趙宏靜 龍亞山 敖在建

（通元科技(惠州）有限公司，廣東 惠州 516005）

0 引言

尺寸穩(wěn)定是印制電路板（PCB）在制作環(huán)節(jié)中的一項(xiàng)重要功能指標(biāo)，直接影響貼片環(huán)節(jié)錫膏、元件能否對(duì)準(zhǔn)連接盤(pán)（焊盤(pán)）。以分布在成品四角區(qū)域的光學(xué)點(diǎn)間距來(lái)進(jìn)行判別，一般是對(duì)角兩個(gè)光學(xué)點(diǎn)間距較設(shè)計(jì)稿偏差不超過(guò)±75 μm，而部分LED拼接屏用PCB對(duì)成品尺寸要求更是提高到50 μm，甚至更小。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于成品尺寸較小的PCB而言問(wèn)題不大，但部分設(shè)計(jì)成品尺寸較大或?yàn)樘岣哔N片效率而采用多連拼的PCB（尺寸超過(guò)250 mm），再碰上多次（3次甚至4次、5次）壓合的疊構(gòu)時(shí)，工程師時(shí)常會(huì)面對(duì)壓合后尺寸漲縮過(guò)大這個(gè)棘手的問(wèn)題。

1 PCB形變產(chǎn)生

1.1 PCB的構(gòu)造

一般的多層PCB是由芯板、半固化片、銅箔三項(xiàng)主體材料，加上表層防焊、焊盤(pán)表面處理等組成。其中，芯板由高固化程度樹(shù)脂、玻璃纖維布、銅箔組成，半固化片由低固化程度樹(shù)脂及玻璃纖維布組成，如圖1所示。

圖1 多層PCB組成示意圖

樹(shù)脂成分很大程度上決定覆銅板以及印制電路板的性能，樹(shù)脂多由基礎(chǔ)樹(shù)脂與固化劑組成。常見(jiàn)的基礎(chǔ)樹(shù)脂有四溴雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、聚苯醚、聚酰亞胺、聚富馬來(lái)酰胺、聚改性烯烴等。通過(guò)自身不飽和化合鍵加聚或與固化劑如雙氰胺樹(shù)脂（立體網(wǎng)狀交聯(lián)）、酚醛樹(shù)脂（平面交聯(lián)）等不飽和化合鍵進(jìn)行聚合形成長(zhǎng)鏈高分子化合物。

1.2 PCB形變?cè)?/h3>

在熱應(yīng)力的作用下，組成物質(zhì)的原子的活動(dòng)范圍及形態(tài)受能量影響，單一相態(tài)的物質(zhì)表現(xiàn)出一定程度的熱脹冷縮現(xiàn)象，此種漲縮形變往往是可逆的，如上述結(jié)構(gòu)中的銅、玻璃纖維在受熱過(guò)程中均呈現(xiàn)此種變化。

樹(shù)脂作為一種高分子化合物材料，是由聚合程度不一、分子大小不一的有機(jī)化合物組成的混合體，其在受熱作用下，相態(tài)變化呈現(xiàn)出與單一物質(zhì)截然不同的情況。

受熱情況下，玻璃態(tài)樹(shù)脂溫度逐漸上升，粘度逐漸下降，轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)，當(dāng)溫度持續(xù)上升，樹(shù)脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)固化，部分不飽和化學(xué)鍵再次聚合，粘度轉(zhuǎn)而上升，原子間鍵合更為緊密，分子鏈進(jìn)一步加長(zhǎng)，大分子團(tuán)呈現(xiàn)出收縮的趨勢(shì)。印制電路板加工的層壓過(guò)程中，半固化狀態(tài)的樹(shù)脂（半固化片）即發(fā)生此種不可逆的固化收縮變形，同時(shí)固化狀態(tài)相對(duì)較高的芯板也會(huì)在本體內(nèi)以及半固化片界面再次交聯(lián)固化發(fā)生變形，多呈現(xiàn)出原子間距縮小，芯板總體尺寸收縮的情形，也有薄芯板尺寸不縮反漲的情況（比較少見(jiàn)），即PCB加工過(guò)程中所謂的壓合漲縮。圖2所示為T(mén)g150 ℃的FR-4半固化片材料的動(dòng)態(tài)黏度曲線(xiàn)，值得注意的是，隨著材料的固化程度不同，其最低粘度對(duì)應(yīng)的溫度也不同。

圖2 Tg150 ℃的FR-4半固化片材料的動(dòng)態(tài)黏度曲線(xiàn)

1.3 PCB平面二維線(xiàn)性形變

玻璃纖維布由單根玻璃纖維絲組成的玻纖束編織而來(lái)，總體來(lái)講是一種平面構(gòu)造，它構(gòu)成整個(gè)電路板的骨架。產(chǎn)生不可逆固化變形的樹(shù)脂是附著于這個(gè)平面，并將多個(gè)平面進(jìn)行粘合，而且樹(shù)脂本身被作為一種分散均勻的混合體，即在不同位置其形態(tài)、性能基本一致。因此，這種樹(shù)脂固化變形引起的PCB尺寸漲縮沿玻纖布平面均勻分布，由于玻纖布的經(jīng)、緯向玻纖絲的根數(shù)、應(yīng)力并不相同，基板的尺寸漲縮也體現(xiàn)出經(jīng)向與緯向不一致的變化率。行業(yè)常用經(jīng)向及緯向兩個(gè)維度尺寸線(xiàn)性變化率來(lái)表征和計(jì)算芯板的漲縮，如Y（緯）/X（經(jīng)）：+0.00025/+0.00050。

根據(jù)組成芯板的玻璃布配布結(jié)構(gòu)不同，不同厚度的芯板在層壓過(guò)程中變形率（漲縮系數(shù)）不盡相同。同時(shí)，經(jīng)紗細(xì)而密，緯紗粗而稀，經(jīng)向收縮一般大于緯向。表1是常見(jiàn)厚度的Tg150 ℃基板的經(jīng)、緯向經(jīng)驗(yàn)漲縮系數(shù)（見(jiàn)表1）。

1.4 預(yù)補(bǔ)償

為了保證PCB最終成品的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸一致，一般采取對(duì)層壓過(guò)程中的漲縮進(jìn)行逆向預(yù)補(bǔ)償，即在制作最初的線(xiàn)路或埋孔時(shí)，對(duì)資料進(jìn)行經(jīng)向和緯向整體伸縮，再通過(guò)層壓使得尺寸回歸到目標(biāo)值。這種預(yù)補(bǔ)償一般建立在經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或者首件測(cè)量的基礎(chǔ)之上。

有別于單一組分的材料，PCB的構(gòu)造是由多種材料組成的混合體，受芯板配布、層壓結(jié)構(gòu)、壓合程式、線(xiàn)路圖形、銅厚等多種因素影響，芯板的漲縮系數(shù)并不是恒定的值，而是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。很多時(shí)候?qū)訅哼^(guò)程統(tǒng)計(jì)得出的實(shí)際漲縮系數(shù)會(huì)與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有較大的差別，導(dǎo)致層壓之后工件的尺寸與目標(biāo)值存在較大偏差。

表1 常見(jiàn)厚度的Tg150 ℃基板的經(jīng)、緯向經(jīng)驗(yàn)漲縮系數(shù)

2 PCB形變尺寸修正

PCB經(jīng)層壓后尺寸變形過(guò)大，將導(dǎo)致鉆孔偏孔、短路、通孔與盲孔對(duì)位無(wú)法兼顧、成型切割露銅、成品尺寸超公差等一系列功能性問(wèn)題，必須對(duì)其進(jìn)行修正處理。修正工具涉及到鉆帶、線(xiàn)路、阻焊、銑帶等一系列資料。這些資料的修正必須同步進(jìn)行，缺一不可，方能確保鉆孔對(duì)內(nèi)層線(xiàn)路、外層線(xiàn)路對(duì)孔、阻焊對(duì)外層線(xiàn)路、外形對(duì)線(xiàn)路等對(duì)準(zhǔn)度符合要求。各工具資料的對(duì)位關(guān)系見(jiàn)圖3示意圖。

圖3 各工具資料的對(duì)位關(guān)系示意圖

針對(duì)壓合后PCB尺寸漲縮，一般采用兩種方式對(duì)工具資料進(jìn)行修正。

2.1 整體線(xiàn)性系數(shù)補(bǔ)償

多應(yīng)用于內(nèi)層、次外層，少見(jiàn)于外層（主要是對(duì)尺寸要求不高的產(chǎn)品）；其優(yōu)勢(shì)在于可最大限度模擬芯板的線(xiàn)性變形，提高外層工具與內(nèi)層的對(duì)準(zhǔn)度，而存在的問(wèn)題也很明顯，即產(chǎn)品尺寸存在一定程度的漲縮。

2.2 整體移動(dòng)補(bǔ)償

借助人為調(diào)整成品位置，縮小因漲縮引起的相對(duì)位移，多用于外層。其優(yōu)勢(shì)在于可以盡量保證產(chǎn)品尺寸滿(mǎn)足客戶(hù)設(shè)計(jì)要求，而主要的問(wèn)題是存在通孔對(duì)內(nèi)層偏位（嚴(yán)重者可導(dǎo)致短路）。

不同的生產(chǎn)廠家在面對(duì)PCB層壓后尺寸變形的問(wèn)題，或采用第一種整體系數(shù)補(bǔ)償保證孔對(duì)內(nèi)層的對(duì)準(zhǔn)度，或采用第二種平移成品位置保證（外層）成品尺寸滿(mǎn)足要求，但都難以很好的兼顧到焊盤(pán)與孔的對(duì)位精準(zhǔn)度和整體尺寸變形兩個(gè)方面，尤其是碰到有激光盲孔、機(jī)械盲孔、通孔、多次壓合、超大漲縮等復(fù)雜情形時(shí)，問(wèn)題變得尤為棘手。

3 復(fù)合補(bǔ)償修正

3.1 復(fù)合補(bǔ)償修正的思路

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)提出基于抓取幾何中心的復(fù)合補(bǔ)償修正方案，可以妥善解決復(fù)雜對(duì)位體系的大漲縮量變形，大大提升PCB形變修正的成功率。

復(fù)合補(bǔ)償修正方案的核心思路：線(xiàn)路板漲縮過(guò)大又同時(shí)存在盲孔和通孔的情況下，可以在抓取成品單元以及工作片幾何中心基礎(chǔ)上，精確平移使得成品單元外層工具與變形后的內(nèi)層圖形的幾何中心完全重合，再以單個(gè)成品單元幾何中心為原點(diǎn)，分別進(jìn)行線(xiàn)性修正，達(dá)到中心對(duì)正，四邊均分的效果。

3.2 復(fù)合補(bǔ)償修正的步驟

激光盲孔按線(xiàn)性補(bǔ)償正常加工，通孔及外層線(xiàn)路、阻焊、銑帶等按以下方法修正：

（1）首先確認(rèn)PCB外層整個(gè)工作片的漲縮比例系數(shù)。

（2）在1:1生產(chǎn)圖紙資料上找出工作片以及每個(gè)成品單元的幾何中心，測(cè)量并按工作片整體的漲縮系數(shù)核算每個(gè)成品單元的幾何中心到工作片中心的實(shí)際距離與理論值的偏差值。

（3）在1:1生產(chǎn)圖紙資料上，按上述計(jì)算得出的偏差值，分X、Y軸分別平行移動(dòng)每一個(gè)成品單元，使每個(gè)成品單元的幾何中心與實(shí)際存在漲縮的板件的成品中心位置對(duì)齊，注意移動(dòng)后中心點(diǎn)相對(duì)工作片的幾何中心的方向不變。

（4）各成品單元移動(dòng)完成后，以各成品中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，長(zhǎng)/寬方向以線(xiàn)性模式按可接受的變形量調(diào)整漲/縮，具體以客戶(hù)要求為準(zhǔn)。

（5）工作片板邊的工具孔按實(shí)際漲縮系數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性漲縮，以工作片幾何中心點(diǎn)為原點(diǎn)。

（6）復(fù)合補(bǔ)償資料修改后，與整體線(xiàn)性漲縮修正資料進(jìn)行比對(duì)，一般通孔、盲孔偏移量均小于50 μm即可，生產(chǎn)試鉆確認(rèn)。

3.3 實(shí)例解析

如圖4所示，工作片拼版有A1-E5總共5行5列25個(gè)成品單元，層壓后工作片整體漲縮長(zhǎng)/寬為-0.406 mm/-0.508 mm，漲縮比例長(zhǎng)/寬0.99921/0.99900，成品單元尺寸為115.69 mm×96.93 mm。單個(gè)成品單元尺寸相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值縮短0.08 mm/0.10 mm，超出漲縮變形量0.05 mm的要求范圍。

對(duì)此作復(fù)合補(bǔ)償修正如下：

（1）查設(shè)計(jì)資料，行A/B/C/D/E到工作片中心點(diǎn)Y方向的距離分別為234.58 mm、117.29 mm、0、-117.29 mm、-234.58 mm。

圖4 工作片拼版示意圖

（2）查設(shè)計(jì)資料，列1/2/3/4/5到工作片中心點(diǎn)X方向距離分別為206.66 mm、108.13 mm、9.6 mm、-108.13 mm、-206.66 mm。

（3）計(jì)算出列1，X方向（206.66×0.99900-206.66）×39.37＝0.206 mm，需向右移；

列2，X方向（108.13×0.99900－108.13）×39.37＝0.107 mm，需向右移；

列3，X方向（9.6×0.99900－9.6）×39.37＝0.01 mm，需向右移；

列4，X方向（-108.13×0.99900－108.13）×39.37＝-0.107 mm，需向左移；

列5，X方向（-206.66×0.99900－206.66）×39.37＝-0.206 mm，需向左移；

（4）計(jì)算出行A，Y方向（234.58×0.99921－234.58）×39.37＝0.185 mm，需向下移；

行B，Y方向（117.29×0.99921－117.29）×39.37＝0.091 mm，需向下移；

行C，Y方向（0×0.99921－0）×39.37＝0，Y方向不動(dòng)；

行D，Y方向（-117.29×0.99921－117.29）×39.37＝-0.091 mm，需向上移；

行E，Y方向（-234.58×0.99921－234.58）×39.37＝-0.185 mm，需向上移。

（5）移動(dòng)完后，以各成品單元中心為原點(diǎn)，長(zhǎng)/寬各整體縮0.05 mm，漲縮系數(shù)為：0.99957/0.99949。

（6）板邊工具孔按PNL 漲縮長(zhǎng)/寬0.99921/0.99920比例進(jìn)行漲縮。

（7）修改后的資料對(duì)比正常線(xiàn)性漲縮修正的資料，孔位置偏差0.037 mm。

（8）同步修正鉆孔、線(xiàn)路、阻焊、成型資料，并試鉆確認(rèn)符合對(duì)準(zhǔn)度要求。圖5為試鉆后四角偏孔情況，符合品質(zhì)要求。

圖5 試鉆四角偏孔X-RAY檢查圖

3.4 復(fù)合補(bǔ)償處理能力

經(jīng)過(guò)多次生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，采用前述尺寸變形復(fù)合補(bǔ)償方法，可以分區(qū)塊對(duì)齊中心，并最大限度分區(qū)中心對(duì)稱(chēng)（如圖6效果示意），可以處理單個(gè)成品單元漲縮在0.30 mm內(nèi)的通孔板，以及單個(gè)成品單元漲縮在0.228 mm內(nèi)的HDI板，保證最終成品尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸偏差不超過(guò)0.075 mm，且通孔對(duì)內(nèi)層孔盤(pán)、盲孔對(duì)外層孔盤(pán)偏位在常規(guī)的品質(zhì)允收范圍內(nèi)。

圖6 漲縮均分效果示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

PCB的漲縮控制是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，受限于材料穩(wěn)定性、加工制程等多方面的影響，時(shí)常會(huì)發(fā)生超出預(yù)期的尺寸漲縮變形。通過(guò)分區(qū)精確抓取幾何中心點(diǎn)，核算各成品單元中心點(diǎn)偏移量并分區(qū)平移至理論偏移位置，再分區(qū)域作微量線(xiàn)性補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)中心對(duì)稱(chēng)，大幅改善超大變形帶來(lái)的成品單元尺寸超公差、鉆偏、通盲不兼等常見(jiàn)問(wèn)題，提升HDI板制作過(guò)程中漲縮、偏位等問(wèn)題的應(yīng)對(duì)處理能力。