淺析多層印制電路板內層短路工藝因素

李學明

隨著微電子技術的飛速發展，表面封裝元器件趨向小型化、輕量化和多功能化像小外形集成電路（SOIC），它的引線分布在器件的兩側，引線中心距1.27毫米、方形扁平塑封的集成電路（QFP），引線分布在器件的四邊，引線中心距1-0.8-0.65毫米、塑封有引線芯片載體（PLCC），引線呈“J”型，引線中心距為1.27毫米、無引線陶瓷芯片載體（LCCC），它以分布在器件四邊的金屬化焊盤代替引線和金屬化焊盤球柵陣列分布于芯片的底部（BGA）等。所以，表面器件的微型化的要求，促使印制電路板的設計上和印制電路板制造技術更趨向高密度、高可靠和多層次方向發展。研制和開發多層印制電路板制造技術，使印制電路板制造手段更加高、精和尖方能適應電子技術發展的需要。

就多層印制電路板研制和生產過程而言，經常發生某些產品質量問題，特別是多層印制電路板的內層，隨著電子裝聯向更高密度發展，布線密度越來越高，很多內外層導線寬度和間距只有0.10-0.075毫米、小孔和微孔其中有埋孔、盲孔等。如球柵陣列——種組裝結構形式。根據組裝結構形式要求，在印制電路板的設計上和制造上必須滿足它的外層布線密度為0.10-0.125毫米和內層為0.10-0.075毫米、孔徑為0.25-0.35毫米等設計要求而且是六層板。這就要求層間對位要非常準確。但往往由于工藝上的差錯，多層印制電路板的內層短路現象時有發生。而其內層短路是多層印制電路板最大的質量問題，這是因為多層印制電路板若內層存在短路缺陷，即成為難以修復的產品。如果在電裝后發現此類缺陷，會造成很大的經濟損失。所以，要解決好多層印制電路板內層短路問題，首先要弄清楚產生內層短路的主要工藝因素，才能有的放矢采取相應的工藝對策。

一、 原材料對內層短路影響：

多層印制電路板材料尺寸的穩定性是影響內層定位精度的主要因素。基材與銅箔的熱膨脹系數對多層印制電路板的內層影響也必須有所考慮。從所采用的基材的物理特性分析，層壓板都含有聚合物，它在一定的溫度下主要結構會發生變化，通稱為玻璃化轉變溫度Tg。玻璃化轉變溫度是大從數聚合物的特有性能，僅次于熱膨脹系數，它是層壓板最重要的特性。在通常使用的兩種材料比較分析，環氧玻璃布層壓板與聚酰亞胺的玻璃化轉變溫度分別為Tg120℃和230℃，在150℃以下的情況，環氧玻璃布層壓板的自然熱膨脹大約0.01in/in，而聚酰亞胺自然熱膨脹只有0.001in/in。（見下圖）

從有關技術資料獲知，層壓板在X、Y方向熱膨脹系數每增高1℃為12-16ppm/℃之間，而Z方向熱膨脹系數是100-200ppm/℃，它的數值比X、Y方向增大一個數量級。但在測試過程中發現當溫度超過100℃時層壓板及孔體之間的Z軸方向膨脹是不一致的，并且差異變大。電鍍通孔要比周圍的層壓板的自然膨脹率要低。由于層壓板熱膨脹比孔體快，這就意味著通孔體沿層壓板形變方向被拉伸。這個應力條件在通孔體中產生了張力的應力，當溫度升高時，該張力應力將繼續增高，當應力超過通孔鍍層的斷裂強度時，鍍層將會斷裂。同時層壓板較高的熱膨脹率，使內層導線及焊盤上的應力明顯增加，致使導線與焊盤開裂，造成多層印制電路板內層短路。所以，在制造適用BGA等高密度封裝結構對印制電路板的原材料的技術要求，要特別進行認真的分析，選擇基材與銅箔的熱膨脹系數基本要達到相匹配。

二、 底片制作和使用誤差對內層短路的影響

電路圖形的制作是通過CAD/CAM系統進行轉化而最后生成電路圖象轉移用的比例為1：1光繪底片。再將此片采用轉移方法生成生產用的重氮底片。在轉化與生成制板用的底片過程中，就會產生人為和機械的誤差。經過一段時間的研制和生產數據統計和分析，往往在以下幾個方面容易產生偏差：

1、 層與層之間在沖制定位孔時，由于視覺的差錯，而產生層與層之間偏差。
2、 光繪底片復制成重氮底片時，人為和設備所造成的偏差。
3、 底片轉移電路圖形成像時產生的位移現象，導致成像孔位的偏差。
4、 底片保存和使用過程，由于溫度與濕度的影響導致片基伸長與縮進而造成的底片通孔位置的偏差。
5、 圖形轉移過程由于人為視覺差異和定位精度，所造成的孔位偏差。
6、 片基本身的質量問題造成的偏差。

這些是印制電路板制造過程的綜合誤差，根據軍標和國際標準規定，其綜合誤差值不應大于導線的寬度。如果超過標準和工藝規定尺寸范圍，就會造成多層印制電路板內層短路。為了確保底片制作質量和使用質量的可靠性，就必須加強過程的監控和管理，使制造BGA結構器件所需的多層印制電路板，從投料開始對每道工序必須制定正確的、可操作性和有效性的工藝方法和對策。

三、 定位系統的方法精度對內層短路的影響

在底片生成、電路圖形制作、疊層、層壓和鉆孔過程，都必須進行定位，至于采用何種形式的定位方法，需要進行認真的研究和分析。這些需要定位的半成品都會因為選擇的定位精度的差異，帶來一系列的技術問題，稍有不慎就會導致多層印制電路板內層產生短路現象。究竟選擇何種定位方法，應由所選用的定位的精度適用性和有效性而定。多層印制電路板層間對位工藝方法很多，主要有以下八種：

⊙兩園孔銷釘定位方法。
⊙一孔一槽定位方法。
⊙三園孔或四園孔定位方法。
⊙四槽孔定位方法。
⊙MASS LAMINATE定位方法。
⊙對位粘貼定位方法。
⊙蝕刻后定位方法。
⊙X-射線鉆定位孔方法。

這八種工藝方法而言，就精度和可靠性分析，以四槽孔定位工藝方法適合此種六層印制電路板的定位加工。當然影響多層印制電路板的層間定位精度因素很多，此文所論及的光繪底片、層壓芯材、上墊板及制造所采用的定位設備、生產工藝設備、工藝環境條件、工藝技術和加工操作過程諸多因素綜合的結果。由于定位精度的差異和工藝方法選擇上的區別，最容易造成多層印制電路板內層產生偏移、致使內層產生致使的質量問題-內層短路。

四、 內層蝕刻質量對內層短路的影響

內層蝕刻過程易產生末蝕刻掉的殘銅點，這些殘銅有時極小，如果不采用光學測試儀進行直觀的檢測，而用肉眼視覺很難發現，就會帶到層壓工序，將殘銅壓制到多層印制電路板的內部，由于內層密度很高，最容易使殘留銅搭接到兩導線之間而造成多層印制電路板內層短路。

五、 層壓工藝參數對內層短路的影響

內層板在層壓時必須采用定位銷來定位，如果裝板時所使用的壓力不均勻，內層板的定位孔就會產生變形、壓制所采取的壓力過大產生的剪應力和殘余應力也很大，層縮變形等等原因，都會造成多層印制電路板的內層產生短路而報廢。

六、 鉆孔質量對內層短路的影響

1、 孔位誤差分析
為了獲得高質量、高可靠性的電氣連接，鉆孔后焊盤與導線的連接處最小要保持50μm。要保持這么小的寬度，鉆孔的位置精度要很高，產生的誤差要小于或等于工藝所提出的尺寸公差技術要求。但鉆小孔的孔位誤差主要由鉆床的精度、鉆頭的幾何形狀、蓋、墊板的特性和工藝參數而定。從實際生產過程所積累的經驗分析是由四個方面造成的：相對孔的真實位置鉆床的振動造成的振幅、主軸的偏移、鉆頭進入基板點所產生的滑移和鉆頭進入基板后由于受玻璃纖維的阻力和鉆屑引起的彎曲變形。這些因素都會造成內層孔位偏移而產生短路的可能性。

2、 根據上述所產生的孔位偏差，為解決和排除產生誤差超標的可能性，建議采用分步鉆孔的工藝方法，可以大減少鉆屑排除的效果和鉆頭溫升。因此，需要改變鉆頭的幾何形狀（橫截面積、鉆芯厚度、錐度、排屑槽角、排屑槽和長度與刃帶比率等）來增加鉆頭的剛度，孔位精度就會大改善。同時還要正確的選擇蓋墊板和鉆孔的工藝參數，才能確保鉆孔的孔位精度在工藝規定的范圍以內。除了上述保證條件外，外因也是必須注視的焦點。如果內層定位不準，在鉆孔時通孔偏位，也同樣導致內層斷路或短路。

七、 結束語

根據上述的淺析的結果，就可以在工藝方法上和工藝裝置上，進行優選。目的是確保多層印制電路板的高質量、高可靠性。盡管在制造適應BGA結構形式的高密度、多層次的多層印制電路板，難度很大，只要認真的分析制造過程容易產生的質量缺陷的根本原因，就可以采取相應的工藝對策，制造上述所要求的技術條件是可以辦到的。

八、參考資料