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机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.3缓冲材料对多层印制电路板压合的影响研究吴科建 韩雪川 陈文卓 曹宏伟 吴杰（深南电路股份有限公司，广东 深圳 518117）摘要压合是印制电路板（PCB）生产过程中的重要制程之一。测试了不同缓冲材料的缓冲性能，并对比研究了不同缓冲材料的叠板结构对板厚均匀性、涨缩比例、可靠性、填胶的影响。研究结果表明，PacoPads缓冲材料压合叠板，在板厚均匀性、涨缩比例方面表现最好，3 mm高多层PCB的板厚极差在0.2 mm以内，涨缩变化在0.04 mm内；铝片+三合一缓冲材料压合叠板，在填胶方面表现最好，可实现0.8 mm节距的球栅阵列（BGA）和50 mm50 mm无铜区的有效填胶。研究结果可为解决高多层PCB的板厚均匀性、缺胶等问题提供参考和借鉴。关键词印制电路板；压合缓冲；叠板结构；板厚均匀性；缺胶中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）03001605Research on the influence of cushioning materials on multilayer PCB pressingWU Kejian HAN Xuechuan CHEN Wenzhuo CAO Hongwei WU Jie(Shennan Circuits Co.,Ltd.,Shenzhen 518117,Guangdong,China)AbstractPressing is one of the important processes in the production of printed circuit board(PCB).This article tests the cushioning properties of different cushioning materials,and comparatively analyzes the effects of different stacking structures on board thickness,uniformity expansion/contraction ratio,reliability,and resin filling.Research results show that the PacoPads cushioning material laminate performs uniformity the best in terms of board thickness uniformity and expansion/contraction ratio,for a high multi-layer PCB with board thickness of 3 mm,the board thickness range can be within 0.2 mm,and the expansion/contraction can be within 0.04 mm;the aluminum sheet+three-in-one cushioning material laminated performs the best in terms of resin filling,and can achieve effective filling of 0.8 mm pitch ball grid array(BGA)and 50 mm50 mm copper-free area.This article can provide reference for solving problems such as board thickness uniformity and resin-starving in high multi-layer PCB.Key words printed circuit board(PCB);press cushioning;stacking structure;board thickness uniformity;resinstarving作者简介：吴科建（1989），男，工程师，硕士，主要研究方向为压合工艺相关技术。-16印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing0引言随着印制电路板（printed circuit board，PCB）向高频高速、高密度、多功能方向发展1-3，高多层PCB在通信、数据中心、IC测试等领域的应用逐渐增加。压合是高多层PCB加工过程的关键制程之一，其中板厚均匀性和填胶是压合过程中需管控的重点，将影响背钻、阻抗和可靠性，一直是业内需要解决的难点。压合制程的影响因素很多，包括工程设计、制程参数、材料特性、设备工装等。韦延平等4研究了工艺边设计和铺假铜等优化措施改善厚铜压合板的厚度均匀性；陈显任等5测试了不同排板结构设计对板厚均匀性和背钻残根（Stub）的影响，发现PacoPads（一种专用纸基缓冲垫）和硅胶垫可以改善板厚均匀性；韩雪川等3研究了压合参数和叠板结构对高多层PCB板厚均匀性的影响，发现PacoPads叠板有助于改善压合板厚均匀 性 问 题。在 覆 铜 板（copper clad laminate，CCL）和PCB压合加工过程中，在压机每个开口的上下两面放置缓冲材料可缓冲温度，即延缓加热板热量传导到压合板的速度，尽量缩小开口内层间温度的差异，还可缓冲压力，即缓冲加压过程对压合板的冲击力和分散托板与镜面钢板间的应力集中6-7。本文主要研究压合缓冲材料的缓冲性能，以及不同缓冲材料叠板对压合制程的影响，如板厚均匀性、涨缩比例、可靠性和填胶等，为同行改善压合制程问题提供参考。1缓冲材料缓冲量测试1.1测试仪器和测试方法1.1.1测试仪器活全实验压机、千分尺。1.1.2测试方法（1）用千分尺分别测量每张缓冲材料的厚度，然后将缓冲材料裁成50 mm100 mm大小。（2）在钢板上将多张缓冲材料堆叠成两叠，中间放入铅条，使缓冲材料堆叠高度与铅条厚度相当。（3）放入压机进行升温和加压测试（温度170、压力3 MPa、时间10 min），压合完成后取出铅条，测量铅条厚度，计算缓冲量，公式如下：l=H0-HH0 100%（1）式中：l为缓冲量；H0为初始铅条厚度；H为压合后铅条厚度。1.2缓冲量测试结果分别测试了多种缓冲材料的缓冲量，测试结果如表1和图1所示。从测试结果可以看出，三合一的缓冲量最大为 52.6%，铝片的缓冲量最小为2.6%，其 中，三 合 一、PacoPads、半 固 化 片（prepreg，PP）的缓冲量大于常规牛皮纸的，压合片（一种缓冲垫）、离型膜、铝片的缓冲量小于牛皮纸的。缓冲材料的缓冲覆形，有助于均衡压合板压合过程中的压力，使树脂流胶填充线路图形填胶区，避免出现缺胶空洞。由于PCB设计多样，不同产品图形填充区域各有差异，需选择不同的缓冲材料进行实验，进而选出合适的缓冲方式进行压合叠板。2缓冲材料压合叠板测试2.1实验板设计和压合叠板结构2.1.1实验板设计为了研究不同缓冲材料对压合制程的影响，分别设计2个实验板。实验板1用于测试不同缓冲材料叠板压合的板厚均匀性、涨缩比例、可靠性等，实验板2用于测试不同缓冲材料叠板压合的填胶能表1缓冲材料缓冲量缓冲材料类别厚度/mm缓冲量/%牛皮纸0.2532.2离型膜0.058.5三合一0.2352.6铝片0.132.6PP0.2638.8压合片1.422.9PacoPads1.449.7注：PP为缓冲用PP，型号7628。图1缓冲材料缓冲量-17机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.3力。实验板关键参数见表2，叠层如图2所示。2.1.2缓冲材料压合叠板结构选择不同缓冲材料，设计以下多种压合叠板结构，如图3所示。常规叠板结构叠层上下只用牛皮纸；防皱叠板在叠层中间增加牛皮纸，改善填胶和防止铜皮起皱；铝片+三合一叠板，2种材料搭配使用，贴合板面放置；压合片、缓冲 PP、PacoPads叠板，与待压压合板之间以镜面钢板隔离。2.2不同缓冲材料叠板结构压合料温压合叠板时，在叠层中第一块板面上接热电偶测温线，收集压合过程中料温数据。不同叠板结构，其升温速率和上压点均不同。其中，铝片+三合一、压合片、PacoPads缓冲材料叠板，在树脂熔融温度区间（80140），其升温速率比常规叠板的增大，防皱叠板的升温速率比常规叠板的低，而缓冲PP叠板的升温速率与常规叠板的接近；铝片+三合一叠板的上高压点温度与常规叠板的接近，防皱、压合片、缓冲PP、PacoPads的上高压点温度提前，如图4所示。2.3不同缓冲材料叠板结构压合测试结果2.3.1板厚均匀性实验板 1压合卸板后，用板厚量测仪测试板厚数据，每块板测量120个数据，计算板厚极差和绘制板厚分布图，如图5所示。从结果可以看出，缓冲材料PacoPads叠板的板厚波动最小、板厚分布均匀性最好，与常规叠板对比，3 mm板厚的高多层板，其板厚极差由 0.25 mm 内改善到 0.2 mm内；防皱、铝片+三合一、压合片、缓冲PP等叠板结构，其板厚极差与常规叠板结构的差异不大。PacoPads缓冲叠板有利于改善压合板的板厚均匀性。2.3.2涨缩比例实验板 1压合卸板后，用三次元测量涨缩比例，然后计算实际尺寸与设计尺寸的差值。不同缓冲材料叠板结构的结果对比如图6所示。常规叠板结构的涨缩为 0.010.06 mm，PacoPads叠板的涨缩为 0.010.04 mm，PacoPads的涨缩相对最小，其他缓冲材料叠板结构的涨缩与常规叠板结构的没有明显差异。结果表明，使用PacoPads缓冲叠板有助于控制压合板的涨缩比例，可以用于表2实验板参数信息实验板编号尺寸/mm层数板厚/mm材料测试项目实验板1508.0609.6203FR4板厚均匀性、涨缩比例、可靠性实验板2457.2609.6324.5M6填胶图2实验板叠层图图3不同缓冲材料叠板结构-18印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing高对位要求产品的生产加工。2.3.3可靠性实验板1加工完成后，经过5次无铅回流焊测试，然后取切片确认有无分层爆板。该实验板为某客户产品板，1 mm 节距球栅阵列（ball grid array，BGA），无铜区为不规则区域，常规叠板方式及其他不同缓冲材料叠板，均未出现分层爆板现象，如图7所示，均为合格。图4不同缓冲材料叠板结构压合温升和高压点图5不同缓冲材料叠板压合板厚图6不同缓冲材料压合叠板涨缩比例图7可靠性测试切片-19机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.32.3.4填胶制作填胶实验板2，测试不同缓冲材料压合叠板的填胶能力，测试结果见表3。与常规叠板结构相比，叠板结构中增加缓冲材料后，填胶能力增强，其中，铝片+三合一叠板结构的填胶能力最优。这可能是由于其他几种叠板结构，缓冲材料与压合板之间隔着镜面钢板，钢板的硬度大，在高压条件下覆形能力有限；而铝片+三合一叠板结构是贴近压合板的，从前面缓冲量的测试结果可以看出，三合一的缓冲量大，在铜皮区和无铜区的缓冲覆形能力强。由于要兼顾板面平整度，搭配铝片一起使用，铝的导热系数 237 W/（mK）比钢板的 18 W/（mK）大得多，有助于改善板面的温度均匀性。3结论本文主要研究缓冲材料的缓冲量，以及不同缓冲材料压合叠板的压合制程能力表现，具体得出以下结论：（1）常 用 缓 冲 材 料 的 缓 冲 量，三 合 一 PacoPads7628缓冲PP牛皮纸压合片离型膜铝片。（2）不同缓冲材料压合叠板测试，在板厚均匀性、涨缩比例方面，PacoPads的控制最好；在填胶方面，铝片+三合一表现最优；可靠性方面均可以。在PCB压合制程中应用缓冲材料，主要是缓冲压合过程中的温度和压力。缓冲温度，除了影响Z向的升温外，还会影响XY平面的温度分布；缓冲压力，缓冲材料的压缩覆形使高低压区域压力均衡。在选择缓冲材料时，如果要解决缺胶的问题，则选用填胶能力好的缓冲材料，如铝片+三合一；如果要解决板厚均匀性问题，PacoPads是不错的选择。压合的影响因素较多，缓冲材料只是其中一个影响因子。在解决压合制程相关问题时，还需要综合考虑参数和设计，尽量用最优的参数来加工产品，保证产品质量合格。参考文献 1 寻瑞平,张华勇,敖四超,等.高频高速高多层印制板制作技术研究J.印制电路信息,2017,25(1):52-59.2 寻瑞平,刘百岚,敖四超,等.高多层大载流厚铜印制板制作技术研究J.印制电路信息,2016,24(1):62-66.3 韩雪川,吴科建.多层印制电路板压合参数对板厚均匀性的影响研究J.印制电路信息,2022,30(12):28-31.4 韦延平,冉彦祥.论厚铜压合板的厚度均匀性控制J.印制电路信息,2010(增刊1):407-414.5 陈显任,向铖,梁满玲,等.5G高层印制电路板的背钻能力研究J.印制电路信息,2021,29(增刊 2):70-78.6 江恩伟,杨中强.浅析压合用缓冲材料的设计要求C/第五届全国青年印制电路学术年会论文集.2014:628-632.7 刘熙.新型材质缓冲材料在覆铜板生产中的应用J.印制电路信息,2009(增刊1):96-98.表3不同缓冲材料叠板填胶能力叠板结构常规防皱铝片+三合一压合片缓冲PPPacoPadsBGA区节距/mm0.65NGNGNGNGNGNG0.80NGOKOKOKOKOK1.00OKOKOKOKOKOK无铜区/mm21010NGOKOKOKOKOK2020NGNGOKNGNGNG3030NGNGOKNGNGNG4040NGNGOKNGNGNG5050NGNGOKNGNGNG注：BGA填胶NG主要出现在70 m/70 m层次的隔离环，无铜区填胶 NG 主要出现在 70 m/70 m层次。NG为不合格。-20