压合工艺及改善方向的探讨论文.doc

1 引言
随着电子产品制造技术的迅速高水平化、电子产品的小型化、轻量化、高功能化、以及表面贴装技术的猛速发展，要求印刷电路板本身的弯曲翘曲度、PCB焊接时连接热盘和焊接的共面性与平坦度也非常严格；因此在电子产品中起重要角色的PCB也必须随着向高精度、高密度、高层次、小型化方向发展。压合工艺在电路板向多层化中发展起着至关重要的作用。压合的本质便是实现芯板与芯板、芯板与铜箔之间的有效粘结并保证其绝缘性能和整板的电气性能。为了提高结合力，在压板之前先要对内层芯板进行表面处理；层压工序是多层印制电路板制造中比较重要的一环，通常情况下压合参数的设定是关系到压合品质好坏的关键一步。本论文主要介绍了内层芯板表面棕化机理和层压参数的匹配性，并对铜皱产生的原因和解决方法进行了探讨，文章结尾还对压合的优化方向提出了一些我的想法。
2 压合流叠板
蚀后冲孔
层压
冲孔机
芯板棕化
半固化片
铜箔
油压机
电压机
拆板
打靶
锣边
打靶机
锣边机
程

图2.1压合流程图
其中蚀后冲孔是在板子边缘冲出铆钉孔，供叠板时打铆钉，防止内层板层压时发生层间错位；叠板是预先将待内层芯板、PP、铜箔等按一定顺序叠放，为层压做准备；拆板、打靶、锣边是压合的后处理工作，主要用来钻出定位孔，方便后续工序定位，并对板边进行处理。这些工序原理简单，在此不作多介绍。
3 层压材料
在层压的过程中用主要到的原料有内层芯板、PP、铜箔。除此之外，层压时还会用到分隔钢板和牛皮纸作为辅料。
其中铜箔是层压时主要的加工对象之一，用于制作外层线路；分隔钢板在层压时平衡板面压力，使整个板面受力均匀。鉴于此，分隔钢板要有足够的硬度来保证他的功能；而层压过程中在压盆上下加垫的牛皮纸，是为了缓冲压力分布，使层压机的压力能够均匀的分布在整个板面。半固化片作为在层压时，起到粘结上下层，并提供机械性能的重要作用将在下面做重点介绍。
半固化片由玻璃纤维布和树脂组成。树脂成分主要为环氧树脂，环氧树脂是泛指分子中有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。正是由于活泼环氧基团的存在，才可使环氧树脂与固化剂在一定的条件下发生固化反应，生成立体网状结构的产物，从而显现出各种优良的性能。固化剂在环氧树脂的应用中是必不可少的，有些固化剂不同于催化剂，它在固化反应中既起到催化作用，又与树脂相互交联生成交联聚合物。因此固化剂在某种程度上对固化反应起着决定性作用，它决定了固化反应历程和所生成的交联聚合物的性质。半固化片中所添加的固化剂都是潜伏型固化剂，即在室温条件下可与环氧树脂较长期稳定地存在，而在高温高压或者光照等特殊条件下才具有反应活性，使环氧树脂固化。
半固化片影响层压时各层粘结度和压合后电气性能的主要性能指标包括：含胶量、流动度、凝胶时间、挥发物含量四项。
(1) 树脂含量
指树脂在半固化片中所占的质量分数，一般树脂含量为45％～65％，其含量随玻纤布厚度增加而减小。对于同一体系的半固化片，其含量大小直接影响半固化片的介电常数、击穿电压等电气性能及尺寸稳定性。一般地：含量高，介电常数低，击穿电压高，但尺寸稳定性差，挥发物含量高。
(2)树脂流动
指树脂中能流动的树脂占树脂总量的分数，树脂流动度一般在25 %～40％之间，其含量随玻纤布厚度增加而减小。流动度高，在层压过程中树脂流失多，容易产生缺胶或贫胶现象；流动度低，容易造成填充图形间隙困难，产生气泡、空洞等现象。因此在多层板生产过程中，宜选择中流动度的半固化片。不过，目前半固化生产厂家通常提供比例流动度来代替流动度和凝胶时间，比例流动度数据能够较好地预测成品板的最终厚度，在多层板生产过程中是重要参数之一。
(3)凝胶时间
胶片中的树脂为半硬化的B-stage材料，在受到高温后即会软化及流动，经过一段软化而流动的时间后，又逐渐吸收能量而发生聚合反应使得粘度增大再真正的硬化为C-stage材料。上述在压力下可以流动的时间，或称为可以做赶气及填隙工作的时间，称为胶化时间。当此时段太长时会造成板中应有的胶流出太多，不但厚度变薄浪费成本而且造成铜箔直接压到玻璃上使结构强度及抗化性不良。但此时间太短时则又无法在赶完板藏气之前因粘度太大无法流动而形成气泡现象。
(4)挥发物含量
指浸渍玻纤布时树脂所用的一些小分子溶剂在预固化时的残余物，挥发物占半固化片的百分质量称挥发物含量，一般挥发物含量小于等于O．3％。挥发物高，在层压中容易形成气泡，造成树脂泡沫流动。
4内层芯板表面处理
4.1内层芯板处理方式
在压合制造过程中为了防止压合后板铜与胶之间出现分层，增强内层之间的结合力，而采取的方法有黑氧化和水平棕化工艺。棕化技术克服了黑氧化所不能避免的缺点（产生粉红圈），并能够促进铜面与聚合物树脂这一无机/有机界面的粘结，为多层印制线路板在后续的线路生产、电子元件的表面焊接、贴装，提供可靠层间结合力，且由于其操作简单、条件温和、生产效率高等优点，而逐渐取代黑化工艺，成为印制线路板内层制作的主流工艺。
4.2 棕化机理
(1)棕化原因
光滑内层铜面在多层板内层压板后结合力不足，在生产加工后容易产生爆板、分层等缺陷，因此在压合之前内层板要进行棕化以增强内层铜箔表面积，提高结合力，另外，铜面不经氧化处理在高温高压状态下内层铜面会与半固化片固化过程中的有机物（在高温高压下多官能团有机物均具有很强的氧化效果）和挥发性气体（水和其他小分子物质）发生反应，造成内层铜面的颜色不均，明显的色差和次表面缺陷，采用棕化处理即可有效防止该类缺陷的发生，而且棕色具有很强的掩盖性（可以有效的将内层表面处理的一些次变面轻微缺陷掩盖）。再者，棕化还能够增加内层铜面对流动树脂的湿润性，使流动的树脂有充分的能力伸人氧化膜中，固化后展现强劲的抓地力。
(2)棕化反应机理
铜表面先被酸氧化成致密、完整、均匀、粗糙的Cu2O，为下一步有机铜膜的形成提供良好的物理结构，CuO与含N、S、O的有机化合物缓蚀剂生成有机金属铜膜，沉积在Cu2O上面。因为含N、S、O的有机化合物含有孤对电子和芳香环，而Cu2O中Cu原子含有未充满的空间d轨道，易接受电子，产生π键和配位键，由这两种键构成有机金属化合物聚合生成不溶性沉淀薄膜非常稳定，阻止了腐蚀介质的侵蚀，防止粉红圈的发生。
内层芯板铜面反应机理[1]：
Cu+[O]氧化Cu2O
Cu2O+R吸附Cu[I]-R
nCu[I]-R沉积聚合{Cu[I]-R }n
其中R表示能与氧化亚铜生成有机金属膜的化合物。
芯板进入棕化液后，蚀刻反应马上开始，铜表面与MS-300药液络合生成一层钝化膜→在棕化液中，MS-300渗透钝化膜，无规则地打开通向铜表面的点，使蚀刻反应在这些位置进行→棕化膜被穿透成为小点，在随意可被透后到达的位置，少量的H2O2 , H2SO4 微蚀铜面→此过程重复发生被蚀刻后的位置又变为钝化膜在铜表面上变得高度粗糙并被钝化。
通过以上反应在内层芯板表面形成一层金属有机膜具有机械和化学粘附力，能够增强内层铜与树脂的结合力，提高层压板的内热冲击性、抗分层能力。
5设定层压参数的参考因数
多层板的制作最关键的就在于压机层压，而压机层压主要是通过设定参数来控制多层板不同层压时间段的温度和压力的。压合参数的选择是否得当，将直接影响压合后多层板的品质。而设定合适的层压参数可以从层压"温度、压力、时间"入手，实现三者的有机匹配。
(1)温度
层压过程中有几个温度参数比较重要。即树脂的熔融温度、树脂的固化温度、热盘设定温度、材料实际温度及升温的速度变化。
熔融温度系温度升高到70℃时树脂开始熔化。正是由于温度的进一步升高，树脂进一步熔化并开始流动。在温度70-140℃这段时间内，树脂是易流体，正是由于树脂的可流性，才保证树脂的填胶、湿润。随着温度逐渐升高，树脂的流动性经历了一个由小变大、再到小、最后当温度达到160-170℃时，树脂的流动度为0，这时的温度称为固化温度。热盘温度主要取决于钢盘、钢板、皮牛纸等的传热情况，一般为180-200℃。
为使树脂能较好的填胶、湿润，控制好升温速率就显得很重要，升温速率是层压温度的具体化，即控制何时温度升到多高。升温速率的控制是多层板层压品质的一个重要参数，温升太慢，将因逐渐固化，树脂流动度变小，造成排气不完全而出现气泡、空隙、厚度太厚等缺点。反之，当温升太快时，又容易造成树脂熔融粘度太低、胶流量太多，层间接合力也将因缺胶而降低。因此，必须选择正确的温升速率，温升速率的选择视半固化片中胶片的流动度、内层电路图设计、层压板尺寸与几何条件等实际条件而定。升温速率一般控制为2-4℃／min。对7628PP升温速率可以快一点即为2-4℃／min，对1080、2116PP升温速率控制在1．5-2℃／min为最好；同时PP数量多、升温速率不能太快，因为升温速率过快，PP的湿润性差，树脂流动性大，时间短，容易造成滑板，影响层压品质。
(2)压力
多层板层压压力大小是以树脂能否填充层间空洞，排尽层间气体和挥发物为基本原则。根据压力的变化，可将压制周期分为预压和全压两个阶段，从刚加预压到高压开始的时间为预压周期，主要作用是使熔融树脂润湿，挤出内层图形间的气体，并用树脂填充图形间隙，逐渐提高树脂的动态粘度。预压周期的长短主要由树脂的流变曲线来确定。，在树脂的流变曲线中，当树脂在某一温度出现最低粘度（即最大流动度），该点对应的即为预压时间，只要在这一点前施加高压，板的性能就会比较理想。压力大小一般根据PP供应商提供的压力参数确定，一般为15-35kg／cm2。
（3）时间
时间参数主要是层压加压时机的控制、升温时机的控制、凝胶时间等方面。对二段层压和多段层压，控制好主压的时机，确定好初压到主压的转换时刻是控制好层压质量好坏的关键。若施加主压时间过早，会导致挤出树脂、流胶太多，造成层压板缺胶、板薄，甚至滑板等不良现象。若施加主压时间过迟，则会造成层压粘结界面不牢、空洞、或有气泡等缺陷。
只有充分考虑到上述因素，才能设计出符合要求的压合参数，加工出合格的多层板。
6 品质问题分析与改善
压合过程是极其复杂的，从内层芯板的处理、材料的选择、压合程式的设定到员工的操作规范上，只要有一点不符合工艺要求，便会导致压合后多层板出现品质问题，甚至直接导致整板报废。常见品质问题有板面缺胶、气泡、板面凹痕、板厚不符合要求、板翘、分层等等。下面就最常出现的铜皱问题进行原因分析，并提出改善方法。
6.1 铜皱产生的原因
(1)在排版操作铜箔过程中导致铜箔在压合前就已经打折起皱，自动叠合线机械手卡位不当，融合铆合面不等因素对铜箔压合过程中均会产生外层铜箔起皱。
对此可以对应地针对机器、操作方法进行改善。
(2)局部添胶不足，而造成这些位置的铜箔不规则塌陷而起皱。
(3)在高层版设计上存在大面积梧桐区域，每个层次无铜区处在相同的位置；图形设计上有容易引起树脂回流的图形。
6.2解决方案
(1) 图形设计
于无铜区增加无数的直径1mm-2mm的小铜点，铜点间距0.25mm-1mm,铜点应间错开排列，各层铜点的位置相同，以便减少无铜区的面积：有利于胶体对间隙的填充。板边四个角间距较大，增加铜点时将直角转化成圆形角。
单元间隔之间的间隔图形应设计成铜点，而非铜条。
在板边工具图形直角位置增加一个流胶通道可以让多余树脂顺利溢出。
(2) 对于层数不高的情况，可以在叠层时每片板用适当数量张牛皮纸隔开，增加缓冲，平衡低压区，并且每层一板排板的方向相互错开，避免无铜区的叠加。使用牛皮纸缓冲压力能进行一定程度的改善，但对于无铜区太大，层数太高，累计厚度很厚的情况下，叠层加牛皮纸改善效果不大。
(3) 在排板材料选择上的改善
用铝片排板，可以缓冲压合时的热冲击和压力，提高平整度；
(4)选择膨胀系数大的钢板供压合用，或用铝片进行排板。
因为不同的材料，其膨胀系数均不同，在压合过程中就会存在钢板、铜箔、PP、芯板等不同材料在升温过程中的膨胀量匹配性问题。[2]
在加温及过程中，半固化片中的树脂发生物理和化学变化，从固态进入到熔融状态，故铜箔两侧受到的作用力发生失衡，在半固化片一侧因树脂处于液态，静摩擦力很小，铜箔随PP而膨胀的作用力就小，在钢板一侧因钢板仍处于固态，静摩擦力很大，而且随着压力的增大而增大，故铜箔随钢板膨胀的作用力就很大，故当选用比铜箔膨胀系数大的钢板时，铜箔与钢板发生连动膨胀，铜箔经压合后，可以得到很好的平整度。
铝的热膨胀系数是23.1，而铜的线膨胀系数是16.8，铝板在压合过程能起到很好的膨胀缓冲作用。
(5)设计新的压合参数，来改善树脂填胶不足
压合过程中，树脂的流变行为影响树脂的填充。升温速率快对应的树脂粘度较升温速度慢的树脂粘度低，树脂流动性大，但此时树脂流动窗口较小，树脂填充时间短；而升温速率慢时，树脂粘度略高，流动性略差，然则有有较长的时间可以填充，因此，选择调整合适参数控制升温速率可以有效地避免压合起皱。一般在压合过程中选择2.0-2.55℃/min升温速率，不仅可以保证单机的产能，而且可以得到很好的品质。
在实际的压合生产中，除了选择合适的升温速率外还有一个重要的条件就是何时上全压，压力施加是树脂加热过程中流动的最直接的原因。树脂在加热过程中沿V字形路经从固态—固液态—液态再返回到固态。树脂从固态到液态粘度由高到低，液态粘度最低，若在最低粘度点施加压力，树脂流动性很好，流动速度快，会让树脂大量流出，并形成强烈的蠕动，当树脂流动速度超过铜箔伸展速度就会引起铜箔起皱，并会带来一些其他品质异常；在树脂固态区域施加压力，树脂没有流动，对粘结效果受到很大的影响。一般而言，选择树脂的液态和固态共存的区域，在这区域施加压力即可以得到树脂的流动又可以防止流动过度带来的起皱异常，此温度一般在70℃到90℃及120℃到140℃之间两个区域，实际的合适压点，要测试叠层中外层及中层的材料温度，同时控制外层及中间层的温度差异，一般不要超过20℃会得到比较好的结果，视不同的生产条件，不同的压机，不铜材料，视压合后的流胶状况判定上压是否合适，流胶状况一般控制在3-8mm效果最好。[3]
7 压合工艺优化方向
随着科技的不断进步，环保要求越来越高，线路板向着多层、积多层的方向发展，未来压合工艺必将迈着高度自动化，流程简单化，快速高效，高品质的方向发展。下面我就这些方面，谈谈我个人的一些看法：
7.1材料方向
(1)半固化片
半固化片是层压时重要的粘结材料，目前大多半固化片温度达到140℃时才开始固化且保存时间很短，一般为三个月。而更低的固化温度可以大大降低层压条件，和生产成本。因此，我认为未来的半固化片将会向着更低固化温度、更长贮存时间的方向发展。
(2)牛皮纸
牛皮纸是层压时的缓冲材料，牛皮纸由于本身特性的原因，使用一到两次之后便会变色变脆，无法继续使用。这不仅有悖于当今的环保理念，而且随着纸浆价格的上升，势必增加更多的层压成本。
出于环保和减少成本的考虑，我个人认为未来的缓冲材料（比如某些橡胶和高温压合纤维材料）能够在长期高温高压下，材料主体不会被破坏，并且随着使用次数的增加，其传热温度受到的影响很小；有更均匀的传压能力，对层压后的板面有更好的平整度控制。
(3)铜箔
附树脂铜箔，我设想的这种铜箔在背面有一层树脂，在高温高压状态下能够与半固化片中的树脂发生交联反应，更增强了内层芯板与铜箔的结合力，能够有效避免液态树脂流动过快所引起的铜箔起皱，甚至有可能会减少其他品质问题的发生。
7.2芯板表面处理方向
随着线路板制造进入了无铅无卤时代，印制线路板制造技术和便面贴装技术的不断发展，我个人觉得未来的芯板棕化工艺应该具有如下特点：
a 能提供更高的抗剥离强度和更长的热分层时间，来满足无铅装配的高峰值温度和多次焊接；
d 具有更好的材料匹配性和适应性，以应对不同的树脂材料的层压；
c 更少的蚀铜量以满足精细内层线路的制作；
d 能够承受更多次反复压合和更高温度的压合，来满足积多层板的制作。
7.3设备方向
(1)整体自动化：
每个工序的自动控制系统都与部门电脑主机相连接，这样能够随时监控各个工序加工的进展情况，并自动统计各个工序的加工速度、不良概率，便于找出影响产量和品质的瓶颈工序，然后重点对该工序进行跟踪改善，使整个部门的生产效率更加优化。
(2)打靶锣边机一体化
我所在部门的打靶和锣边是由两台机器分别进行的，打完靶的板子会自动掉到机台后面放的放板机上，然后再由人工将板子取出套在锣边机的定位销钉上进行锣边。
我设想可以在打靶机和锣边机中间加一自动取放板设备，这样，打完靶的板子会由设备自动套在锣边机的销钉上进行锣边。这样既节省了人力，又可以有效避免人为操作带来板面擦花的隐患。另外目前的锣边机，锣下的板边需要人工取拿，板边锋利，极易划伤操作者，也很容易伤到板面。我在打靶锣边一体化的基础上，设想将锣边机的机台设计成四周架空状，这样，锣下的板边会自动掉到下面事先放好的接收箱内。这套设备的构想可以提高工作效率，避免板面擦花，能够有效地保证品质。
(3)自动叠板拆板机
目前，叠板需要人工进行预叠，再由人工和机器半自动化式地叠成层压前的形式。这样做不仅费人力，而且芯板、PP的多次移动或操作不当会使棕化后的板面擦花、PP受伤，芯板与PP间夹杂异物，异物也是导致压合后板面凹痕的常见原因之一。而拆板后的钢板需要四个人进行人工打磨，即费人力又易带来因钢板打磨不净而导致板面凹痕的隐患。
鉴于目前部门叠板拆板已是半自动化，我设想在此基础上将裁切好的PP、铜箔也由机器来进行叠放，拆板后的钢板由机器进行打磨，而人工只是负责检查机器操作的结果是否符合品质要求，这样不仅可以节省大量劳动力，还可以有效避免许多由于人为操作带来的品质问题。
7.4总结
内层芯板棕化和压机层压是压合工艺的两个关键环节。棕化即在内层芯板的表面生成一层有机金属铜膜，提高内层芯板和PP的接合力。PP和铜箔是层压的对象，在层压之前要按工艺要求选择合适的PP和铜箔。压机层压时，要从PP的性能入手，设定合适的层压参数，保证在层压过程中温度、压力、时间三者的匹配性，才能有效地控制层压板的品质。从文中对铜皱问题解决方案中不难看出，层压参数不仅是多层板层压时需要考虑的重要因素，也是解决大多数批量品质问题的切入点。我个人觉得压合工艺的优化应从材料、工艺、设备三方面来进行改善，因此，在论文结尾，我以自己浅薄的认识对这三方面的优化进行了简单的探讨，希望能够为压合工艺的发展起到一些帮助作用。

致谢
本论文是我在博敏实习期间完成的，王主任和胡书记不仅为我在博敏的实习和生活提供了很大的帮助，而且对我论文的完成进行了悉心的指导。从论文的选题和相关文献资料的查找，直到论文撰写的这一整个过程，王跃峰老师自始自终给我以耐心的指导，使我能够顺利的完成论文写作。故借此论文完成之际，对他们表示深深的感谢。
与此同时，在这里我还要感谢学校对我的栽培，以及所有老师对我的谆谆教诲，使我在大学期间能够掌握充足和扎实的专业知识去完成本论文的写作。并且还要深深感谢印制电路协会的王秘书长，是他为我提供这样一次实习的机会，让我能够深入到生产一线，去感受、体会、操作、亲自参与印制电路的制作，让我对印制板的制作有了更深刻的认识。并且还要深深感谢在此论文写作的整个过程中给予我及时帮助的部门领导、同事；如果没有他们的教授，我是无法将所学理论应用到操作实践中，也就更谈不上在实践中对理论进行升华，写出这篇论文来。

参考文献
[1] karl H.dietz. 多层板层间结合的黑化替代工艺[J].《.印制电路资讯》2002,5：35-43.
[2] 刘东. 高多层板压合起皱的原理与解决方法[J].《印制电路信息增刊》2010：360-365.
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