高速材料板厚均匀性研究

李 智（深南电路有限公司，广东 深圳 518053）

高速材料板厚均匀性研究

李 智
（深南电路有限公司，广东 深圳 518053）

板厚均匀性是高速PCB产品性能的一个重要的影响因素。文章主要从高速PCB产品工程设计上，结合试验验证，系统的分析了不同工艺边、图形分布和残铜率对现有高速PCB产品板厚均匀性的影响，为后续高速PCB产品板厚控制能力的提升奠定基础。

板厚；工艺边；残铜率

随着电子行业朝高端化发展，作为支撑其主体的PCB也随之发展，表现为对生产技术要求越来越高，对生产设备要求越来越苛刻，对尺寸控制要求越来越严格等。板厚均匀性，是衡量PCB板尺寸的一个重要指标，其不仅影响板件的装配使用，在PCB制程中，对阻抗能力、控深工艺等都有直接影响。目前通信时代的快速发展对高速PCB产品的Stub值控制要求越来越高，而我公司常规板厚范围（1.0 mm≤T ＜4.0 mm）板厚控制能力只能到达10%，而高速产品板厚均匀性的水平也没有做过系统的分析，对我公司高速PCB产品阻抗能力、背钻Stub控制能力的提升有着直接的制约。本文主要从高速PCB产品工程设计上，结合试验验证，系统的分析了我司现有高速PCB产品板厚的控制能力。

1 板厚影响因素分析

影响高速产品板厚均匀性的主要因素有很多，涉及面广，控制要点多。我司高速材料PCB产品压合的压机选择为BK压机，其压合性能由设备本身能力所决定。PP和芯板来料厚度均匀性由来料决定，暂时不讨论。而板件PP配置和叠层结构是由客户设计确定，难以进行优化。因此，主要在我公司现有设备和生产条件下，从内层工艺边设计、图形分布和残铜率三个影响板厚均匀性的重要因素方面，设计实验板进行具体研究。

2 试验设计

2.1 板件设计

2.1.1 内层图形设计

板件设计为26层板件（图1），设计板厚3.5 mm，材料M 4。芯板板厚0.165 mm，2张1080PP。

图1 　层压结构图

2.1.2 内层图形设计

板件（图2）分为A、B、C、D、E5个附连板（Coupon）区域。其中每个区域又分别分为四块。其中第2象限附连板每层图形设计；第1象限隔一层图形设计；第3象限隔四层图形设计。详见图6所示。

图2 CAD图示

2.1.3 残铜率设计

目前我司常规的残铜率设计为20%～70%。因此设计如右图所示的四种附连板图形，残铜率分别为71%、51%、21%和9%。

图3 ABE附连板各层次图形设计图

2.1.4 板件内层工艺边框设计

板内内层工艺边框分两种设计，如图4、图5所示。具体排列详见CAD图纸。

图4 阻流PAD式工艺边（我司现有设计）

图5 墙砖式工艺边

2.1.5 板件叠层方式设计

选择BK 1压机同一个开口加工测试板件，压合参数相同，叠3层。压合结束后将ABE附连板铣出，使用千分尺测量确认3层板件共6PNL板件板内附连板的板厚均匀性，并对数据进行分析。

2.1.6 内层流程

下料——内层图形——内层蚀刻——内层冲槽——内层检验——棕黑化

2.1.7 外层流程

配板——层压——外层钻靶——铣边

3 试验过程

3.1 压合条件

（1）PP和芯板使用现有的物料，不做特殊控制和挑选；

（2）压合时选用BK压机3压合，压合曲线按我司现有压合参数设定；

（3）测试6PNL板件，叠2PNL，叠3层。

3.2 数据收集

（1）外形将板内图形试样条铣出，然后使用千分尺分别测量左中右三个位置三个数据并记录，每PNL共计76个试样；

（2）对板件边框分别按墙砖式工艺边和阻流PAD工艺边测量进行数据收集。

4 结果分析

4.1 工艺边对比结果

采用不同的工艺边，在近板边位置，采用墙砖式工艺边的板厚均值比采用阻流PAD式的工艺边板厚厚0～0.03 mm。从数据分析来看，阻流PAD式工艺边板边板厚CPK为2.69，而墙砖式工艺边板边板厚CPK 为3.4。由于墙砖式工艺边流胶少于阻流PAD式工艺边，板边板厚的均匀性墙砖式较优。

4.2 板内板厚均匀性

根据工艺边设计，将从附连板位置、不同层数内层图形设计和残铜率三个维度对板内板厚的均匀性进行数据分析。下图为板内具体设计布局。

图6 板内附连板设计结构和分布图

4.2.1 附连板位置

（1）相同设计单个附连板对比 。

选择A区域（阻流PAD工艺边）1-4号附连板和E区域（墙砖式工艺边）61-64号附连板板厚对比如图7。

分别对比设计结构完全一致的A区域1-4号附连板和E区域61-64号附连板板厚的数据，可以发现：

图7

① 采用墙砖式工艺边的附连板板厚均匀性比才用阻流PAD工艺边板厚均匀性较好；

② 采用墙砖式工艺边板厚比阻流PAD工艺边板厚整体偏大约0.030 mm。

（2）A区域（阻流PAD工艺边）和E区域（墙砖式工艺边）附连板板厚对比。

从A、E区域板厚均匀性进行分析：

① 阻流PAD工艺边区域附连板板厚公差为± 2.83%，其CPK为2.91，整体比较集中。

② 墙砖式工艺边区域附连板板厚公差为± 3.1%，其CPK为2.92，整体比较稍差。

（3）其他区域附连板板厚对比。

① C区域（中心区域）板厚均匀性最好，CPK达到5.63且集中性非常好；

② B/D区域（混合区域）板厚均匀性也＜±3%，CPK分别达到3.26和3.09，集中性稍差。

③ 与A/E区域同比，五个区域最好的为C区域（中间），四角位置相差不大，跟工艺边设计影响关系不明显。分析原因为工艺边只影响板边的板厚均匀性，这个前期光板的研究结果也是相符的。

4.2.2 不同残铜率

（1）残铜率71%区域板厚公差±2.94%，CPK能力达到2.9；

（2）残铜率51%区域板厚公差±2.79%，CPK能力达到3.30；

（3）残铜率21%区域板厚公差±3.28%，CPK能力达到3.25；

（4）残铜率9%区域板厚公差±1.53%，CPK能力达到3.47。

从不同残铜率附连板（包含不同内层图形设计结构）板厚结果来看，残铜率影响板厚的实际厚度，随着残铜率的减小，板厚减小，板厚均匀性无明显规律。板厚均匀性公差范围＜±4%。

4.2.3 不同图形设计

（1）每层图形设计区域板厚公差±3.62%，CPK能力达到2.65；

（2）隔两层区域板厚公差±2.64%，CPK能力达到2.71；

（3）隔四层图形设计区域板厚公差±1.83%，CPK能力达到3.32；

（4）中间两层和次外层板厚公差±1.65%，CPK能力达到3.81。

从不同内层图形设计附连板（包含不同残铜率）板厚结果来看，其影响板厚的均匀性，随着图形设计层次的减小，板厚均匀性逐渐减小。板厚均匀性公差范围＜±4% 。

4.2.4 不同图形设计和残铜率组合分析

（1）每层图形，随着残铜率的降低，板厚会降低，板厚均匀性相差范围＜6%；

（2）隔两层图形，随着残铜率的降低，板厚会降低，板厚均匀性相差范围＜6%；

（3）隔四层图形，随着残铜率的降低，板厚会降低，板厚均匀性相差范围＜4%；

（4）中间层和次外层，随着残铜率的降低，板厚会降低，板厚均匀性相差范围＜3%。

4.2.5 重复验证结果

（1）第一次测试科邦板厚数据来看，公差为± 3.1%，CPK为3.21；

（2）第二次重复验证数据结果来看，公差为± 3.29%，CPK为2.31。

第二次重复验证的板厚均值比第一次整体厚约40 μm，且第二次CPK相比第一次稍差。两次压合的参数、压机一致，PP和芯板的来料和钢板也不一致，可能跟后者相关。

将第一次和第二次验证结果综合来看，平均值3.501，最大值3.672，最小值3.363，公差±4.41%，CPK1.99。验证结果在预研目标±5%公差以内。

5 结论

通过不同工艺边、图形结构设计和残铜率的对比试验验证可以发现：

（1）墙砖式工艺边的板边板厚均匀性整体优于阻流PAD式工艺边板边板厚；而板内板厚均匀性公差相差不大。

（2）在目前常规的残铜率和图形设计结构状况下，板厚公差能力可以满足＜±5%的公差要求。

（3）残铜率对板厚均匀性的影响小于内层图形结构设计的影响。

①在相同残铜率的情况，内层图形设计越多均匀性越差；

②相同图形设计结构的情况下，残铜率对板厚的影响不大。

后续可以在现行阻流PAD式工艺边设计的前提下，进一步研究不同图形结构设计条件下高速材料的板厚均匀性的规律，找出改善措施。

李智，技术部工艺高级工程师，负责钻孔、外形工序现场技术。

Research on a novel technology for backdrilling

LI Zhi

Plate thickness uniform ity is an important factor influencing the performance of high speed PCB products. This article systematically analyzes the different process frame， graphic distribution and residual copper rate of our existing high-speed PCB product thickness uniform ity influence mainly from the high speed PCB product engineering design and combined w ith the experimental verification， and lay the foundation for the subsequent high speed PCB products to enhance the capacity of the plate thickness control.

Plate Thickness； Process Frame； Residua l Copper Rate

TN41

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1009-0096（2015）12-0020-04