子体法。 等离子体化学处理系统-等离子体去钻污凹蚀系统，如图（5）所示，一般由五部分组成：真空腔体、真空泵、RF发生器、微机控制器、原始气体。不同类型等离子体处理设备只是在真空腔内电极的结构和气体的输入位置和方式上略有差别。等离子体是指电离的气体，是原子在射频能量发生器的作用下完全或部分失去其电子层时的状态，由离子、电子、自由基、游离基团和紫外线辐射粒子等到组成，整体上显电中性，具有很高的化学活性。等离子体去沾污最大的优点是没有选择性，就是不分所处理板子的树脂类型，只要调整参数，均可进行处理。譬如，高活度的等离子流对环氧树脂、聚酰亚胺、丙烯酸、玻璃纤维等产生的沾污都能快速、均匀地把它们从孔壁上作用掉，并可以形成一定的凹蚀，有效地实现三维连接，提高金属化孔的可靠性。 等离子体去沾污一般分为三步：(1)在设备腔体达到一定的真空度后向其中按比例注入高纯氮气和高纯氧气，主要作用是清洁孔壁，预热印制板，使高分子材料具有一定的活性，有利于后续处理。一般为80、10分钟。(2)以CF4、O2和N2作为原始气体与树脂反应，达到去沾污、凹蚀的目的，一般为85、35分钟。(3)以O2作为原始气体，去除前两步处理过程中形成的残留物或“灰尘”，洁净孔壁。图（5）等离子清洗机表（3）为曾经使用的等离子体去钻污凹蚀工艺参数工艺参数（系统压力280mTorr）第一阶段第二阶段第三阶段CF4气百分比（%）0250O2气百分比（%）080100N2气百分比（%）10000真空度（mTorr）110110110射频功率（Kw）1.52.52.5处理时间（min）10355 表（3）但值得注意的是采用等离子体除去多层柔性和刚柔结合印制板孔内钻污时，各种材料的凹蚀速度各不相同，从大到小的顺序是：丙烯酸膜、环氧树脂、聚酰亚胺、玻璃纤维和铜。从显微镜中能明显地看到孔壁有凸出的玻璃纤维头和铜环。为了保证化学镀铜溶液能充分接触孔壁，使铜层不产生空隙和空洞，必须将孔壁上等离子反应的残余物、凸出的玻璃纤维和聚酰亚胺膜除去，处理方法，包括化学法和机械法或二者相结合。化学法是用氟化氢胺溶液浸泡印制板，再用离子表面活性剂（KOH溶液）调整孔壁带电性。机械法包括高压湿喷砂和高压水冲洗。采用化学法和机械法相结合的效果最好。 如图（6）、（7）所示：图（6）软硬结合板的Working Panel 图（7）磨板清洗 金相报告显示，经过等离子体去沾污后的金属化孔孔壁状态令人满意。227化学镀铜、电镀铜要指出的是要求电镀铜层的延展率大于刚柔结合及柔性多层印制板的热膨胀率并且有较高的抗拉强度。在经受热冲击时，刚柔结合多层印制板基材的总膨胀率比孔中镀铜层大1.65%，而这一指标在刚性多层板中仅为0.03%。由此可见，刚柔结合印制板中金属化孔所承受的拉应力比刚性多层板大得多。同时，镀铜层的厚度对刚柔结合印制板的可靠性也有一定影响。大多数刚柔结合多层板制造商都靠增加孔壁铜层厚度来提高金属化孔的可靠性。 图（8）镀铜线 图（9）镀铜线228 表面阻焊及可焊性保护层 由于挠性板在使用过程中有挠曲要求，一般在挠性窗口或挠性部分大多采用聚酰亚胺保护膜压接的方式来保护线路，可是针对精