如何制作特殊超厚銅多層PCB板

特殊超厚銅多層PCB最早起源于北美地區(qū)，如加拿大的UPE公司。該公司在上世紀(jì)90年代開始研發(fā)生產(chǎn)超厚銅多層PCB，取得很好業(yè)績。該類特殊板產(chǎn)品應(yīng)用于強(qiáng)電流連接傳輸以及強(qiáng)弱電混合連接的部件上，隨著我國汽車電子以及電源通訊模塊的快速發(fā)展，逐漸成為一類具有廣闊市場(chǎng)前景的特殊PCB。據(jù)市場(chǎng)了解，在汽車電子、IGBT裝聯(lián)、風(fēng)電變流器、點(diǎn)火線圈等方面都有需求；另一方面，隨著印制電路板在電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其功能要求也越來越高，印制電路板將不僅要為電子元器件提供必要的電氣連接以及機(jī)械支撐，同時(shí)也逐漸被賦予了更多的附加功能，因而能夠?qū)㈦娫醇?、提供大電流、高可靠性的超厚銅多層PCB逐漸成為PCB行業(yè)研發(fā)的新型產(chǎn)品，前景廣闊，利潤空間較傳統(tǒng)線路板要大，具有非常大的開發(fā)價(jià)值。超厚銅多層PCB在未來的高端電路連接市場(chǎng)中將會(huì)占有重要的地位，勢(shì)必將迎來更加廣闊的市場(chǎng)前景。

目前業(yè)內(nèi)普遍都是采用電鍍沉銅逐次增厚后，多次阻焊印刷輔助的積層方式或采用超厚銅箔來實(shí)現(xiàn)超厚銅印制電路板的制造。但上述工藝銅的厚度目前最多只能達(dá)到0.41 mm（12 oz/ft2），超過此銅厚加工超厚銅多層板將變得非常困難，目前暫無該方面的技術(shù)突破。普通PCB與超厚銅PCB的區(qū)別如表1所示。本文主要研究了一種制造超厚銅多層PCB的新工藝方法，借鑒疊層母排生產(chǎn)工藝，采用銅板嵌入式壓合技術(shù)，經(jīng)過工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了0.5 mm（14 oz/ft2）以上的超厚銅多層印制板的制造。

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超厚銅多層PCB制造工藝

1.1 疊層結(jié)構(gòu)

本文主要研究的是一款超厚銅三層板，內(nèi)層銅厚度為1.0 mm，外層銅厚度為0.3 mm，外層最小線寬線距為0.5 mm，疊層結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中表面層采用的是FR4覆銅板（玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板），厚度為0.3 mm，單面蝕刻處理，粘接層采用的是非流動(dòng)性PP片（半固化片），厚度為0.1 mm，超厚銅板內(nèi)嵌于與FR-4環(huán)氧板對(duì)應(yīng)孔結(jié)構(gòu)處，如圖2所示。

超厚銅PCB加工工藝流程如圖3所示，主要機(jī)加工有表層和中層銑板、厚銅板數(shù)銑，經(jīng)過表面處理后，疊裝于整體模具內(nèi)升溫壓合，脫模后按照PCB常規(guī)工藝流程完成成品制作。

1.3 關(guān)鍵工藝加工方法

1.3.1 超厚銅內(nèi)層疊合技術(shù)

超厚銅內(nèi)層疊合：超厚銅若采用銅箔將難以達(dá)到此厚度，本文超厚銅內(nèi)層采用1 mm電解銅板，為常規(guī)材料易于采購，經(jīng)銑床直接加工成型；內(nèi)層中銅板外輪廓采用同等厚度的FR4板（玻璃纖維環(huán)氧樹脂板）加工成型作為整體填充，為了利于疊壓并保證其與銅板周邊的配合緊密，如圖4結(jié)構(gòu)所示兩輪廓的間隙值控制在0~0.2 mm之內(nèi)。在FR4板的填充作用下，解決了超厚銅板的銅厚問題，并且保證了疊合后壓合緊密和內(nèi)部絕緣問題，使得內(nèi)層銅厚度的設(shè)計(jì)可以大于0.5 mm。

1.3.2 超厚銅黑化技術(shù)

超厚銅在層壓前表面需做黑化處理，銅板黑化可增加銅面與樹脂接觸表面積，并增加高溫流動(dòng)樹脂對(duì)銅的潤濕性，使樹脂深入氧化層空隙，在硬化后展現(xiàn)強(qiáng)勁的附著力，提高了壓合效果。同時(shí)改善可層壓白斑現(xiàn)象與和烘烤試驗(yàn)（287 ℃±6 ℃）后造成的板面泛白、氣泡等問題。具體黑化參數(shù)如表2所示。

1.3.3 超厚銅PCB層壓技術(shù)

因內(nèi)層超厚銅板與周邊填充用的FR-4板厚度存在制造誤差，厚度不可能完全一致，如果采用常規(guī)層壓方式壓合，容易產(chǎn)生層壓白斑、分層等缺陷，壓合難度大。為了降低了超厚銅板層的壓合難度與保證尺寸精度，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，用整體式壓合模具結(jié)構(gòu)，模具上、下模板采用鋼模，硅膠墊作為中間緩沖層，通過設(shè)置合適的層壓溫度、壓力、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)，達(dá)到了層壓效果，也解決了超厚銅層壓白斑和分層等技術(shù)問題，滿足超厚銅PCB板的壓合要求。

（1）超厚銅PCB層壓方式。

超厚銅層壓模具內(nèi)產(chǎn)品的疊放層次如圖5所示。由于非流動(dòng)性PP樹脂的流動(dòng)性低，若使用常規(guī)覆形材料牛皮紙，無法使PP片均勻受壓，導(dǎo)致壓合后出現(xiàn)白斑、分層等缺陷，厚銅板PCB產(chǎn)品在疊壓過程中需要使用硅膠墊作為關(guān)鍵緩沖層，其在壓合中起到均勻分布?jí)毫Φ淖饔谩Ａ硗鉃榻鉀Q壓合問題，將層壓機(jī)中的壓力參數(shù)由2.1 Mpa（22 kg/cm2）調(diào)至為2.94 Mpa（30 kg/cm2），并根據(jù)PP片的特性將溫度調(diào)整為最佳融合溫度170℃。

（2）超厚銅PCB層壓參數(shù)如表3所示。

（3）超厚銅PCB層壓效果。

依據(jù)GJB362B-2009中4.8.5.8.2章節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)后，按4.8.2檢驗(yàn)PCB時(shí)應(yīng)無超過3.5.1.2.3章節(jié)（表面下缺陷）允許的起泡和分層。PCB試樣符合3.5.1外觀和尺寸要求，并對(duì)其進(jìn)行顯微剖切，并按4.8.3進(jìn)行檢驗(yàn)，符合3.5.2規(guī)定的要求。切片效果如圖6所示。從層壓切片狀況來看，線路填充飽滿，無微縫氣泡。

1.3.4 超厚銅PCB流膠控制技術(shù)

與一般PCB加工不同，其外形和器件連接孔在疊壓前就已經(jīng)完成，如果流膠嚴(yán)重會(huì)影響連接處的圓度和尺寸，外觀和使用無法達(dá)到要求；此次工藝開發(fā)中也試驗(yàn)過先壓合后銑外形的工藝路線，但對(duì)后期的外形銑要求控制嚴(yán)格，尤其是加工內(nèi)層厚銅連接部位，其深度精度控制非常嚴(yán)，合格率極低。

選擇合適的粘接材料、設(shè)計(jì)合理的器件結(jié)構(gòu)，是研究的難點(diǎn)之一。為解決層壓后普通半固化片導(dǎo)致的溢膠外觀問題，采用流動(dòng)性低的半固化片（生益：SP120N），該粘接材料具有樹脂流動(dòng)度低、柔韌，耐熱性和電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，并根據(jù)溢膠特性，對(duì)特定位置的半固化片輪廓進(jìn)行放量，利用切繪的方式加工特定形狀輪廓。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了先成型后壓合的工藝過程，壓合后外形即成型，無需再次數(shù)控銑外形加工。使得PCB在壓合后流膠現(xiàn)象得到了解決，保證了超厚銅板層壓后連接面無流膠且壓合緊密。

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超厚銅PCB成品效果

2.1 超厚銅PCB產(chǎn)品規(guī)格

超厚銅PCB產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)表4和成品效果如圖7。

2.2.1 耐壓測(cè)試

將超厚銅PCB樣品中的各極進(jìn)行耐壓測(cè)試，測(cè)試電壓為AC1000V，1 min無擊、閃絡(luò)現(xiàn)象。

2.2.2 大電流溫升測(cè)試

設(shè)計(jì)相應(yīng)的連接銅板將該超厚銅PCB樣品中各極串聯(lián)，接入大電流發(fā)生器，按相應(yīng)的測(cè)試電流分別測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表5：

從表5中的溫升情況來看，超厚銅PCB整體溫升比較低，能滿足實(shí)際使用要求（一般溫升要求在30 K以下）。超厚銅PCB大電流溫升與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的厚銅結(jié)構(gòu)溫升會(huì)有一定差異。

2.2.3 熱應(yīng)力測(cè)試

熱應(yīng)力試驗(yàn)要求：依據(jù)GJB362B-2009剛性印制板通用規(guī)范對(duì)樣品進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn)后，目測(cè)，無分層、起泡、焊盤起翹、白斑等缺陷。

PCB試樣外觀和尺寸滿足要求后，需應(yīng)對(duì)其進(jìn)行顯微剖切。因?yàn)榇藰悠穬?nèi)層厚銅過厚，無法進(jìn)行金相剖切，故此樣品在287 ℃±6 ℃下進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn)后，僅對(duì)其外觀進(jìn)行目測(cè)檢測(cè)。

測(cè)試結(jié)果為：無分層、起泡、焊盤起翹、白斑等缺陷。

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總結(jié)

本文提供了一種超厚銅多層PCB的制造工藝方法，通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，有效解決了目前超厚銅多層PCB銅厚的限制，攻破了常見的加工技術(shù)難題如下：

（1）超厚銅內(nèi)層疊合技術(shù)：有效解決了超厚銅材料選用問題，采用預(yù)銑成型加工無需蝕刻，有效避免了厚銅板蝕刻技術(shù)難題；通過FR-4填充技術(shù)保證了內(nèi)層的壓合緊密和絕緣難題；

（2）超厚銅PCB層壓技術(shù)：有效解決了層壓白斑和分層問題，找到了一種新的壓合方式和解決方案；

（3）超厚銅PCB流膠控制技術(shù)：有效解決了壓合后流膠問題，保證了預(yù)銑外形再壓合的工藝實(shí)施。