淺析剛撓印制板制作工藝

1、淺析剛撓印制板制作工藝     一、 前言：剛撓多層印制板（flex-rigid multilayer printed board）作為一種特殊的互連技術(shù)，能夠減少電子產(chǎn)品的組裝尺寸、重量、避免連線錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝，以及具有輕、薄、短、小的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、航空電子以及軍用電子設(shè)備中，但剛撓印制板也存在工藝復(fù)雜，制作成本高以及不易更改和修復(fù)等缺點(diǎn)。本文則主要從改進(jìn)剛撓多層印制板層壓、外層成像等方面進(jìn)行討論，淺談剛撓印制板的制作。 二、 剛撓印制板結(jié)構(gòu)：剛撓印制板是在撓性印制板上再粘結(jié)兩個(gè)（或兩個(gè)以上）剛性外層，剛性層上的電路

2、與撓性層上的電路通過金屬化孔相互連通。每塊剛撓性印制板有一個(gè)或多個(gè)剛性區(qū)和一個(gè)或多個(gè)撓性區(qū)。 雙面覆35m銅箔的聚酰亞胺撓性基材 帶0.025mm厚丙烯酸膠的聚酰亞胺覆蓋層 雙面覆35m銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板 丙烯酸粘結(jié)薄膜 四、 剛撓印制板制作工藝：1、 剛撓印制板材料：剛撓印制板除了采用了剛性材料（如環(huán)氧玻璃布層壓板及其半固化片或聚酰亞胺層壓板及相應(yīng)的半固化片）外，還采用撓性材料。撓性材料：常用的撓性介質(zhì)薄膜有聚酯類、聚酰亞胺類和聚氟類, 選擇撓性介質(zhì)薄膜應(yīng)從材料的耐熱性能、覆形性能及厚度等進(jìn)行綜合考察；常用的粘結(jié)薄膜主要有丙烯酸類，環(huán)氧類和聚酯類， 選擇粘結(jié)薄膜則主要考察材料的流動性及其熱

3、膨脹系數(shù) 銅箔：印制板采用的銅箔主要分為電解銅箔（ED）和壓延銅箔（RA）。電解銅箔是采用電鍍方式形成，其銅微粒結(jié)晶狀態(tài)為垂直針狀，易在蝕刻時(shí)形成垂直的線條邊緣，有利于精細(xì)線路的制作；但在彎曲半徑小于5mm或動態(tài)撓曲時(shí)，針狀結(jié)構(gòu)易發(fā)生斷裂；因此，撓性覆銅基材多選用壓延銅箔，其銅微粒呈水平軸狀結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)多次撓曲。 2、 撓性內(nèi)層成像與蝕刻：前處理：覆銅板表面銅箔都經(jīng)防氧化處理，銅箔表面有一層致密的氧化物保護(hù)膜，因此，在成像前，須對撓性覆銅板進(jìn)行表面清洗和粗化。但由于撓性板材易變形和彎曲，可采用專用浮石粉磨板（Pumice）機(jī)或微蝕（Micro-etching）-對于一般生產(chǎn)廠家建議采用微蝕以減

4、少額外的設(shè)備投資。微蝕過程中應(yīng)控制微蝕對板面的粗化程度及粗化的均勻性，建議微蝕液采用過硫酸鈉（Na2S2O4）和硫酸（H2SO4）型的微蝕液以防止板面過度粗化或部分板面粗化不足；同時(shí)，為防止微蝕過程中卡板或板材掉入微蝕液中，可在撓性板之前粘一塊剛性板牽引（顯影及蝕刻也應(yīng)采用）。注意板材的持拿要十分小心，因?yàn)榘宀牡陌己刍蛘酆鄱紩斐善毓鈺r(shí)底版無法貼緊而造成圖形的偏移。 成像與蝕刻：建議采用干膜成像以減少板的返工（采用濕膜成像時(shí)，因濕膜預(yù)烘困難，返工率較高），注意板材的持拿，防止折疊，顯影及蝕刻時(shí)應(yīng)用剛性板牽引。注：剛性內(nèi)層的成像與蝕刻與一般剛性多層板內(nèi)層的成像與蝕刻基本相同，此處不作介紹 剛性外

5、層與剛性半固化片的開窗口：可采用鑼機(jī)進(jìn)行開窗口，為防止剛撓印制板層壓時(shí)開窗口處的流膠，剛性半固化片的窗口應(yīng)比剛性外層的窗口稍大（一般比剛性外層的窗口大0.2-0.4mm為宜），且剛性半固化片越厚，剛性半固化片的窗口比剛性外層的窗口也應(yīng)越大。在開窗口時(shí)注意將剛性外層或剛性半固化片釘緊，并用皺紋膠固定以免所開窗口邊緣不整齊或尺寸與設(shè)計(jì)不符。 撓性層及剛撓多層印制板的層壓：蝕刻后的剛撓印制板的撓性多層板在壓剛性外層之前，要對表面進(jìn)行處理以增加結(jié)合力，表面處理可采用微蝕或浮石粉磨板；表面處理后的撓性內(nèi)層層壓前應(yīng)進(jìn)行適度的干燥以去除撓性內(nèi)層中的水分。（1） 一次層壓和分步層壓：剛撓印制板的層壓可采用一次

6、將所有內(nèi)層壓在一起的一次層壓法，也可以采用先壓撓性內(nèi)層再壓剛性外層的分步層壓法。一次層壓法的加工周期短，成本低，但層壓時(shí)覆蓋層定位難度大，層壓缺陷如氣泡，分層和內(nèi)層變形只能在外層蝕刻后才被發(fā)現(xiàn)；分步層壓則可以減小層壓時(shí)覆蓋層定位難度，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)層的圖形偏移和層壓缺陷，而且分步層壓還能照顧撓性和剛性材料的特點(diǎn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，但分步層壓較一次層壓費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)輔助材料。（2）粘結(jié)片的選用：選用不同類型的粘結(jié)片對剛撓印制板的結(jié)構(gòu)有著直接的影響。圖3a-b是采用不同類型粘結(jié)片粘結(jié)內(nèi)層的剛撓八層印制板結(jié)構(gòu)示意圖。其中a類是全部采用丙烯酸粘結(jié)薄膜做為內(nèi)層的粘結(jié)片，在這種結(jié)構(gòu)中，丙烯酸厚度的百分比相當(dāng)

7、大，因而整個(gè)剛撓印制板的熱膨脹系數(shù)也很大，這種結(jié)構(gòu)的金屬化孔在熱應(yīng)力試驗(yàn)中容易失敗。在這種結(jié)構(gòu)中靠降低丙烯酸粘結(jié)片的厚度達(dá)到減少Z軸膨脹的方法是不實(shí)際的，一方面這不利于無氣泡層壓，另一方面靠增加壓力彌補(bǔ)其厚度的不足往往還會造成撓性內(nèi)層圖形的偏移超差。結(jié)構(gòu)b是采用了用玻璃布做增強(qiáng)材料的丙烯酸代替無增強(qiáng)材料的丙烯酸粘結(jié)片。這種有增強(qiáng)材料的丙烯酸不但能滿足無氣泡層壓的要求而且增加了結(jié)構(gòu)的硬度。它的缺點(diǎn)是在孔化之前要處理凸出的玻璃纖維頭。結(jié)構(gòu)c中采用環(huán)氧玻璃布半固化片粘結(jié)壓了覆蓋層的撓性內(nèi)層。 0.05mm厚雙面覆35m銅箔聚酰亞胺薄膜 帶丙烯酸粘結(jié)片的0.025mm厚聚酰亞胺覆蓋層 雙面覆銅箔環(huán)氧玻

8、璃布層壓板 雙面覆銅箔聚酰亞胺玻璃布層壓板由于環(huán)氧樹脂與聚酰亞胺薄膜的結(jié)合力較差，因此在安裝和使用過程中，易產(chǎn)生內(nèi)層分層的現(xiàn)象，可以通過在環(huán)氧玻璃布與聚酰亞胺之間加一層丙烯酸膠增加結(jié)合力，但這樣做的結(jié)果是又引進(jìn)了丙烯酸而且還增加了生產(chǎn)的復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)d中取消了覆蓋層，內(nèi)層的粘結(jié)全部采用環(huán)氧玻璃布半固化片或環(huán)氧玻璃布做增強(qiáng)材料的丙烯酸，撓性覆銅箔基材在表面的銅被蝕刻掉之后露出的是一層丙烯酸膠，因而它與環(huán)氧的結(jié)合力非常好。同時(shí)，由于環(huán)氧材料的大量引入大大降低了整個(gè)剛撓印制板的熱膨脹系數(shù)，因此大大提高了金屬化孔的可靠性，但由于去掉了大量的覆蓋層，這種印制板在高溫工作環(huán)境下會變軟，其撓性段更是如此，因此

9、要增加一個(gè)加固板。結(jié)構(gòu)e是用聚酰亞胺層壓板代替環(huán)氧層壓板，可以改善剛撓印制板的耐高溫性。結(jié)構(gòu)a-e中，除了c不宜采用之外，制造商可以根據(jù)自己的設(shè)備和技術(shù)情況以及剛撓印制板的應(yīng)用要求來確定剛撓印制板的結(jié)構(gòu)。近來，部分生產(chǎn)廠家正在嘗試一種大膽的覆蓋層部分層壓法（這種層壓法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示），這種方法保留了結(jié)構(gòu)a中結(jié)合力好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了熱膨脹大的缺點(diǎn)。在這種結(jié)構(gòu)中，撓性多層印制板最外邊的覆蓋層只伸入到剛性區(qū)中大約1/10的位置，剛性外層與撓性內(nèi)層采用不流動環(huán)氧半固化片粘結(jié)。由于沒有覆蓋層，環(huán)氧半固化片主要是與撓性基材上粘結(jié)銅箔的丙烯酸膠（銅箔與撓性基材用丙烯酸膠粘結(jié)）相互粘結(jié)，因而結(jié)合力

10、很好。同時(shí)由于去掉了粘結(jié)剛性外層與撓性內(nèi)層的兩層丙烯酸粘結(jié)片以及兩個(gè)覆蓋層上的丙烯酸粘結(jié)片，整個(gè)剛撓印制板的熱膨脹系數(shù)大大降低，提高了金屬化孔的耐熱沖擊能力。因此雖然這種結(jié)構(gòu)的工藝復(fù)雜而且成本高，但是它卻提高了剛撓印制板的可靠性。 （3）層壓的襯墊材料：理想的襯墊材料應(yīng)該具有良好的敷形性、流動度低、冷卻過程不收縮的特點(diǎn)以保證層壓無氣泡和撓性材料在層壓過程中不發(fā)生變形。襯墊材料通常分軟性體系和硬性體系。軟性體系主要包括聚氯乙烯薄膜或輻射聚氯乙烯薄膜等熱塑性材料，這種材料在各個(gè)方向的壓力以及成形都比較均勻，而且敷形性好，但在壓力較大時(shí)，其流動性大大增加。硬性體系主要是采用玻璃布做增強(qiáng)材料的硅橡膠，

11、它在各個(gè)方向的壓力都很均勻，并且在Z軸方向上適合凹凸不平的電路，具有良好的敷形效果，其中的玻璃布則起到限制硅橡膠在X、Y方向上的移動，即使層壓壓力較大，亦不會引起撓性內(nèi)層的變形，是一種比較理想的襯墊材料。 同時(shí)，襯墊材料的厚度應(yīng)與剛性層（剛性外層和剛性半固化片）的厚度一致，大小與窗口匹配（太小會使撓性窗口產(chǎn)生不規(guī)則，太大則不利于排氣和拆卸），且襯墊材料應(yīng)表面光潔。采用覆蓋層部分層壓法，可有效地提高剛撓多層印制板的可靠性和金屬化孔的耐熱沖擊性能，但由于與剛性外層相連的覆蓋膜只伸入到剛性區(qū)的1/10左右，采用非感光覆蓋膜的定位則非常困難，因此，為減少層壓時(shí)覆蓋膜的定位難度，可采用感光覆蓋膜（成像，

12、由于感光覆蓋膜采用傳統(tǒng)抗蝕刻/電鍍干膜的貼膜方式，產(chǎn)量較小時(shí)可能會造成感光覆蓋膜的浪費(fèi)）并在層壓定位時(shí)采用打靶機(jī)（Target Machine）定位，建議采用一次層壓以減少制作的流程及制作成本（層壓的工藝參數(shù)可在一般多層板層壓工藝參數(shù)下進(jìn)行優(yōu)化）。5、 鉆孔及去鉆污：由于剛撓印制板采用了剛性及撓性材料，易產(chǎn)生大量的鉆污，因此，選擇鉆孔材料和鉆孔工藝參數(shù)的選擇就顯得十分重要。眾所周知，印制板孔內(nèi)的鉆污的形成是由于鉆孔時(shí)的高溫使印制板中的樹脂發(fā)生熔化，因此，在選擇材料時(shí)應(yīng)選擇散熱性能優(yōu)良的鋁片及墊板（也應(yīng)兼顧到鋁片的表面粗糙度及墊板的材質(zhì)等，如Cimatec公司的 CIM-Alu 1001和CIM

13、WOOD SD-27能很好的兼顧到幾者的性能）。同時(shí)，在鉆孔前，可先將剛撓印制板在低溫如冰箱等冷凍數(shù)小時(shí)再進(jìn)行鉆孔，鉆孔時(shí)應(yīng)選用較高的鉆速及進(jìn)給速度，最好能在冷氣保溫條件下進(jìn)行鉆孔以減少鉆污的產(chǎn)生。注：去鉆污和凹蝕在許多資料中已有詳細(xì)說明，此處不再敷衍6、 外層成像及圖形電鍍：剛撓印制多層板有一個(gè)或多個(gè)撓曲區(qū)域即有一個(gè)或多個(gè)凹槽，采用傳統(tǒng)的多層板外層制作工藝（干膜成像）因干膜難以封住凹槽，會在撓曲區(qū)域電鍍上Cu/Ni/Au而引起報(bào)廢，因此，須在成像（或圖形電鍍）前封住凹槽。最簡單的方法就是在圖形電鍍前用紅膠紙封槽-使撓曲區(qū)域在電鍍時(shí)無法接觸到電鍍藥水而不電鍍Cu/Ni/Au，褪干膜時(shí)揭去紅膠紙

14、，但要注意紅膠紙不能貼到近撓曲區(qū)域的PAD位上，電鍍過程中也不能有破損（破損則會引起報(bào)廢）；多數(shù)廠家則采用固體膠封凹槽再做外層成像、蝕刻前揭去固體膠的方法，這種方法可有效的保護(hù)覆蓋層不受褪膜堿液（NaOH）的影響-覆蓋層受堿液較長時(shí)間的浸蝕，會影響覆蓋層的顏色及剛撓印制板的撓曲性能，工藝也不復(fù)雜，適合批量剛撓印制多層板的生產(chǎn)；其中成像1是為了蝕掉撓曲區(qū)域的銅，此流程的兩次成像在撓曲區(qū)域都設(shè)計(jì)為非曝光區(qū)。這種方法工藝比較復(fù)雜，且經(jīng)過多次褪膜，覆蓋層受褪膜堿液（NaOH）較長時(shí)間的浸泡，其覆蓋膜的顏色及撓曲性能都會受到一定的影響，同時(shí)，由于增加了蝕刻底銅的厚度（銅箔銅厚+電鍍銅厚），也就增加了蝕刻的制作難度，特別是含精密線路（線寬/線距：23mil）的蝕刻