18層PCB采用的高頻材料及制造過(guò)程中應(yīng)用的技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，電子信息技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)電子產(chǎn)品應(yīng)用的要求越來(lái)越高。電子產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種功能使印刷電路板（PCB）朝著新的方向發(fā)展。一方面，電子產(chǎn)品中越來(lái)越多的集成元件和整體尺寸的小型化使得電路板具有高密度，高精度和高集成度，這引起了從簡(jiǎn)單的多層PCB到HDI PCB的轉(zhuǎn)變。另一方面，電子產(chǎn)品需要高速，低損耗，低延遲和高保真（HiFi）信號(hào)傳輸，并且必須兼容高功耗的高功耗環(huán)境，要求PCB與高功率相關(guān)。頻率和高功耗熱設(shè)計(jì)以及高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。

為滿足需求和市場(chǎng)趨勢(shì)，高頻，高散熱和高密度互連設(shè)計(jì)的技術(shù)已經(jīng)接受現(xiàn)代PCB行業(yè)最受關(guān)注，并將成為未來(lái)的領(lǐng)先發(fā)展趨勢(shì)。

在本文中，我們采用18層PCB（多層電路板，包含眾多先進(jìn)設(shè)計(jì)，包括采用高頻材料作為研究實(shí)例的多次背鉆，高縱橫比樹脂堵塞通孔和高散熱通孔，詳細(xì)介紹了該電路板制造過(guò)程中應(yīng)用的技術(shù)，如樹脂堵塞通孔，stac King up，高密度鉆孔和背鉆。

高頻和高速多層PCB結(jié)構(gòu)特征和材料

結(jié)構(gòu)特征

為了充分了解高頻和高速多層PCB的結(jié)構(gòu)特征，可以參考下表和圖。

基板材料

高頻，頻帶至少為300MHz的信號(hào)（相當(dāng)于波長(zhǎng)否超過(guò)1m），可根據(jù)不同波長(zhǎng)進(jìn)一步分為中頻（MF）和甚高頻（VHF）。波長(zhǎng)至少為1GHz的電磁波通常稱為微波。由于PCB的主要功能由基板材料決定，因此高頻特征的基板材料將應(yīng)用于高速和高頻PCB。高頻基板材料必須滿足以下要求：
a。介電常數(shù)（ D k ）應(yīng)小而穩(wěn)定（一般來(lái)說(shuō)，越小越好）?；谛盘?hào)傳輸速率與材料介電常數(shù)的平方根成反比的原理，高介電常數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致延遲信號(hào)傳輸。
b。在信號(hào)傳輸質(zhì)量方面，介電損耗（ D f ）也應(yīng)該很小。較小的 D k ，信號(hào)損失較小。
c。銅箔應(yīng)具有低粗糙度的表面，以避免阻抗控制不匹配和由趨膚效應(yīng)引起的信號(hào)損失。用于高頻和高速PCB的基板材料應(yīng)具有低吸水性。水的介電常數(shù)為70，當(dāng)基材吸收更多水分時(shí)，該數(shù)量將增加。因此，阻抗控制的修改將導(dǎo)致執(zhí)行不良的信號(hào)傳輸。銅箔應(yīng)符合相對(duì)較高的剝離強(qiáng)度，這種剝離強(qiáng)度不應(yīng)僅僅因?yàn)楸砻娲植诙鹊投艿綋p害。基板材料在尺寸穩(wěn)定性，耐熱性，耐化學(xué)性，沖擊強(qiáng)度和可制造性方面也應(yīng)表現(xiàn)出色。

總之，在決定用于高頻和高速多層PCB的合適基板材料時(shí)，必須非常注意上述方面和項(xiàng)目。例如，下表詳細(xì)說(shuō)明了不同分銷商提供的基板材料之間的比較。

基于襯底材料介電常數(shù)，介電損耗的綜合比較， T g ，抗離子遷移性，耐濕性，可制造性和成本，我們使用材料C用于這種類型的高頻和高速多層印刷電路板。/p>

高頻和高速多層PCB制造工藝和解決方案中的問題

根據(jù)此類高的結(jié)構(gòu) - 頻率和高速多層電路板，結(jié)合PCB的實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)，制造工藝設(shè)計(jì)初具規(guī)模/p>

?通過(guò)制造進(jìn)行樹脂堵塞

問題描述

通過(guò)制造進(jìn)行樹脂封裝長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著PCB行業(yè)的工程師和制造商，尤其是高密度和高完整性的PCB產(chǎn)品。利用樹脂堵塞的通孔，人們一直期望能夠克服通過(guò)油堵通孔或堆疊樹脂堵塞通孔無(wú)法解決的缺陷。然而，由于樹脂堵塞通孔本身的特性和印刷電路板的結(jié)構(gòu)特征，在達(dá)到很多困難之前，永遠(yuǎn)無(wú)法獲得高質(zhì)量的樹脂堵塞通孔。

本文介紹的高頻高速多層印刷電路板是18層2.65mm板。符合樹脂堵塞通孔要求的最大層數(shù)為18層，通孔設(shè)計(jì)成多組，通孔直徑不同：0.25mm和0.5mm，最大縱橫比可以是11：1。由于包含高縱橫比和多通孔設(shè)計(jì)的PCB需要通過(guò)技術(shù)進(jìn)行普通插拔，不同尺寸的通孔需要不同的壓力水平，一方面，一些問題往往會(huì)導(dǎo)致包括通過(guò)下沉，內(nèi)腔，氣泡和油溢出，如圖3所示。另一方面，以后往往會(huì)導(dǎo)致不完全的樹脂清潔。一旦發(fā)生不完全的樹脂清潔，建議再進(jìn)行一次或兩次研磨。磨削次數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降，并導(dǎo)致質(zhì)量問題，例如變形板，銅厚度不足以及通孔口斷裂。

灣解決方案

在樹脂堵塞之前，必須對(duì)電路板進(jìn)行干燥，以確保通孔內(nèi)不存在水分，目的是通過(guò)通孔內(nèi)的水分阻止通孔銅和樹脂之間的分離。在使用之前，必須攪拌樹脂并進(jìn)行消泡，以消除樹脂內(nèi)部的氣泡并降低樹脂粘度。在這種情況下，將為具有高縱橫比的樹脂堵塞通孔創(chuàng)造機(jī)會(huì)。當(dāng)真空堵塞機(jī)用于樹脂堵塞時(shí)，必須完全堵塞具有高縱橫比的小通孔以阻止氣泡產(chǎn)生，從而確保樹脂堵塞通孔的質(zhì)量。

通過(guò)完成插入式過(guò)孔，必須在研磨前通過(guò)砂帶進(jìn)行階段烘烤，對(duì)樹脂進(jìn)行預(yù)固化。具體的烘焙參數(shù)總結(jié)在下表中。

嚴(yán)格遵循上表中列出的項(xiàng)目，可以禁止一些質(zhì)量問題，包括樹脂和銅之間的分離以及樹脂上的裂縫。此外，由于樹脂的不完全固化，可以產(chǎn)生有利的樹脂研磨條件，避免了一些問題，例如變形板和銅厚度不足。圖5顯示了一個(gè)出色的樹脂堵塞通孔，通孔平滑，通孔內(nèi)沒有氣泡或空腔，而圖6顯示了合格的樹脂研磨。

?堆疊

a。問題描述

層壓板是一種通常在PCB產(chǎn)品中見證的災(zāi)難。隨著無(wú)鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用，層壓板更頻繁地發(fā)生，特別是在高密度互連（HDI）板上。

本文中使用的這種類型的電路板是18層HDI PCB貫穿兩次堆疊。隨著高頻板材料的應(yīng)用，通過(guò)第1層到第18層設(shè)計(jì)了多組樹脂堵塞的掩埋通孔，它們密集分布，通孔之間的間距為0.26mm。結(jié)果，在通孔之間將形成弱的結(jié)合力。此外，樹脂與半固化片之間的結(jié)合力很弱，在高溫焊接后密集放置樹脂堵塞的通孔的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生層壓。

b。解決方案

在密集放置樹脂堵塞的埋入通孔的區(qū)域中，許多元素會(huì)導(dǎo)致層壓的發(fā)生。解決方案來(lái)自材料選擇，PCB制造，制造工藝等方面。

要考慮的第一個(gè)因素是堵塞油，基板材料和 T g 和CTE（熱膨脹系數(shù)）。當(dāng)它們之間發(fā)生相對(duì)較大的區(qū)別時(shí)，堵塞油和基質(zhì)材料將達(dá)到它們自己的 T g 溫度區(qū)間，并且在相同的加熱時(shí)間內(nèi)會(huì)引起不同程度的膨脹和升溫速度。因此，解決方案在于基于基材 T g 和CTE的最佳堵塞樹脂測(cè)定。

由于堵塞樹脂和預(yù)浸料之間的結(jié)合力有限，埋入的通孔區(qū)域的預(yù)浸料中的粘合劑效率低，并且樹脂研磨不完全，隨后的層壓仍然會(huì)由于層之間的粘合力差而導(dǎo)致。為了改善樹脂堵塞技術(shù)，應(yīng)在研磨之前進(jìn)行預(yù)固化，以使樹脂在完全凝固之前完全研磨，以便樹脂停止離開。必須再次設(shè)計(jì)預(yù)浸料堆疊，并且應(yīng)在樹脂堵塞密度區(qū)域涂覆含有高含量粘合劑的預(yù)浸料，以確保最終產(chǎn)品具有足夠的堆疊流動(dòng)粘合劑和耐熱性。

密集的通孔面積和板邊緣受到不良的鉆孔和銑削，層壓也可能由于機(jī)械應(yīng)力而引起。應(yīng)在密集的通道區(qū)域應(yīng)用全新的鉆孔刀片和樹脂鋁蓋。鉆孔和堆垛數(shù)量也應(yīng)減少，鉆孔時(shí)使用的烤板應(yīng)采用鉆頭彈跳。應(yīng)減少機(jī)械應(yīng)力，并應(yīng)改進(jìn)機(jī)械鉆孔，以減少其對(duì)板通孔結(jié)構(gòu)的影響。應(yīng)縮小工具過(guò)孔的數(shù)量，并控制銑刀的使用壽命和堆垛數(shù)量。

印刷電路板在制造過(guò)程中往往會(huì)吸收水分，吸收的水分會(huì)在后來(lái)的高溫下蒸發(fā)掉溫度在銅下膨脹，導(dǎo)致巨大的壓力。此外，樹脂與預(yù)浸料和銅層之間的粘合力很弱，從而易于發(fā)生剝離，層壓也會(huì)發(fā)生。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控和控制吸濕性。

?密集散熱孔制造

a 。問題描述

由于高頻，高速多層PCB需要高頻，高密度，高精度和高完整性，因此不能忽視散熱。一方面，與普通多層PCB相比，高密度，高精度和高完整性設(shè)計(jì)包含如此多的高密度組件。另一方面，HDI PCB的高頻，高速和高功能設(shè)計(jì)需要更大的功率。小空間和大功率肯定會(huì)給最終產(chǎn)品的散熱帶來(lái)挑戰(zhàn)，并嚴(yán)重影響PCB可靠性?；诮Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高頻高速性能，應(yīng)依靠高密度散熱孔設(shè)計(jì)。散熱孔，相當(dāng)于高密度金屬化孔，起到沿銅厚度方向穿過(guò)的薄銅導(dǎo)管的作用，使元件的熱量流向PCB的背面并快速傳輸?shù)狡渌纳印?/p>

高密度散熱孔具有相對(duì)簡(jiǎn)單的理論，但在PCB制造過(guò)程中關(guān)注其質(zhì)量保險(xiǎn)并不是那么簡(jiǎn)單。例如，當(dāng)一個(gè)高頻高速多層PCB的邊緣設(shè)計(jì)為高密度散熱孔區(qū)域，其孔徑超過(guò)1000個(gè)，直徑為0.50mm，間距為1.2mm時(shí)，普通鉆孔方法不會(huì)因?yàn)殂@頭產(chǎn)生的熱量不能消散，鉆孔切屑不能及時(shí)消除，這肯定會(huì)導(dǎo)致熔化鉆孔附著在孔壁上。一旦冷卻，就會(huì)形成大量的膠水垃圾，嚴(yán)重影響了孔壁的質(zhì)量。更糟糕的是，當(dāng)膠水垃圾可能超過(guò)時(shí)，可能會(huì)堵塞孔洞。這種類型的堵塞孔很難清理，對(duì)PCB產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)。

灣解決方案

普通鉆頭必須用全新類型的鉆頭進(jìn)行鉆孔，以避免因鉆孔長(zhǎng)度不足，鉆頭磨損和鉆屑水平不良而導(dǎo)致的粗孔壁和集中熱量等問題淘汰。吸塵和吸氣壓力應(yīng)從0.014MPa改為0.02MPa，增加鉆屑數(shù)量。樹脂蓋用于替代普通鋁蓋，能夠吸收鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，降低鉆頭溫度，使鉆頭變得潤(rùn)滑，收縮鉆井污染物，提高鉆井質(zhì)量。

另一種解決方案其工作在于高密度小孔制造的鉆頭彈跳技術(shù)，鉆孔散熱時(shí)間延長(zhǎng)，切削消除時(shí)間延長(zhǎng)，減少堵塞，集中熱量和粗孔壁等問題。

回鉆生產(chǎn)

a。問題描述

高速和高頻信號(hào)的傳輸回路主要依靠銅線跟蹤和印刷在板上的圖形。當(dāng)銅被通孔刺穿時(shí)，返回電路會(huì)因信號(hào)陷入混亂而受損。

例如，當(dāng)信號(hào)從頂層傳輸?shù)侥硞€(gè)內(nèi)層時(shí)，額外存根將創(chuàng)建以實(shí)現(xiàn)電連接。高速信號(hào)將分為兩部分：一部分在進(jìn)入底層時(shí)反射回來(lái)，另一部分沿正常路徑進(jìn)入內(nèi)部電路。在兩種類型的信號(hào)的相位方面的差異導(dǎo)致由于在某些頻率點(diǎn)處引起的干擾而存在諧振。共振明顯增大了環(huán)境到共振頻率的插入損耗，極大地?fù)p害了信號(hào)傳輸。較長(zhǎng)的短截線，較大的容量將使得將產(chǎn)生較低的諧振頻率，這將顯著降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量。有三種方法可以解決這個(gè)問題：基板材料厚度減小，底層高速信號(hào)放置或背鉆應(yīng)用，指的是直徑大于孔的鉆頭用于消除金屬化孔壁的過(guò)程也就是說(shuō)，存根也將被刪除。

到目前為止，背鉆是一種能夠滿足其需求的相對(duì)低成本的高頻和高速印刷電路板制造方法。然而，在實(shí)際制造過(guò)程中，由于背鉆結(jié)構(gòu)的限制，可能會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，如內(nèi)孔金屬，孔堵和切削鉆孔。

普通程序預(yù)工藝→電鍍→外部圖形→圖形電鍍→外部蝕刻→背鉆→后處理傾向于要求內(nèi)部通孔毛刺和銅線等問題。在鉆孔過(guò)程中，由于孔壁上的電銅與基體材料上的銅銅相比具有相對(duì)較弱的結(jié)合力，銅附著在其表面上，孔洞在鉆孔過(guò)程中易于剝落，導(dǎo)致通孔毛刺和銅線。此外，孔內(nèi)的銅厚度通常要求至少為20μm。由于銅箔具有優(yōu)良的延展性，因此在鉆孔時(shí)難以切割。此外，孔洞的出現(xiàn)也源于背鉆的鉆孔角度不合適或背鉆參數(shù)不兼容。

b。解決方案

應(yīng)選擇具有合適角度的背鉆，并應(yīng)找到與鉆孔角度相符的制造參數(shù)，以防止由于角度不合適，轉(zhuǎn)速不足而導(dǎo)致毛刺在孔內(nèi)發(fā)生和不完整的切割能力。因此，應(yīng)采用以下程序：預(yù)處理→電鍍板→外部圖形→圖形電鍍→背面鉆孔→外部蝕刻→后處理。一旦在外部蝕刻之前布置背鉆并且依靠蝕刻溶液來(lái)消除孔毛刺和銅線，則可以禁止孔被阻擋。下面顯示了一個(gè)優(yōu)秀的后鉆樣本。

測(cè)試

完成的電路板必須在真正參與最終產(chǎn)品之前進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)涉及在高頻和高速多層PCB上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試必須關(guān)注熱應(yīng)力和可焊性。有關(guān)熱應(yīng)力的測(cè)試方法符合IPC TM 650 2.6.8：2004的規(guī)定，而有關(guān)可焊性的測(cè)試方法符合IPC J STD 003B：2007A1的規(guī)定。一旦電路板順利通過(guò)這些測(cè)試，它就能夠在其服務(wù)的產(chǎn)品中發(fā)揮其設(shè)計(jì)作用。