袁繼旺 陳立宇 任堯儒

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 課題背景及意義

在激烈的市場環(huán)境中，誰能開發(fā)出既廉價又高新的產(chǎn)品，誰就能在激烈的市場競爭中處于不敗之地。在這種市場環(huán)境中，一些高新PCB產(chǎn)品應(yīng)運而生了，如：埋容板、埋阻板，高密度射頻板等。在制造這些高新產(chǎn)品時需要使用到價格昂貴的埋容、埋阻、射頻等高新材料，制作成本大大增加，如何降低產(chǎn)品成本成了亟需解決的問題。

多結(jié)構(gòu)互連 PCB 技術(shù)，是將一塊具有特殊能力（埋容、埋阻、射頻層）的子板埋入一塊普通母板之中，如圖1所示。

圖1 多結(jié)構(gòu)互連 PCB結(jié)構(gòu)

該技術(shù)能大大的減少特殊材料的使用量，能使用更廉價的基材，增加產(chǎn)量，能降低50%材料成本；與傳統(tǒng)工藝相比，其具有以下幾個方面明顯優(yōu)勢：

（1）減小特種材料使用量，降低材料成本50%以上；

（2）特殊材料制作的電路布線范圍小，漸少了信號損失及信號干擾。

2 客戶要求

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為驗證局部混壓板制作可行性，與客戶共同設(shè)計驗證板，該板為12+8疊層。子板12層，有鉆孔、塞盲孔制作要求，板厚為1.6 mm，146 mm×106 mm；母板為8層板，板厚為2.4 mm，340 mm×140 mm，母板由2個設(shè)計相似的單元以V-CUT方式相連，線路圖形由多種測試coupon（附連試驗板）及銅皮組成.要求12層子板需埋入到母板L1-L4層中，子板和母板線路通過鉆通孔及表層線路相連。

2.2 評估方法設(shè)計

2.2.1 子母板對位方式設(shè)計

多結(jié)構(gòu)互連 PCB 技術(shù)的母板與子板的對位方式直接影響圖形的對位性，因此達到改善兩板間對位性的方法：增加輔助對位工具設(shè)計，這里采用3種設(shè)計，找到一種比較好的定位方式。

（1）凹凸槽定位，如圖2所示。

圖2 凹凸槽定位俯視

每PCS 子板凹凸槽的個數(shù)為3～6對，凹凸槽尺寸與位置按公司銑外型工序制作能力確定。

（2）銷釘定位，如圖3所示。

圖3 銷釘定位截面

銷釘個數(shù)：3～6，銷釘直徑：小于3.17 mm ，銷釘長度：小于板厚，銷釘?shù)拇笮∨c位置根據(jù)工序可操作性及固定原理選定。

2.2.2 試驗板結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計

（1）試驗板結(jié)構(gòu)設(shè)計（表1）。

表1 試驗板結(jié)構(gòu)信息

母板采用core進行積層，兩張core基板作為銑槽深度，子板底部位置采用兩張core基板進行積層，結(jié)構(gòu)示意圖4。

圖4 試驗板積層結(jié)構(gòu)

（2）試驗板布局設(shè)計。試驗板主要圖形布局如圖5（綠色部分為母板，灰色部分為子板）。

圖5 多結(jié)構(gòu)互連 PCB 試驗板設(shè)計

各部分測試圖形說明：

（1）對位性測試coupon——Perfect Test 測試

在子板四角位置設(shè)計一對Prefect test測試 coupon，采用標準coupon設(shè)計，孔徑為0.56 mm，孔盤0.89 mm，結(jié)構(gòu)示意圖6。

圖6 Perfect Test 測試 COUPON

每個coupon對應(yīng)五個孔，測試時，以該五孔為基準，探針探測coupon與五孔接觸程度（該程度以電壓高低來描述）以確定該層在該角偏離基準的程度，并由軟件自動將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示出來，當電壓≥3.25 V 時：五孔分別為50 μm、100 μm、150 μm、200 μm、254 μm，當電壓1.75 V ～ 3.25 V時：五孔分別代表為25.4 μm、76.2 μm、127 μm、177.8 μm、228.6 μm（此時coupon剛好接觸孔，處于一種臨界狀態(tài)），當電壓＜1.75 V 時：代表coupon沒有接觸孔，即顯示為 0，其設(shè)計和原理示意圖7。

圖7 Perfect Test 作用原理

（2）線路測試coupon。

線路測試coupon目的在于評估跨越兩板間間隙的線路的制作能力，采用蛇形線設(shè)計，線寬 / 線距：100 μm/100 μm、100 μm/127 μm、127 μm/127 μm、150 μm/150 μm、177.8 μm/177.8 μm、200 μm/200 μm、254 μm/254 μm；每組蛇形線彎折處寬度可根據(jù)線寬/線距進行調(diào)整，要求在設(shè)計空間下，每組線路設(shè)計在跨越間隙處走線盡可能多，如示意圖8。

圖8 線路設(shè)計

（3）禁布區(qū)過孔可靠性測試coupon。

測試孔徑為0.2 mm，孔盤大小為0.6 mm，子板與母板禁布區(qū)鉆孔定位方式，在母板與子板的板邊分別設(shè)定對準度標靶，用于鉆孔時定位使用；孔邊距間隙間距為0、0.175 mm、0.38 mm、0.5 mm、1.0 mm，各測試間距為孔壁到間隙邊間距，母板子板在每種間距位置各5組孔；同組孔中心距為1.0 mm，不同組孔垂直中心距為1.4 mm， 孔間通過表層線路連接成孔鏈，用于可靠性測試，線寬127 μm，結(jié)構(gòu)如示意圖9所示。

（4）子板塞孔可靠性測試coupon。

塞孔孔徑為0.2 mm，孔盤分別為0.5 mm、0.55 mm。

每種孔盤設(shè)計25個孔，孔中心距均為1.0 mm，布局示意圖10。

圖9 孔壁到間隙邊間距及局部放大

圖10 塞孔測試coupon布局

圖11 成品板的子板塞孔截面

（5）IST測試coupon。

IST測試coupon（圖12）測試通孔結(jié)構(gòu)的可靠性，采用標準的 IST 測試coupon尺寸設(shè)計。

圖12 IST 測試coupon

（6）孔鏈測試coupon。

測試孔徑采用0.2 mm，孔盤大小分別為0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm，每組測試孔徑為100個孔，孔間距為1.0 mm，孔與孔采用表層線路相連形成孔鏈結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 孔鏈布局結(jié)構(gòu)及其截面

2.3 測試項目及接受標準（表2）

表2 測試項目及接受標準

3 制作難點

當僅把子板當作是一個埋入實體時，相當于是埋銅塊板了。在此基礎(chǔ)上改變有兩個：（1）埋入實體與母板間有對準度要求；（2）埋入實體與母板間有需要制作線路。故需要重點驗證這兩點制作可行性。

3.1 對準度制作能力控制

對準度能力是以通孔為基準，分外層對準度與內(nèi)層對準度，由于外層制作是對通孔定位制作，所以內(nèi)外層對準度能力相對獨立，這里主要討論內(nèi)層對準度能力，影響；內(nèi)層對準度能力的因素主要有三個：（1）各層層間的對位能力；（2）層壓板材伸縮；（3）鉆帶拉伸。

（1）對準度偏差組成因素分解。

多結(jié)構(gòu)互連板對準度能力可分為高層板對準度能力及埋入子板時對準度能力，其能力分別分析如下：

根據(jù)制作標準ME-08-03，通過采用pin-lam壓板方式，x-ray鉆靶，內(nèi)層自動曝光機生產(chǎn)（四層板用自動曝光機及x-ray鉆靶），內(nèi)層Clearance能力及孔到線最小距離如表3所示。

子板放入可以采取定位方式如下：（1）直接放入，單邊補償0.10 mm，（2）凹凸槽定位，單邊補償0.05 mm，（3）銷釘定位；分別分析其對位誤差為：

①直接放入有兩次銑板偏差（±0.075 mm），一次放入偏差：（32＋32＋42）1/2=0.148 mm

②凹凸槽定位有兩次銑板偏差，一次放入偏差：（32＋32＋22）1/2=0.119 mm

③銷釘對位偏差為兩次X-ray，一次銷釘定位偏差為（12＋12＋12）1/2=1.37

綜上分析：要滿足整體對準度能力較好，只能采取銷釘對位，使用Perfectest測試，只需考慮孔到線最小距離（PTH孔），整體偏差為：（9.02＋1.372）1/2=0.23 mm

為了達到客戶提出的對準度能力≤0.178 mm，在使用銷釘定位子母板外，還需要研究對準度能力，使多層板對位能力達到0.174 mm以下才能滿足要求。

3.2 交界處外層線路制作

外線線路制作主要考慮為銅厚均勻性，母板位置銅厚17.1 μm，子板由于有埋孔，所以需要先做一次加厚銅再減銅，造成銅厚不均勻性。由于減薄銅誤差為±1 μm，所以銅厚均勻性主要是電鍍銅厚均勻性，為提高鍍銅均勻性，采取脈沖電鍍，減小電流密度，掉頭掛板的方法電鍍?？梢员ＷC銅厚均勻性在±5 μm，所以最后整板銅厚均勻性大約±5 μm，外層蝕刻時，保證厚銅的地方蝕刻干凈，來評估母板上面外層線路制作能力。

表3 內(nèi)層Clearance及孔到線最小間距能力（特別控制）（mm）

4 試板流程

（1）子板流程：開料→ 內(nèi)層干膜（子板單元上面需要設(shè)計三個X－RAY標靶）→內(nèi)層沖孔→黑化→層壓→銑板邊→鉆孔（需要鉆出內(nèi)層干膜菲林對位孔、銑板定位孔3個）→沉銅（加厚銅）→塞盲孔→陶瓷磨板1→減薄銅→陶瓷磨板2→內(nèi)層干膜（L12層使用半自動曝光機制作，單元內(nèi)銑板定位孔3個需要做NPTH孔）→內(nèi)層蝕刻→銑板→X－ray→轉(zhuǎn)母板流程（到黑化工序）

（2）母板流程：開料→內(nèi)層干膜（銷釘孔位置需要制作CCD標靶）→內(nèi)層沖孔（需額外沖出CCD標靶）→銑板（芯板）→銑P片（分兩種情況）→黑化→層壓→銑板邊→陶瓷磨板→鉆孔→沉銅（加厚銅）→外層干膜→電鍍→外層蝕刻→濕菲林→正常流程

5 試板制作

5.1 子板對準度控制

為保證子板制作對準度，在子板層壓后X-RAY打靶測量標靶數(shù)據(jù)，以0.05 mm一個區(qū)間，按標靶位置長度伸縮分板，拉伸鉆帶后鉆孔，以保證減小子板對準度。

5.2 母板層壓制作跟進

（1）壓合情況。在層壓過程中，由于為不對稱板，選擇不對稱板壓合壓板程序壓合，以防止板翹。為保證子板埋入與母板的落差，采用試板上下兩面都使用正常排版方式，上下都使用鋼板。

（2）子板定位方式。為保證層壓的時候子板能夠順利的放入母板之中，母板層壓采用PIN-LAM的方式壓合，子板分別采用銷釘定位、凹凸槽定位及直接放入三種方式制作。

5.3 層壓后磨板情況

子板與母板壓合后間隙切片圖，觀察是否溢膠，壓合后的刷磨后切片圖，觀察間隙的溢膠去除情況如表5所示。

由上述圖片可知，采用3＃層壓線3＃程序?qū)訅?，可以保證到縫隙位置填膠充分且縫隙位置流膠較少，通過陶瓷磨板可將樹脂去除干凈。

5.4 子母板厚度匹配性研究

壓板后理論厚度為（2.31±0.22）mm，測量點位置如圖14所示。

圖14 壓板后子母板測試位置

由數(shù)據(jù)可知，壓板后板厚均勻性達到板厚公差要求，切片分析成品子母板落差如圖15。

切片圖驗證，縫隙位置填滿了樹脂，子母板落差在25 μm以內(nèi)。縫隙位置銅厚交子母板銅厚薄，所以不建議在縫隙位置走線，子母板通過鉆孔連通。

表4 制作難點

表5 子板與母板壓合后間隙切片情況

表6 壓板后子母板位置板厚數(shù)據(jù)

圖15 子母板落差(左圖×5，右圖×20)

5.5 鍍銅厚度均勻性

由以上數(shù)據(jù)可知，子板鍍銅厚度最大23 μm，最小18 μm，都大于母板外層銅厚15 μm，由于銅厚極差為8 μm，所以該處減薄銅應(yīng)該減到13μm ～ 21 μm控制，保證子母板銅厚一致，更好的做外層蝕刻。按圖16中所示位置測量，對母板PPTH后沉銅后銅厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖。

圖16 沉銅后銅厚數(shù)據(jù)測試位置

由以上數(shù)據(jù)可知，控制好子板減薄銅厚度為15±5 μm，可以很好的保證到母板電鍍后子母板位置的銅厚均勻性。

5.6 外層蝕刻控制

由于鍍銅厚度不均勻，所以外層蝕刻只能在保證蝕刻干凈子板位置的面銅為標準來制作外層圖形，通過電測結(jié)果可知，100 μm/100 μm、100 μm/125 μm的線短路現(xiàn)象嚴重，制作能力不足。100 μm/100 μm線路蝕刻后出現(xiàn)如圖17所示的問題。

100 μm/100 μm線路子板位置由于銅厚不均造成殘銅缺點，但圖18的0.15 mm/0.15 mm線路子板位置蝕刻正常，這是由于線寬間距太小，蝕刻時藥水交換差所導(dǎo)致的殘銅。對縫隙位置線路制作合格率統(tǒng)計如下：

表7 PPTH后銅厚測試數(shù)據(jù)

圖17 100μm/100μm線路子板位置殘銅

圖18 0.15mm/0.15mm位置線路圖

由表8可知，178 μm/178 μm線路未見短路。殘銅現(xiàn)象，178 μm/178 μm及以上的線路都可以制作，如果還需要制作更精細的線路，改善方向為：子板減薄銅后需要100%確認L1層銅厚，與母板表面銅厚（17.1 μm）極差在8 μm以內(nèi)，保證外層蝕刻不殘銅。

5.7 縫隙位置鉆孔可行性

子母板位置線路切片圖19可知，直接在表層走線縫隙位置由于銅厚較薄，可能存在可靠性風險，為了實現(xiàn)子母板線路連通，可以通過鉆孔通過內(nèi)層線路連接。本項目在縫隙位置及附近鉆0.25 mm的孔研究鉆孔可行性。

圖19 縫隙位置鉆孔(左×43、右×200)

對成品做熱應(yīng)力288 ℃×10 s×3次測試后，縫隙位置鉆孔切片電鏡觀察可知，縫隙位置鉆0.25 mm的孔未發(fā)現(xiàn)分層缺陷。

5.8 對準度能力測試

5.8.1 直接放入對位對準度能力統(tǒng)計

直接放入方式對準度測試統(tǒng)計如表9。

直接放入定位板只有35%滿足客戶對準度小于0.178 mm的要求，最大偏移量為0.315 mm。

5.8.2 凹凸槽定位對準度能力統(tǒng)計（表10）

采用凹凸槽定位板只有55%滿足客戶對準度小于0.178 mm的要求，最大偏移量為0.259 mm。

5.8.3 銷釘定位對準度能力統(tǒng)計

銷釘定位方式對準度測試統(tǒng)計如表11。

銷釘定位板全部滿足客戶對準度小于0.18 mm的要求，最大偏移量為5.7 mil。

表8 縫隙位置線寬制作能力統(tǒng)計

表9 直接放入方式對準度測試統(tǒng)計

表10 凹凸槽定位對準度能力統(tǒng)計

小結(jié)：定位方式選擇銷釘定位可以滿足客戶對準度小于0.18 mm的要求。

表11 銷釘定位方式對準度測試統(tǒng)計

6 試驗測試結(jié)果

6.1 介質(zhì)層厚度（表12）

結(jié)論：各層介質(zhì)層厚度均滿足要求

6.2 孔壁銅厚測試（表13）

6.3 可靠性測試

表12 介質(zhì)層厚度數(shù)據(jù)

由表14中結(jié)論可知，各項可靠性測試均滿足要求。

6.4 板變形測試（表15、表16）

由以上數(shù)據(jù)可知，成品板及回流焊后的板翹曲度都滿足客戶小于0.7%的要求。

6.5 客戶反饋

表13 孔壁銅厚測試數(shù)據(jù)

表14 可靠性測試表

表15 成品單元測試數(shù)據(jù)

表16 3次某客戶無鉛曲線回流焊后測試數(shù)據(jù)

該批板成功交貨后，客戶反饋各項測試結(jié)果如表17。由上表可知，各項測試均符合測試要求，樣板得到客戶的認可。

7 總結(jié)

7.1 技術(shù)總結(jié)

項目研發(fā)成功后，多結(jié)構(gòu)互聯(lián)PCB產(chǎn)品制作能力如表18。

目前已規(guī)范了制作流程及各工序制作方法，具備了制作多結(jié)構(gòu)互聯(lián)板產(chǎn)品能力。

7.2 經(jīng)濟社會效應(yīng)

高速數(shù)字PCB發(fā)展，設(shè)計頻率越來越高，當設(shè)計頻率達到1 GHz以上，由于“趨膚效應(yīng)”使得傳輸頻率越高速度越快，此時有效導(dǎo)體損失越大，隨著3G、4G項目的推出，數(shù)字信號傳輸速度越來越快，研發(fā)混合結(jié)構(gòu)和局部混合結(jié)構(gòu)印制線路板可以滿足高速數(shù)字信號傳輸所需要的程控交換設(shè)備，減小信號交換過程中的信號損失的問題。

表17 客戶反饋測試結(jié)果

表18

該項目的開展有利于為國內(nèi)LTE/4G項目在信號的高速傳遞及信號損失上提供了新的解決方案，有利于提高PCB制造技術(shù)水平；該技術(shù)為PCB設(shè)計提供新的思路，PCB設(shè)計可以通過混合結(jié)構(gòu)和局部混合結(jié)構(gòu)來達到解決減小特殊材料使用量，降低材料成本，保護環(huán)境及漸少了信號損失及信號干擾等問題，且市場前景廣闊。

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