PCB背板制造技術(shù)的探索論文

1、 PCB背板制造技術(shù)的探索 摘 要背板一直是PCB制造業(yè)中具有專業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品。其設(shè)計參數(shù)與其它大多數(shù)電路板有很大不同,生產(chǎn)中需要滿足一些苛刻的要求,噪聲容限和信號完整性方面也要求背板設(shè)計遵從特有的設(shè)計規(guī)則。因此，本文正是基于背板的這種特性，對PCB背板制造技術(shù)進(jìn)行了探索，首先對背板的定義做了闡述，對背板的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，其次對PCB背板在制造過程中的一系列問題進(jìn)行了闡述，最后對PCB背板制造問題進(jìn)行了追蹤研究。關(guān)鍵詞：PCB，背板， 目錄一、背板概述1（一）背板的定義1（二）背板的特性1（三）PCB的背板設(shè)計所涉及到的能力分析2二、PCB背板在制造過程中問題闡述3（一）設(shè)備3（二）尺寸穩(wěn)定性

2、3（三）背板尺寸和重量對輸送系統(tǒng)的要求3（四）熱吸收問題4（五）控制特性阻抗導(dǎo)線4（六）層的對位4三、對PCB背板制造問題的追蹤6（一）電鍍6（二）檢測7（三）組裝7參考文獻(xiàn)8致謝9一、背板概述一、背板概述背板向來是PCB工業(yè)中技術(shù)含量很高的東西。它的設(shè)計要求近乎苛刻，尤其是噪聲容限和信號完整性這兩個指標(biāo)，甚至有它自己獨(dú)特的設(shè)計規(guī)則。背板的這種獨(dú)有的高技術(shù)性使得它在常規(guī)設(shè)備規(guī)范以及設(shè)備加工上并不能完全符合要求。未來社會，隨著經(jīng)濟(jì)跟文化的發(fā)展，背板這一必不可缺的技術(shù)硬件會變得更復(fù)雜、更精密。信號線路（track）數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)將會不斷增高：一塊背板包含5萬個以上節(jié)點(diǎn)將變得不再稀奇。（一）背板的定義背

3、板這個概念，其實是一種印制板，大多數(shù)來說，它的背面都會加上電子電路板，只是有時候背板上的大多數(shù)電子原件都會要求能與其他就像印制板那樣的電子器件相連接。與上面說的相同，能與插件板連接的背板更容易與簡單的操作系統(tǒng)相連。但是為什么要費(fèi)這么大的勁兒去組合呢？好處有兩點(diǎn)：（1）假如你需要一個先進(jìn)的系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)的靈活性完全能適應(yīng)；（2）這種結(jié)構(gòu)易于調(diào)整，也能更方便地去解決一些不常見的問題。與背板相連的印制板也就是插件板可以根據(jù)需要去選擇，可以相同也可以不同。（二）背板的特性背板有好多與眾不同的特性（與普通PCB相比）：尺寸。因為對于背板的使用者來說，背板很大一部分是用于連接接線柜的背面使其以直角跟其他的

4、一些板件相連接的。這就要求背板與常規(guī)PCB相比要大很多，有些背板甚至達(dá)到了762mmx1066.8mm。層數(shù)。就拿最最普通的背板來說吧，它的層數(shù)已經(jīng)是處于1628之間了，這個數(shù)字對于普通的PCB來說簡直是天文數(shù)字。厚度。從背板本身的結(jié)構(gòu)來說，為了能承受更多的機(jī)械應(yīng)力，它就不得不被設(shè)計的比普通PCB厚很多。在大多數(shù)情況下，設(shè)計者要增加它的厚度，典型的背板厚度是2mm4mm，它可高達(dá)4mm6mm之厚。隨著科技的不斷發(fā)展，用戶對帶寬的要求也日趨嚴(yán)苛，這就要求背板的設(shè)計要足夠精密、足夠嚴(yán)謹(jǐn)才行，普通PCB的生產(chǎn)工藝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。為了能生產(chǎn)出滿足各種條件的背板，不得不淘汰一些原有的常規(guī)

5、設(shè)備，更換成混合總線結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)。（三）PCB的背板設(shè)計所涉及到的能力分析PCB的背板設(shè)計涉及到的能力包含以下方面：1. 板材，由于背板的厚度、尺寸與常規(guī)板不一樣，其對板材的性能要求也不一樣，所以特殊板材的制成能力需要關(guān)注。2. 厚度，背板的厚度比常規(guī)板要厚一些，這也是需要關(guān)注的地方。3. 尺寸，背板的尺寸要大很多，對于生產(chǎn)也有這一定影響。4. 鉆孔，由于厚度的上升和壓接器件的使用，對鉆孔的精度和鍍銅的能力有著特殊的要求。5. 層數(shù)，目前背板的層數(shù)也向高層數(shù)發(fā)展,10層以上的設(shè)計也比較普遍。6. 布線，背板布線密度相對較小，不過對于阻抗要求和內(nèi)層線路分別有特別要求。7. 表面處理，由于背板的

6、厚度、尺寸比較大，有些表面處理工藝比較難實現(xiàn)。8. 特殊工藝，由于背板本身的特性，背板有時會用到一些特殊的工藝。二、PCB背板在制造過程中問題闡述二、PCB背板在制造過程中問題闡述（一）設(shè)備包含在背板生產(chǎn)過程中的所有設(shè)備，如加工的傳送裝置、抗蝕干膜的貼膜機(jī)、曝光機(jī)、濕法加工槽、電鍍生產(chǎn)線、層壓機(jī)、檢驗設(shè)備、阻焊掩膜與元件的標(biāo)志符合熱風(fēng)整平機(jī)等都必須調(diào)整到背板獨(dú)特要求的尺寸的處理上來。這種超厚板的厚度大于多數(shù)水平加工機(jī)械的傳送裝置的處理厚度，因此，傳送裝置應(yīng)改造成能自由傳送生產(chǎn)的產(chǎn)品。在某種情況下，背板要求有特殊設(shè)計的設(shè)備，因為常規(guī)的處理設(shè)備不能提起或移動這樣大而重的背板。同時，處理設(shè)備的開槽（

7、s1ots）和電鍍的V型凹槽上的尖部接頭（tips）都必須作相應(yīng)的調(diào)整。這里最好加一兩張圖進(jìn)行輔助說明（二）尺寸穩(wěn)定性背板基材的尺寸穩(wěn)定性也影響著背板的可靠性。尺寸偏離程度是相對于在制板的尺寸，越大的在制板尺寸，其尺寸偏離也就越大。在層壓過程中，背板每一層的介質(zhì)厚度和留下的銅含量也影響著尺寸變化。因此建議，每一層上盡可能多的保持些銅，可以采用虛假的連接盤以平衡各層的銅覆蓋程度，這將有助于保證層之間相對尺寸穩(wěn)定性。粘結(jié)片（Prepreg）疊加數(shù)量及其Reology特性和層壓參數(shù)隋別是升溫速率與壓力大小）也影響著尺寸穩(wěn)定性。采用減小粘接片的疊片數(shù)及其樹脂流動度等級可以達(dá)到改善的結(jié)果。一旦介質(zhì)厚度確

8、定之后，不允許對粘接片采用最佳的疊加層數(shù)及其類型了。事實上，設(shè)計者可以要求特定的材料，在這種情況下，其尺寸穩(wěn)定性分析應(yīng)重新開始進(jìn)行。（三）背板尺寸和重量對輸送系統(tǒng)的要求與常規(guī)PCB生產(chǎn)不同，背板與眾不同的特性要求生產(chǎn)設(shè)備要世界領(lǐng)先。PCB的生產(chǎn)設(shè)備普通的是24x24英寸，但是對于當(dāng)今用戶尤其是電信用戶來說，背板的普通尺寸也已經(jīng)不能滿足需求，這種需求的產(chǎn)生大大推動了大尺寸板生產(chǎn)工藝的發(fā)展。工程師們絞盡腦汁，為了滿足人們的需求，解決存在的各種問題，在普通背板的基礎(chǔ)上增加了背板的層數(shù)。 背板中銅層厚度的增加是為了保證有大功率的應(yīng)用卡插入卡槽時，有足夠的電流來保證應(yīng)用卡的正常工作。這就導(dǎo)致背板的質(zhì)量約

9、來越大，在生產(chǎn)背板時，用于運(yùn)輸背板原材料的輸送帶之類的東西必須能保證安全。在厚度和層數(shù)這兩方面，對傳送系統(tǒng)的要求近乎苛刻，要求其不但能毫發(fā)無損的傳送厚度小于0.10mm的大規(guī)模板片，而且還能轉(zhuǎn)送10mm、25kg的板，傳送期間還不能出任何的問題。層中板的厚度為0.1m，但是成品背板的厚度是10mm，兩者相差100倍，這就是說，傳送系統(tǒng)必須有足夠大的強(qiáng)度來保證各個部件的絕對安全。由于背板在厚度和鉆孔數(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通PCB，極其容易造成加工液的流出。舉個例子來說，30000個鉆孔10m厚的背板能毫不費(fèi)力地把少許僅靠表面張力吸附在導(dǎo)孔中的加工液帶出。故，采取高壓沖洗和空氣送風(fēng)機(jī)法來清洗鉆孔是非常重

10、要也是極為重要的。（四）熱吸收問題由于背板有較大的尺寸和較多的層數(shù)，因而在層壓過程中背板比起常規(guī)PCB具有吸收更多的熱量。因此，為了生產(chǎn)出完全固化的背板，應(yīng)當(dāng)修改其層壓周期以滿足樹脂制造商建議的固化之條件。（五）控制特性阻抗導(dǎo)線當(dāng)設(shè)計控制特性阻抗線時，則生產(chǎn)過程將變?yōu)楦訌?fù)雜了。在這種狀態(tài)下，減少導(dǎo)線寬度誤差規(guī)定和嚴(yán)格介質(zhì)層厚度誤差將提出了要求。因此在圖像轉(zhuǎn)移和蝕刻的加工窗口應(yīng)更嚴(yán)格。底片上線寬的補(bǔ)償，光敏抗蝕劑的曝光均勻性，為了達(dá)到更好線寬均勻性，特別是在制板的周邊與中心部位之間的導(dǎo)線均勻性，應(yīng)調(diào)整蝕刻機(jī)結(jié)構(gòu)。蝕刻機(jī)的調(diào)整，包括噴嘴結(jié)構(gòu)，對每排噴射不同的壓力或流動等級（程度）的編組（setu

11、ps）和擺動。（六）層的對位為了滿足用戶對背板層數(shù)的需求，毫無疑問，層數(shù)增加了，但是層與層之間的對位就是一個非常大的難題了。層層對位要求滿足公差收斂。但是又一個難題出現(xiàn)了，板的尺寸也在發(fā)展中不斷變大。在一定的環(huán)境中，要求前圖和后圖對位公差波動為上下0.0125mm，就是通常說的0.0005英寸。我相信，除了CCD攝像機(jī)能滿足這一需求，再沒有什么攝像機(jī)能在如此的精密度下工作了。在利用一些特殊的技術(shù)對板件“塑形”以后，就要穿孔了，這又是有特殊要求的，要用四鉆孔系統(tǒng)。穿過芯板時，其位置的精密度在上下0.025mm，可重復(fù)能力為上下0.0125mm。取用適當(dāng)大小的針銷，用于“塑形”后的內(nèi)層對位，也用于

12、將內(nèi)層粘合在一起。一開始的時候，“塑形”后用針銷穿孔完全能滿足對鉆孔與板對準(zhǔn)的需求。后來隨著用戶要求的提高，到了現(xiàn)在，用戶要求在PCB走線方面能在更小的面積內(nèi)完成更多的線路，這中間要考慮的是成本問題，為了使板子成本不變，銅板的尺寸就要盡量縮小，以達(dá)到層間銅板更好的對位。實現(xiàn)這一夢想，購置X光鉆孔機(jī)是必不可缺的，它能在1092x813m的板子上鉆一個孔，使其精確度達(dá)到上下0.025mm。對于購置X光鉆孔機(jī)，用法有以下兩種：1、用x光機(jī)認(rèn)證分析計算每層上的銅板，利用已有的鉆孔來尋找最佳位置。2、記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析對位數(shù)據(jù)相對于理論值所產(chǎn)生的偏差跟發(fā)散的程度。將這種SPC數(shù)據(jù)上傳到之前的加工步驟，如

13、選擇原材料、加工參數(shù)和布圖繪制等方面，用于減小不必要的誤差，促進(jìn)生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步。雖然電鍍這一工藝與所有的標(biāo)準(zhǔn)鍍工藝都相似，但是對于背板的獨(dú)有的特性來說，不可忽視的點(diǎn)有兩個。夾具和傳送設(shè)備要能在同一時間傳送大尺寸板和大質(zhì)量板。1092x813mm尺寸的原材料板的質(zhì)量為25kg，。在傳送時，板件必須保證能夠被嚴(yán)格地抓牢。加工箱要足夠深，以至于能夠?qū)寮麄€容納進(jìn)去而不影響原有的均勻的電鍍特性，保持原有的屬性。以前，很多用戶都為背板配置指定的壓配連接器，造成過度依賴電鍍均勻性的現(xiàn)狀。背板厚度產(chǎn)生定量變化時，即產(chǎn)生0.8mm到10.0mm的變化量，寬高比的改變以及板件的規(guī)格的變大，造成電鍍均勻

14、性的指標(biāo)變得空前重要。只有使用周期性反向電鍍控制設(shè)備，即“脈沖”，才能達(dá)到人們對于電鍍均勻性的要求，與此同時，攪拌無疑會幫助增加電鍍的均勻性。設(shè)計背板的工程師們除了對鉆孔要求電鍍均勻外，還對外層的銅板的均勻性有著不同的看法和要求。其中有一部分人在外層上幾乎不設(shè)計信號線路，而有的人，幾乎是大多數(shù)人，為了滿足對高速數(shù)據(jù)率和阻抗控制線路的需求，外層上的近乎固態(tài)的銅板設(shè)計是非常必要的，以作EMC屏蔽層之用。三、對PCB背板制造問題的追蹤三、對PCB背板制造問題的追蹤比起常規(guī)PCB尺寸大得多的背板要求有特別的內(nèi)行才行，這是由于需要比常規(guī)技術(shù)規(guī)范和其它因素要多，同時制造背板要求有特殊的設(shè)備，特別的專門技術(shù)

15、和嚴(yán)格的檢查和校驗的機(jī)器，才能保證高質(zhì)量成品的背板。因此，本文接下來將對PCB背板在制造過程中可能存在的問題進(jìn)行了追蹤，現(xiàn)將相關(guān)情況如下進(jìn)行描述：（一）電鍍背板的主體元件是它的連接器（connectors）。因此，對背板采用波峰焊接是困難的，甚至是不可能的，因為背板尺寸大而厚，焊接工藝有種特殊的要求，它需要很大的熱容量。焊接過程中，在用于焊接的材料充滿通孔以前，早已經(jīng)固化了，這種情況會造成接插件的引腳也就是通常說的插件無法正常形成焊接點(diǎn)兒。背板上有很多的連接器，它的組裝采用的是壓插技術(shù)，插件用電氣連接至沒有焊接材料的電鍍孔中。插件的形體與平常所認(rèn)識的插件不同，大多數(shù)情況下它是采用的銳邊的多邊形

16、的結(jié)。在插接的時候，有時候為了突出這種差異，在普通PCB時電鍍銅厚度一般是0.001英寸，而且最終的孔徑誤差為上0.10mm、下0.05mm。背板與普通PCB相比，導(dǎo)通孔電鍍銅厚度將是普通電鍍銅厚度的2倍甚至是3倍，但是最終的孔徑誤差縮小到了上下0.05mm，有時候甚至是更小。如果采用常規(guī)的電鍍工藝，要想達(dá)到這種誤差基本是不可能的，況且這種普通的電鍍工藝要想達(dá)到這種厚度是非常困難的。依照理論的電化學(xué)說法，制板邊緣處相比于中心位置會有更多的電鍍沉積，這是因為電場線在控制鍍液中銅離子的轉(zhuǎn)移和沉積方面會或多或少的受到其他無法避免的偶然或者必然因素的影響。這種“邊緣效應(yīng)”是由于遠(yuǎn)離陽極的電力線形成聚集

17、于邊緣的實際結(jié)果而引起的。這些電力線使銅離子流向在制板邊緣，因而在邊緣沉積而具有更厚的鍍銅層。因此，在制板上邊緣區(qū)域的孔比起中心區(qū)域的孔鍍有較厚的銅層。人們通常所說的狗骨效應(yīng)指的是在電鍍時因制板位置所在平面與兩個陽極排所在平面平行，導(dǎo)致制板上的孔的法線與陽極排所在的平面垂直，從而造成在孔的入口處鍍層相對于孔內(nèi)中心處鍍層較厚的現(xiàn)象。通常來說，制板的厚徑比增加的時候，狗骨現(xiàn)象也會相應(yīng)的加劇。這種現(xiàn)象造成在一些甚至說是不在少數(shù)的孔上鍍層的厚度和最終的孔徑會很難符合技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。解決這種狗骨現(xiàn)象的方法一直沒有很好的辦法，假如減小電路密度，沒錯，能減輕狗骨現(xiàn)象，但是生產(chǎn)率會大打折扣。近些年，很多制造背

18、板的廠家在周期性反向脈沖電鍍法上投入了大量的人力、財力、物力以便能夠在改變改變制板表面和孔內(nèi)鍍層厚度均勻度上取得技術(shù)性的突破。但是這種電鍍技術(shù)難度實在是太大，不但鍍液和電源要特質(zhì)，還需要專業(yè)的技術(shù)人員甚至是工程師來親自選定最佳的脈沖電鍍參數(shù)。（二）檢測為了滿足用戶需求，背板層數(shù)增加了，這就要求在粘合之前對內(nèi)層的各個刻蝕層進(jìn)行精密的檢查，存在缺陷的給予改正或者直接淘汰。在控制背板阻抗和重復(fù)性時，蝕刻線的寬度和厚度還有公差這些參數(shù)是很重要的。目前最好的方法是采用AOI法去匹配蝕刻圖案與設(shè)計數(shù)據(jù)。利用AOI對線寬公差設(shè)定后，通過阻抗模型，影響和改變阻抗對線寬變化的反應(yīng)強(qiáng)度。背板發(fā)展到了現(xiàn)在的大尺寸多鉆孔階段，包括其身上的有源回路，兩者促成了元件裝填前的嚴(yán)格檢驗工序，包括裸板和元件，這是十