軟硬結合板的制作工藝
發布日期：2018-09-04 10:26 來源：http://www.baihedh.com 點擊：
一、前言：
剛撓多層印制板（flex-rigidmultilayerprintedboard）作爲一種特殊的互連技術，能夠減少電子産品的組裝尺寸、重量、避免連線錯誤，實現不同裝配條件下的三維組裝，以及具有輕、薄、短、小的特點，已經被廣泛應用于電腦、航空電子以及軍用電子設備中，但剛撓印制板也存在工藝復雜，制作成本高以及不易更改和修復等缺點。
本文則主要從改進剛撓多層印制板層壓、外層成像等方面進行討論，淺談剛撓印制板的制作。
二、剛撓印制板結構：
剛撓印制板是在撓性印制板上再粘結兩個（或兩個以上）剛性外層，剛性層上的電路與撓性層上的電路通過金屬化孔相互連通。每塊剛撓性印制板有一個或多個剛性區和一個或多個撓性區。圖1爲一塊典型的八層剛撓印制板的結構示意圖。
三、剛撓印制板制作工藝流程：
1、傳統剛性多層板制作工藝：
2、剛撓印制板制作工藝：
注：上述剛撓性印制板工藝流程以電Ni/Au板爲例
四、剛撓印制板制作工藝：
1、剛撓印制板材料：剛撓印制板除了采用了剛性材料（如環氧玻璃布層壓板及其半固化片或聚酰亞胺層壓板及相應的半固化片）外，還采用撓性材料。
1.撓性材料：常用的撓性介質薄膜有聚酯類、聚酰亞胺類和聚氟類,選擇撓性介質薄膜應從材料的耐熱性能、覆形性能及厚度等進行綜合考察；常用的粘結薄膜主要有丙烯酸類，環氧類和聚酯類，選擇粘結薄膜則主要考察材料的流動性及其熱膨脹系數（表1、表2爲撓性薄膜性能對照表）
2.銅箔：印制板采用的銅箔主要分爲電解銅箔（ED）和壓延銅箔（RA）。電解銅箔是采用電鍍方式形成，其銅微粒結晶狀態爲垂直針狀，易在蝕刻時形成垂直的線條邊緣，有利于精細線路的制作；但在彎曲半徑小于5mm或動態撓曲時，針狀結構易發生斷裂；因此，撓性覆銅基材多選用壓延銅箔，其銅微粒呈水平軸狀結構，能適應多次撓曲。
2、撓性內層成像與蝕刻：
1.前處理：
覆銅板表面銅箔都經防氧化處理，銅箔表面有一層致密的氧化物保護膜，因此，在成像前，須對撓性覆銅板進行表面清洗和粗化。但由于撓性板材易變形和彎曲，可采用專用浮石粉磨板（Pumice）機或微蝕（Micro-etching）--對于一般生産廠家建議采用微蝕以減少額外的設備投資。
微蝕過程中應控制微蝕對板面的粗化程度及粗化的均勻性，建議微蝕液采用過硫酸鈉（Na2S2O4）和硫酸（H2SO4）型的微蝕液以防止板面過度粗化或部分板面粗化不足；同時，爲防止微蝕過程中卡板或板材掉入微蝕液中，可在撓性板之前粘一塊剛性板牽引（顯影及蝕刻也應采用）。
注意：板材的持拿要十分小心，因爲板材的凹痕或折痕都會造成曝光時底版無法貼緊而造成圖形的偏移。
2.成像與蝕刻：
建議采用干膜成像以減少板的返工（采用濕膜成像時，因濕膜預烘困難，返工率較高），注意板材的持拿，防止折疊，顯影及蝕刻時應用剛性板牽引。注：剛性內層的成像與蝕刻與一般剛性多層板內層的成像與蝕刻基本相同，此處不作介紹.（酸性蝕刻自動添加系統）
3.剛性外層與剛性半固化片的開窗口：
可采用鑼機進行開窗口，爲防止剛撓印制板層壓時開窗口處的流膠，剛性半固化片的窗口應比剛性外層的窗口稍大（一般比剛性外層的窗口大0.2-0.4mm爲宜），且剛性半固化片越厚，剛性半固化片的窗口比剛性外層的窗口也應越大。在開窗口時注意將剛性外層或剛性半固化片釘緊，并用皺紋膠固定以免所開窗口邊緣不整齊或尺寸與設計不符。4.撓性層及剛撓多層印制板的層壓：蝕刻后的剛撓印制板的撓性多層板在壓剛性外層之前，要對表面進行處理以增加結合力，表面處理可采用微蝕或浮石粉磨板；表面處理后的撓性內層層壓前應進行適度的干燥以去除撓性內層中的水分。
（1）一次層壓和分步層壓：
剛撓印制板的層壓可采用一次將所有內層壓在一起的一次層壓法，也可以采用先壓撓性內層再壓剛性外層的分步層壓法。一次層壓法的加工周期短，成本低，但層壓時覆蓋層定位難度大，層壓缺陷如氣泡，分層和內層變形只能在外層蝕刻后才被發現；分步層壓則可以減小層壓時覆蓋層定位難度，也可以及時發現內層的圖形偏移和層壓缺陷，而且分步層壓還能照顧撓性和剛性材料的特點，優化工藝參數，但分步層壓較一次層壓費工、費時、費輔助材料。
（2）粘結片的選用：
選用不同類型的粘結片對剛撓印制板的結構有著直接的影響。圖3a-b是采用不同類型粘結片粘結內層的剛撓八層印制板結構示意圖。其中a類是全部采用丙烯酸粘結薄膜做爲內層的粘結片，在這種結構中，丙烯酸厚度的百分比相當大，因而整個剛撓印制板的熱膨脹系數也很大，這種結構的金屬化孔在熱應力試驗中容易失敗。在這種結構中靠降低丙烯酸粘結片的厚度達到減少Z軸膨脹的方法是不實際的，一方面這不利于無氣泡層壓，另一方面靠增加壓力彌補其厚度的不足往往還會造成撓性內層圖形的偏移超差。結構b是采用了用玻璃布做增強材料的丙烯酸代替無增強材料的丙烯酸粘結片。這種有增強材料的丙烯酸不但能滿足無氣泡層壓的要求而且增加了結構的硬度。它的缺點是在孔化之前要處理凸出的玻璃纖維頭。結構c中采用環氧玻璃布半固化片粘結壓了覆蓋層的撓性內層。
圖3剛撓多層印制板結構示意圖
由于環氧樹脂與聚酰亞胺薄膜的結合力較差，因此在安裝和使用過程中，易産生內層分層的現象，可以通過在環氧玻璃布與聚酰亞胺之間加一層丙烯酸膠增加結合力，但這樣做的結果是又引進了丙烯酸而且還增加了生産的復雜性。結構d中取消了覆蓋層，內層的粘結全部采用環氧玻璃布半固化片或環氧玻璃布做增強材料的丙烯酸，撓性覆銅箔基材在表面的銅被蝕刻掉之后露出的是一層丙烯酸膠，因而它與環氧的結合力非常好。同時，由于環氧材料的大量引入大大降低了整個剛撓印制板的熱膨脹系數，因此大大提高了金屬化孔的可靠性，但由于去掉了大量的覆蓋層，這種印制板在高溫工作環境下會變軟，其撓性段更是如此，因此要增加一個加固板。結構e是用聚酰亞胺層壓板代替環氧層壓板，可以改善剛撓印制板的耐高溫性。結構a-e中，除了c不宜采用之外，制造商可以根據自己的設備和技術情況以及剛撓印制板的應用要求來確定剛撓印制板的結構。
近來，部分生産廠家正在嘗試一種大膽的覆蓋層部分層壓法（這種層壓法的結構示意圖如圖4所示），這種方法保留了結構a中結合力好的優點，同時也克服了熱膨脹大的缺點。在這種結構中，撓性多層印制板最外邊的覆蓋層只伸入到剛性區中大約1/10的位置，剛性外層與撓性內層采用不流動環氧半固化片粘結。由于沒有覆蓋層，環氧半固化片主要是與撓性基材上粘結銅箔的丙烯酸膠（銅箔與撓性基材用丙烯酸膠粘結）相互粘結，因而結合力很好。同時由于去掉了粘結剛性外層與撓性內層的兩層丙烯酸粘結片以及兩個覆蓋層上的丙烯酸粘結片，整個剛撓印制板的熱膨脹系數大大降低，提高了金屬化孔的耐熱沖擊能力。因此雖然這種結構的工藝復雜而且成本高，但是它卻提高了剛撓印制板的可靠性。
（3）層壓的襯墊材料：
理想的襯墊材料應該具有良好的敷形性、流動度低、冷卻過程不收縮的特點以保證層壓無氣泡和撓性材料在層壓過程中不發生變形。襯墊材料通常分軟性體系和硬性體系。軟性體系主要包括聚氯乙烯薄膜或輻射聚氯乙烯薄膜等熱塑性材料，這種材料在各個方向的壓力以及成形都比較均勻，而且敷形性好，但在壓力較大時，其流動性大大增加。硬性體系主要是采用玻璃布做增強材料的硅橡膠，它在各個方向的壓力都很均勻，并且在Z軸方向上適合凹凸不平的電路，具有良好的敷形效果，其中的玻璃布則起到限制硅橡膠在X、Y方向上的移動，即使層壓壓力較大，亦不會引起撓性內層的變形，是一種比較理想的襯墊材料。
同時，襯墊材料的厚度應與剛性層（剛性外層和剛性半固化片）的厚度一致，大小與窗口匹配（太小會使撓性窗口産生不規則，太大則不利于排氣和拆卸），且襯墊材料應表面光潔。
（4）推薦的層壓方法（流程）：
采用覆蓋層部分層壓法，可有效地提高剛撓多層印制板的可靠性和金屬化孔的耐熱沖擊性能，但由于與剛性外層相連的覆蓋膜只伸入到剛性區的1/10左右，采用非感光覆蓋膜的定位則非常困難，因此，爲減少層壓時覆蓋膜的定位難度，可采用感光覆蓋膜（成像，由于感光覆蓋膜采用傳統抗蝕刻/電鍍干膜的貼膜方式，産量較小時可能會造成感光覆蓋膜的浪費）并在層壓定位時采用打靶機（TargetMachine）定位，建議采用一次層壓以減少制作的流程及制作成本（層壓的工藝參數可在一般多層板層壓工藝參數下進行優化）。
5、鉆孔及去鉆污：
由于剛撓印制板采用了剛性及撓性材料，易産生大量的鉆污，因此，選擇鉆孔材料和鉆孔工藝參數的選擇就顯得十分重要。衆所周知，印制板孔內的鉆污的形成是由于鉆孔時的高溫使印制板中的樹脂發生熔化，因此，在選擇材料時應選擇散熱性能優良的鋁片及墊板（也應兼顧到鋁片的表面粗糙度及墊板的材質等，如Cimatec公司的CIM-Alu1001和CIMWOODSD-27能很好的兼顧到幾者的性能）。同時，在鉆孔前，可先將剛撓印制板在低溫如冰箱等冷凍數小時再進行鉆孔，鉆孔時應選用較高的鉆速及進給速度，最好能在冷氣保溫條件下進行鉆孔以減少鉆污的産生。
注：去鉆污和凹蝕在許多資料中已有詳細說明，此處不再敷衍
6、外層成像及圖形電鍍：
剛撓印制多層板有一個或多個撓曲區域即有一個或多個凹槽見圖1所示，采用傳統的多層板外層制作工藝（干膜成像）因干膜難以封住凹槽，會在撓曲區域電鍍上Cu/Ni/Au而引起報廢，因此，須在成像（或圖形電鍍）前封住凹槽。
最簡單的方法就是在圖形電鍍前用紅膠紙封槽—使撓曲區域在電鍍時無法接觸到電鍍藥水而不電鍍Cu/Ni/Au，褪干膜時揭去紅膠紙，但要注意紅膠紙不能貼到近撓曲區域的PAD位元上，電鍍過程中也不能有破損（破損則會引起報廢）；多數廠家則采用固體膠封凹槽再做外層成像、蝕刻前揭去固體膠的方法，這種方法可有效的保護覆蓋層不受褪膜堿液（NaOH）的影響—覆蓋層受堿液較長時間的浸蝕，會影響覆蓋層的顔色及剛撓印制板的撓曲性能，工藝也不復雜，適合批量剛撓印制多層板的生産；也有部分廠家則采用多次電鍍/蝕刻的方法，具體流程如下：
其中成像1是爲了蝕掉撓曲區域的銅，此流程的兩次成像在撓曲區域都設計爲非曝光區。這種方法工藝比較復雜，且經過多次褪膜，覆蓋層受褪膜堿液（NaOH）較長時間的浸泡，其覆蓋膜的顔色及撓曲性能都會受到一定的影響，同時，由于增加了蝕刻底銅的厚度（銅箔銅厚+電鍍銅厚），也就增加了蝕刻的制作難度，特別是含精密線路（線寬/線距：2~3mil）的蝕刻尤爲困難，建議含有精密線路時，電銅分兩次完成，即在圖形電鍍時電鍍Cu/Ni/Au，在整板電銅時電鍍大約5μm銅厚（孔內最小銅厚）即可以減小蝕刻的制作難度。
由于剛撓印制多層板基材的總膨脹率比孔內鍍銅層大1.65%，而在剛性多層板中僅爲0.03%，因此，在圖形電鍍時可適當的增加鍍銅層的厚度來提高剛撓印制多層板金屬化孔的可靠性（采用覆蓋層部分層壓法也降低了金屬化孔的耐熱沖擊性能）。
