奮力實現技術超越—超厚銅PCB製作工藝研究

1.前言

 

隨著汽車電子以及電源通訊技術的快速發展，4-10OZ及其以上超厚銅箔電路板逐漸成為一類具有廣闊市場前景的特殊PCB板，受到越來越多的線路板製造商的關注，同時伴隨著印製電路板在電子領域的應用越來越廣，設備對印製板的功能要求也越來越高，我們的印製電路板將不僅要為電子元器件提供必要的電氣連接以及機械支撐，同時也逐漸被賦予了更多的附加功能，而能夠將電源集成、提供大電流、高可靠性的超厚銅箔印製板逐漸成為PCB行業研發的熱門產品，該產品多用於軍工產品。

 

目前行業內做的比較多的印製板的銅箔厚度通常在1OZ～3OZ之間，而對於成品銅厚達10OZ及以上的超厚銅PCB的製作報導卻幾乎沒有，捷多邦PCB主要針對10OZ超厚銅PCB的製作工藝以及製作過程中一些關鍵工序的控制了跟進，最終找到了較為理想的製作超厚銅PCB的工藝路線和工藝條件。

 

在線路板設計中，對於高電壓大電流的產品而言，捷多邦PCB線路板的銅箔厚度起到極其關鍵的作用，那麼我們怎麼知道我們採購回來的電路板銅厚是否達到了要求呢？

 

在深圳線路板生產廠家中，我們表達銅箔厚度的單位是oz，oz是ounce的縮寫,中文是「盎司」的意思,它是重量單位，1OZ=28.35g。而在線路板行業中，1 ounce(oz)定義引申為：一平方尺面積單位覆蓋銅箔重量1oz(28.35g)的銅層厚度，根據銅的密度及質量等關係，可以求得結果為：1oz=1400微英寸也就是35.56um 。所以在線路板行業中，oz被變成了厚度單位，1oz代表35um的銅箔.

 

在PCB採購時，有雙面板，多層板，那麼我們怎麼知道PCB每一層的銅箔是多少呢？有一種很直白的表示方法：在有銅的那一層寫成數字，沒有的寫「0」，每一層之間用「/」隔開。比如：1/1OZ就表示兩層1OZ的銅箔，也就是說，雙面板，每層銅箔為1OZ；1/2/2/2/2/1OZ，有六個數字，代表六層板，最外層兩個「1」，代表外層為1OZ，中間四個「2」，代表內層有四層，並且都是2OZ的銅箔；而如果是1/2/1/1/2/1oz，則代表六層板，外層為1OZ，內層第2，5層為2OZ，內層3，4層為1OZ，直接按順序數就好了。還有我們平時會見到「H/Hoz"代表什麼呢？H是英文「HALF」的縮寫，代表一半，也就是1/2OZ。

 

如果全部以「um」做單位，結果如下： Hoz=17.5um;1oz=35um;2oz=70um;3oz=105um;4oz=140um,依此類推。

 

銅箔厚度的檢測方法有二： 一是物理破壞法，把線路板的邊角位置切一小塊下來，通過做切片的方式，灌膠，研磨，然後在顯微鏡下面進行測量，這種方法測量結果準確，結果是要進行破壞性實驗，只要執行就意味著報廢，並且時間長，相應配套設備要求多；二是直接用專用的面銅測厚儀 - CMI 165進行測量，具有測量精確簡易，質量可靠的特點。直接手持在銅面壓下去就可以，對於一般客戶要求而言，CMI165面銅測厚儀足以達到要求。

 

2.實驗

 

2.1實驗物料及設備

 

   （1）FR-4基材，其中板厚為1.6mm，銅厚為4OZ；

 

   （2）我司製作PCB的常規設備；

 

2.2流程設計

 

本次實驗是製作成品銅厚達10OZ的雙面印製電路板，具體的實驗流程如圖1所示：

 

 

圖1 整體製作流程

 

對於流程中 「圖形轉移▲→圖形電鍍▲」，本次實驗設計了三種製作方案：

 

方案一：溼膜法，其主要製作思路為：利用溼膜良好的填充性將板面鋪平然後進行圖形轉移，接下來電鍍兩個循環，加厚大約2OZ的厚度，也即是以2OZ的厚度疊加，具體流程如圖2所示。

 

 

圖2 溼膜法

 

Fig.2 Wet film method

 

方案二：一次幹膜法，其主要製作思路為：貼幹膜之後進行LDI線路製作，然後再電鍍一個循環，加厚大約1OZ的厚度，即以1OZ的厚度疊加，具體流程如圖3所示。

 

 

 

 

圖3 一次幹膜法

 

Fig.3 Dry film once

 

方案三：兩次幹膜法，其主要製作思路為：第一次貼幹膜之後進行LDI線路製作，然後電鍍一個循環（大約有1OZ的厚度），此時幹膜與線條基本水平，接下來再次貼幹膜進行LDI線路製作，然後再電鍍一個循環（大約1OZ的厚度），即以2OZ的厚度疊加，具體流程如圖4所示：

 

 

 

 

圖4 兩次幹膜法

 

Fig.4 Dry film twice

 

3.結果與討論

 

3.1工藝流程的優化

 

 

 

圖5 溼膜法疊加一次的線路切片圖

 

圖5為方案一所設計的溼膜法疊加一次所得到的線路切片圖，從圖中可以看到線路呈典型的「蘑菇狀」，且兩次線路出現比較明顯的錯位，分析兩次線路產生錯位的主要原因在於用溼膜進行圖形轉移時需要用到菲林，而人工用菲林對位時其對準度難以得到保證；而線路呈現「蘑菇狀」主要是由於人工印刷的溼膜厚度較薄（1/3OZ左右），後期電鍍上的銅（厚度為2OZ左右）凸出線條造成的。 

 

 

圖6兩次幹膜法疊加兩次的線路切片圖 

 

  

 

圖7兩次幹膜法疊加三次的線路切片圖

 

 

圖8 10OZ線路切片圖  

 

   

 

圖9 10OZ線路切片圖

 

圖6為方案三所設計的兩次幹膜法疊加兩次所得到的線路切片圖，圖7為方案三所設計的兩次幹膜法疊加三次所得到的線路切片圖，圖8、圖9為方案三所設計的兩次幹膜法疊加四次所得到的10OZ線路切片圖，從這幾個圖中可以看出線路的對準度良好且沒有出現「蘑菇狀」的線條，相比於溼膜法製作的線路得到了很大的改觀，分析其原因在於用幹膜法製作線路時用的是LDI對位，在線路的對準度上能夠得到保證，且由於幹膜的厚度為1OZ左右，而電鍍一個循環也只能加厚1OZ左右的厚度，因而電鍍的時候基本不會出現「蘑菇狀」線路。

 

方案二中的一次貼幹膜法製作的線路在對準度上相比於方案三中的兩次貼幹膜法製作的線路要差一些，主要原因在於用一次貼幹膜法製作線路時其阻焊對位為7次，而用兩次幹膜法製作線路時其阻焊對位次數僅為4次，很明顯人工阻焊對位的次數越多，「線路的錯位就越明顯，另外阻焊對位的次數越多，製作周期也就越長，因而從品質以及交貨期兩方面考慮，方案三要比方案二更可取一些。

 

通過以上的分析可以看出方案三（也即是兩次貼膜法）是製作超厚銅箔線路板的較為理想的工藝流程。

 

3.2特殊工序的控制

 

3.2.1 圖形電鍍

 

    通過圖形電鍍來加厚線路的銅厚，使得線路與幹膜持平以利於下一次貼幹膜。圖形電鍍的電流要比實際計算出的電流值略小一些，一般以小2～3A為宜，並且要適時的用手試一下板面的平整度，以免電鍍上的銅凸出線條而呈現「蘑菇狀」，另外在電鍍的時候要在板的周圍夾上分流條同時顛倒印製板的方向來提高鍍銅的均勻性。

 

3.2.2 阻焊

 

方案三的製作流程中，在最後一次印阻焊之前，前期印刷的阻焊油墨主要是用來鋪平板面以利於後期幹膜能貼緊，如圖10所示：

 

 

具體操作時要控制好以下幾個方面：

 

① 採用兩次印油的方式做板，第一次使用43T的網版，靜止時間做適當的延長,以便於消除線路間的氣泡，預烘後再使用77T的網版進行第二次印油，正常靜止後烤板。其中在靜置和烘板時，板子應該水平放置，以防垂流。

 

② 曝光時，其能量要比普通板的曝光能量略低一些，曝光級數控制在10級左右，防止因光散射而產生顯影不淨,進而導致油墨進入圖形造成明顯「階梯狀」線路的產生。

 

3.2.3 阻焊後固化

 

阻焊後固化時，要進行分段固化且在最高溫度（150℃）下要加烤30min。其原因在於阻焊之後的板子接下來要進行沉銅，如果油墨後固化不充分，那麼其耐熱、耐化學性能都會很差，沉銅槽中的強鹼性物質就會與油墨中沒有固化完全的酸性樹脂反生中和反應，造成油墨脫落。

 

3.2.4 沉銅、板電

 

沉銅之前要過機械前處理，以提高板面的粗糙度，增大其比表面積，進而提高沉銅層與板面的結合力。在沉銅的過程中，板子在溶脹槽和除膠渣槽中的時間不能太久，一般以5～7min為最佳，此時板子已有足夠的活性，如果時間再延長，那麼油墨就有可能耐不住強鹼的侵蝕而造成阻焊層脫落。

 

板電之前要將板子放在100℃下烤1h，以除去沉銅層與阻焊層之間溼氣，進而提高二者之間的結合力，防止板電之後銅層起泡而造成脫落。板電時，以1.2ASD的電流密度鍍一個循環，此時表面銅厚可以達到1/3OZ左右。

 

3.2.5 關鍵工序蝕刻

 

    一般覆銅箔板材，表面銅箔厚度為HOZ～2OZ，但對於厚銅箔印製板來說，其表面銅箔厚度達到了3OZ以上，在進行蝕刻時就不可避免的要採用多次蝕刻的方法，蝕刻的次數越多其側蝕也就越嚴重， 對線路的精度影響也就越大。

 

對於本次實驗試驗而言，後期逐層疊加上去的線路是在沉銅、板電（大約1/3OZ的銅厚）的基礎上製作的，也即是說在進行圖形蝕刻時，需要蝕刻掉的底銅厚度只有1/3OZ左右，此時基本上不存在側蝕。而需要重點考慮的是以4OZ的底銅下料進行圖形蝕刻時的側蝕量，這就需要我們對線路進行適當的補償，以彌補其側蝕量，使線條的精度滿足設計的要求。表1列出了銅箔厚度與單邊側蝕量之間的關係

 

 

表1 銅箔厚度與單邊側蝕量之間的關係

 

Table.1 The relationship between copper foil thickness and unilateral erosion

 

一般來說，我們以蝕刻因子作為定量衡量蝕刻質量和蝕刻線蝕刻能力的指標[2]，蝕刻因子越小表示側蝕量越大，反之，蝕刻因子越大則表示側蝕量越小，蝕刻因子的計算標準及方法如圖11所示：

 

 

 

 

圖11 蝕刻因子的計算標準及方法

 

通常客戶要求的蝕刻因子要達到3.0以上，圖12為4OZ底銅經過圖形蝕刻之後的線路切片圖形，經計算其蝕刻因子達到了3.5，線路的精度完全能夠滿足客戶設計的要求。

 

 

 

圖12  4OZ底銅製作的線路切片圖形

 

4.結  論

 

⑴ 通過貼兩次幹膜逐層疊加線路的方法是製作超厚銅PCB板較為理想的工藝路線，其不僅能夠保證線路的對準度，同時也能有效的避免「蘑菇狀」線路的出現。

 

⑵ 通過圖形電鍍來加厚線路的銅厚，其電流值要比實際計算出的略小2～3A；通過阻焊油墨鋪平板面，其曝光能量要比普通板略低一些；阻焊後固化時，要進行分段固化且在最高溫度（150℃）下要加烤30min；沉銅之前要進行機械前處理，並要適當的縮短板子在溶脹和除膠渣槽中的時間；以4OZ的底銅製作線路時，要對線路做適當的補償，以彌補其側蝕量；在實際的生產製作過程中，必須控制好這些關鍵工序，這樣才能得到外形良好，線路精確的超厚銅PCB板。

 

5. 銅厚檢驗

 

以下是捷多邦PCB厚銅PCB的切片報告

 

5.1雙面4oz銅厚PCB，面銅厚度138.92um,孔銅厚度64.36um(1.84oz)

 

 

5.2六層板4/1/1/1/1/4oz,面銅厚度135.5um  孔銅厚度達88.13um

 

 

5.3雙面板 頂底層銅厚6oz,面銅厚度達223.72um，孔銅厚度達184.64um

 

 

5.4雙面板10OZ銅厚，面銅厚度達345.77um,孔銅厚度達264.23um

 

 

5.5四層板銅厚6/5/5/6oz

 

 

 

 

 

 

關鍵字：超厚銅PCB 編輯：muyan 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/manufacture/ic463926.html 本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有，本站採用的非本站原創文章及圖片等內容無法一一聯繫確認版權者。如果本網所選內容的文章作者及編輯認為其作品不宜公開自由傳播，或不應無償使用，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以迅速採取適當措施，避免給雙方造成不必要的經濟損失。