任小浪 陳 蓓 曾志軍（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

淺談PCB層壓漲縮規(guī)律

任小浪 陳 蓓 曾志軍
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，PCB設計越來越向高層、密集型線路、小間距BGA發(fā)展，這就對PCB生產(chǎn)廠家則提出了高對位精度的要求。通常影響PCB對位精度最大的因素即為漲縮，因而如何分析、控制PCB層壓的漲縮則變得異常關鍵。文章即在此背景下，通過建立數(shù)理模型，將PCB層壓后漲縮轉變成易于實驗設計、數(shù)據(jù)分析的數(shù)理量值，此外也結合實驗數(shù)據(jù)分析出了一些新的漲縮規(guī)律，這為從事PCB漲縮控制研究的技術人員提供指導。

漲縮；漲縮矢量；非線性；微元化

1 背景

在印制電路板的生產(chǎn)制造過程中，層壓是其中最為重要和關鍵的工序之一，漲縮問題又是層壓工序最為重要的制程能力指標，因此，當印制電路板朝著高層高密度、小間距BGA發(fā)展時，如何控制好層壓的漲縮進而提升對位精度能力就變得非常關鍵。例如，IC測試板、高多層背板、大尺寸背板、高階HDI板等等高端PCB產(chǎn)品對層間對位精度要求均較高。本文即在此技術發(fā)展需求下，通過嚴密的數(shù)理分析，將位移、漲縮、角度偏差等層壓漲縮指標定義為可運算的微分或積分形式，然后再通過一些變型處理解釋常見的工藝現(xiàn)象，同時結合漲縮補償原理提出了一些新的規(guī)律；以上這些表征和分析皆在于為掌握PCB層壓規(guī)律，然后制定措施加以改善的技術研發(fā)人員提供理論指導。

2 漲縮分析

2.1 定義

通常，對于層壓的漲縮問題分為位移、大小、角度三個方面進行描述，為了更好的表征漲縮相關的量化值，選取PCB板的兩個點作為建立坐標系的基準（圖1），一點選左下角為原點，另一點選作為+X方向的基準點，然后過原點做垂直線當作Y方向，其次是PCB板中任意一點P（x，y）在經(jīng)過層壓后變?yōu)镻ˊ （xˊ，yˊ）點，那么其層壓漲縮向量即為ppˊ。

圖1

根據(jù)圖1描述的定義，那么PCB層壓漲縮的幾個量化指標均可通過如下公式進行定義：

2.2 漲縮微元化

前面漲縮的定義均是以整個PCB板面的點進行描述，但實際過程中更多的是描述某個區(qū)域，因而可以將PCB板面各點的漲縮進行微元處理，具體如下。

圖2

如圖2所示，我們將P點周邊很小的區(qū)域定義為其漲縮面微元ds，結合前面的定義，則ds的漲縮量值有如下表達式。

結合上述表達式，對于PCB板面的任意位置，均有位移、大小、角度這三個漲縮變量。另一方面，結合微元化的極限定義，面微元ds在X方向和Y方向的取值應保持一致，即dx=dy。后續(xù)的分析中，對于某個區(qū)域的漲縮，均指該區(qū)域的正方形或者圓形。

2.3 漲縮規(guī)律探討

在實際分析PCB板層壓漲縮規(guī)律時，我們更多的描述為某個區(qū)域的漲縮。因此，采取前面描述的漲縮微元進行分析，為了簡化分析，將漲縮中的位移、大小、角度三個量值合并統(tǒng)稱為漲縮矢量Q，此漲縮矢量Q包含位移、大小變化率、角度變化量，是一個4維矢量。

將PCB整板劃分為N×M個離散的微元（N、M為大正整數(shù)），那么以任意P點為中心的微元漲縮矢量可表示為：

Qp=Qij，其中i、j分別為1-N、1-M之間的整數(shù)

整板的平均漲縮矢量可表示為：

結合定義可知，上式平均矢量的各個分量與前面2.1定義中的整板漲縮量值相等。以下就以PCB面微元的漲縮矢量進行分析。

2.3.1 線性漲縮及非線性漲縮表征

一般來講，PCB板的漲縮主要分為線性部分和非線性部分，對于線性部分我們都可以通過漲縮補償加以解決，但是非線性部分我們只能盡可能的將其影響限制在最小范圍內(nèi)。根據(jù)前面對于漲縮的定義和表征式，假使我們以PCB板的某2點作為坐標系基準（例如前面漲縮定義過程所描述的坐標基準選取），那么基本可以得出漲縮矢量的大小/波動范圍是隨著P微元距離基準原點的距離r的大小而逐漸變大的，具體如圖3所示。

圖3

以圖3左表示某批次板的漲縮矢量平均值維持在標準值時的情況，圖3右表示整批板漲縮矢量均為正的情況。同時，假使我們只看某一塊PCB板的漲縮情況，那么其漲縮矢量隨著距離r的變化可以大致分為圖4所描述幾種情況：

圖4

線一：表示某塊具體的PCB板最為理想的漲縮趨勢線，特征為漲縮矢量隨著距離r的變化完全線性漲縮，這種情況我們通過線性補償可以100%消除漲縮的問題；

線二：表示實際PCB板的漲縮矢量是隨著距離r的變化有一定的波動（波動部分即為非線性漲縮），但其波動中心仍然圍繞著理想線性漲縮線，且波動幅度較小，這種情況只能通過線性補償消除波動中心線性漲縮的部分；

線三：表示某PCB板的漲縮矢量隨著距離r完全非線性漲縮的理想趨勢線，其漲縮矢量在整批板的漲縮范圍內(nèi)進行波動，這種情況無論如何線性補償均無法有效的降低漲縮的影響，例如圖中的線五即為其線性補償線，可以看出無論此線性補償線如何取舍均存在在某些區(qū)域PCB板的實際漲縮與補償值差距較大的問題；此時只能采取與實際漲縮線完全吻合的非線性補償加以解決，但這種絕對意義的非線性補償要求精確的測量PCB板面上所有點的漲縮矢量值，目前業(yè)界應用于高端產(chǎn)品的x-ray射線可以實現(xiàn)找一個標靶或圖形生成或加工一個與之對應的后制程工步（比如鉆孔）；

線四：表示在實際過程中，PCB板的漲縮矢量圍繞著其非線性理論漲縮線波動，這種情況如采取如上所述的見靶加工的點補償方式可以100%解決漲縮問題，但實際過程中我們更多的采取區(qū)域補償?shù)姆绞竭M行，因而在補償區(qū)域內(nèi)仍然存在漲縮非線性的差異，即線四所示的沿著理論非線性漲縮線的波動情況；

線五：表示非線性漲縮情況中的線性部分，此線性部分無論如何取舍均無法很好的解決如線三、線四所描述的大幅度波動的非線性漲縮情況。

2.3.2 分區(qū)補償漲縮設計原則

在實際漲縮控制中，若PCB板的板材、疊層、殘銅、PP等各方面因素的分布都較為均勻，那么層壓后的漲縮情況更多的與上面描述的線二相似，此時只需進行綜合的線性補償即可，但若PCB板的板材、疊層、殘銅等各方面因素差異較大，那么最終層壓后PCB板的漲縮更多的與上面描述的線四相似，此時最佳的控制方法當然是點補償，其次是目前行業(yè)中較為流行的CCD對位區(qū)域補償方法，下面就簡要分析下區(qū)域補償方法中的基本設計原則。

（1）標靶數(shù)量的選?。?個；

（2）標靶所成圖形的設計：正方形；

（3）標靶大小范圍的設計：越小越好，但考慮到效率，通常為50.8 mm×50.8 mm較為合適。

分析：由于漲縮矢量是根據(jù)微元化數(shù)學思維引入的，因此若采取分區(qū)域補償技術，那么此區(qū)域的選取則必須與微元的基本概念相符，即保證X方向和Y方向的距離選取相等，同時，確定補償區(qū)域均采取設計標靶加以界定，而標靶數(shù)量選擇則在保證微元化原則的基礎上越少越好（4個）。

另外，在實際應用過程中，我們常常遇見無法實際成正方形，只能設計成長方形的情況，下面就利用如上的一些漲縮規(guī)律分析如圖5兩種標靶設計對漲縮補償?shù)牟顒e。

圖5

如圖5所示，標靶A設計為緊靠待補償區(qū)域的正方形，B設計為在X方向遠離待補償區(qū)域的長方形，假使我們認為待補償區(qū)域的面積足夠小，可以近似看成一個漲縮微元（即在此范圍內(nèi)的點漲縮矢量相同）。

在距離待補償區(qū)域中心沿著+X方向上選取不同的微元點Q1，然后將此微元漲縮矢量與待補償區(qū)域漲縮矢量做差，那么基本可以得到類似于前面分析的僅有Y方向漲縮分量的線四，這時，若選取上圖中的B設計，由于左側2個共用標靶代表待補償區(qū)域漲縮矢量（即基準），右側2個B設計標靶代表最右端區(qū)域微元的漲縮矢量，那么綜合平均后就可以得到如圖6所示的線六，從圖6中可以明顯的看出左側待補償區(qū)域靠右的微元均會出現(xiàn)較大的漲縮偏差（如圖中所圈出區(qū)域），類似的，在最右側也會出現(xiàn)Y方向與左側偏差方向相反的異常問題見圖6。

圖6

由上分析可知，對于如線三、線四的非線性漲縮情況，最佳的控制方法為單點補償，其次是設計合適的微元區(qū)域進行分區(qū)補償，倘若區(qū)域大小選取不恰當或者區(qū)域形狀選取不恰當，那么均會形成如圖中線五、線六的情況，這兩種方式的補償均會在某些區(qū)域產(chǎn)生較大的漲縮差異（線五為微元區(qū)域選取太大，線六為微元區(qū)域形狀選取不合理）。

表1

3 應用實例

3.1 試板漲縮分析

表1為某實際PCB按照4×6的方式劃分補償微元后各微元位移和大小的量值統(tǒng)計表1。

說明：表1中每個漲縮微元均采取4基準標靶，通過測量基準標靶的位移來計算得出各微元的漲縮矢量中的位移和大?。幢碇袧q縮），從上可看出，各單元的位置偏移和漲縮也完全隨機，位移數(shù)值范圍一般為0～0.15 mm，漲縮數(shù)值范圍一般為萬分之0至萬分之10。

3.2 結果分析

如上圖PCB板漲縮情況，假使?jié)q縮微元選取為最上方的4個小微元合并為一個長方形微元，那么此長方形的微元漲縮矢量應接近于最左側和最右側小微元漲縮矢量的平均值，即：

位移X= -（0.014+0.048）/2= -0.031 mm，位移Y=（0.039+0.148）/2=0.145 mm，這時從左至右的第二個小微元，由于其在Y方向與基準單元相同，故而合并的長方形微元的Y方向位移量0.145 mm基本就是此第二小微元的補償值，但其真實的Y方向補償值為-0.022 mm，因而合并后的Y方向誤差反而會變得更大；另一方面，由于此第二單元在X方向上與基準單元或中心有一定的距離，那么合并后的X方向位移量與其真實位移量的差異就會在角度+漲縮+距離共同的補償作用下平均的分散在由合并后中心至最邊緣的區(qū)域，因而劃分至該第二小微元的差異就沒有那么大了。

4 總結

通過建立漲縮量化表征的定義式和實際處理過程中常分析使用的微元化表征式，明確了PCB層壓后其漲縮方面的量值意義。同時，結合PCB漲縮規(guī)律中最常見的基本原則分析描述了不同的漲縮情況，并對比了長方形漲縮補償差異的問題，最后利用一項實例對長方形微元設計的缺陷進行的驗證說明。通過用數(shù)理矢量和微元的思維對漲縮相關的問題進行較為詳細的表征和描述，為從事相關漲縮研究的技術人員提供理論指導或借鑒。

任小浪，從事技術研發(fā)工作，主要在機械加工方面進行相關的研究。

Introduction to law of PCB shrinkage/stretch in lam ination process

REN Xiao-lang CHEN Bei ZENG Zhi-jun

With the development of electronic industry， PCB design develops towards multilayer， fine lines，and small pitch， which propose a high positioning accuracy requirements to PCB manufacturers. Usually Shrinkage/ Stretch is the biggest factor that affects positioning accuracy of PCB. Therefore how to analyze and control Shrinkage/ Stretch in PCB laminate process become very critical. Based on this background， through establishing a mathematical model， this paper converted the Shrinkage/Stretch of PCB into the mathematical value that is easy to experimental design and data analysis. Some new laws of Shrinkage/Stretch were found through experimental data analysis， which provided guidance for researchers engaged in PCB Shrinkage/Stretch control study.

Shrinkage/Stretch； The Shrinkage/Stretch Vector； Nonlinear； Infinitesim al

TN41

A

1009-0096（2015）12-0024-05