1、PCB压合技术浅谈PCB壓合技術淺談南亞塑膠公司高級專員陳泓均本文以銅箔基板生產者的角度,探討PCB壓合需求及壓合技術,希望能對PCB業界有所幫助.然壓合製程係PCB多層板製造最重要的製程,須達壓合後各項PCB基本品質指標. 厚度 : 提供相關電氣絕緣性、阻抗控制、及內層線路間之填膠. 結合性 : 提供與內層黑(棕)化及外層銅箔之接合.尺寸安定性 : 各內層板尺寸變化一致性,保障各層孔環對準度.板翹 : 維持板材之平坦性.欲達以上需求,對壓合原料物性、設備及條件的控制,本文將逐一探討.1、 壓合製程的原料A. 內層板:蝕刻後之內層板,銅面線路須作黑(棕)化之氧化絨毛處理,目的在於增加銅面表面積
2、,增加與膠片樹脂之結合,對一般FR4 Normal Tg之膠片而言,樹脂分子能藉由壓合時之流動充分與銅面相結合,但對高性能材料,如FR4 High-Tg、FR5或無鹵素材料,因其分子結構較特殊,與黑化銅面之結合性不及一般FR4,因此須適當地對黑化處理作篩選.另外近年來因內層板厚度薄形化及產量因素考量,水平棕化製程取代了部份傳統之垂直黑化製程,此種棕化處理係以微蝕方式將內層線路銅面粗化來達到與膠片樹脂結合之目的,不過其結合性似乎不及於傳統黑化製程.一般FR4材料其結合能力與黑化製程相去不遠,但對於高性能材料而言,就須多作各方面之評估,尤其是層間接著強度之比較,嘗試將已作水平棕化處理之內層板與各種
3、材料之7628膠片壓合,然後比較接合強度,則結果可發現此趨勢.材料別一般FR4高功能特殊材料水平棕化5.983.00 Unit lb/in 當然不同藥水供應商之間,結合強度大小會有不同,但趨勢是一致的.建議高功能材料使用黑化製程為宜.B. 膠片(Prepreg): 1. 功能: 作為內外層線路之結合介質. 提供適當的絕緣層的厚度,膠片係由玻纖布與樹脂組成,同一種玻纖布膠片壓合後厚度之差別主要係由不同之樹脂含量來調整而非由壓合條件來決定. 阻抗控制,在主要四個影響因素中, Dk值及介電層厚度兩項係由膠片特性來決定,所組成之膠片其Dk值可概由下列公式求出. Dk=6.01-3.34R R:樹脂含量
4、 %因此在估算阻抗時所使用之Dk值,即可依疊合膠片組合中玻纖布及樹脂之比例作推算,而實際上由HP-4291A儀器所量測之數據與此推算結果相近.2. 規格:市場上規格使用之主要玻纖布規格為7628、2116及1080,樹脂含量則依壓合後厚度分別有不同之含量,以因應客戶需求.近期來因多層結構多樣化,則又有2112、2113、2313及106等玻纖布規格加入,因此在壓合後厚度選擇上,從2mil8mil皆有適合之膠片供客戶作疊片設計使用,下表即為各種膠片、含量、玻纖布規格一覽表.膠片規格樹脂含量R.C玻纖布經緯紗數/in布基重g/M27628HR50%762844x332087628MR47%7628
5、44x33208762843%762844x33208150648%150647x461642116HR58%211660x601072116MR54%211660x60107211650%211660x60107211356%211360x5678231355%231360x6481211260%211240x40721080HR68%108060x48481080MR65%108060x4848108062%108060x484810668%10656x56263. 基材物性之要求 均勻性之含膠量R.C%依IPC-TM-650 2.3.16之方法測試有高溫燃燒法及稱重法,樹脂含量之均勻性與
6、否將影響壓合後厚度分佈之差異,目前材料之供應商皆以3%為管制值,但對於產品壓合厚度均勻性要求嚴格之產品如Ram Module其要求更小在1.5%,對於材料供應商而言是一挑戰. 適度的膠流量R.F% 依IPC-TM-650 2.3.17測試得之,但此一測試方法是否可真實反應實際壓合過程中之流膠情況,一直有著不同的看法,原因在於此一測試法,使用之測試條件,溫度170、壓力15.5kg/cm2,在測試時測試樣品中之樹脂將會很快之被擠壓出而不是流出,因此將無法正確預測出壓合後之完工厚度.故近年來另有一比例流量(Scale flow)之測試方法, 比例流量測試 (Scale Flow)此一測試方法較為貼
7、近壓合過程,且測出之結果為每片之壓合後之厚度值,雖然仍與實際壓合有所差異,但藉由此一結果再加上經驗值,如此與實際狀況也就相近不遠了,近幾年IPC-TM-650修定版本也將其納入2.4.38章節中,對於膠片供應商及使用者而言將可減少雙方對此物性之爭議. 適當之膠化時間(Gel time)測試方法係依IPC-TM-650 2.3.18,主要係在170溫度下測試B-stage之膠片至C-stage完全硬化時所需時間,此特性可作為膠片老化程度判定之參考. 殘留量小之揮發份V.C%測試方法於IPC-TM-650 2.3.19中訂定,目的在於測試Prepreg於含浸製程後溶劑之殘留量. .黏度Viscos
8、ity其測試方法於IPC中未有明確定義,且因此各種不同儀器設備測出之數據也不盡相同,但其結果顯示之趨勢卻是一致,即B-stage膠片中之樹脂於壓合中隨著溫度至5560左右會開始軟化,至8090左右開始熔融,爾後隨著溫度升高,樹脂會呈現流動型態之液體,在溫度升高之同時,樹脂藉由熱能的吸收也在反應,大分子將逐漸增多,當溫度再升高時,樹脂將不再呈現流動型態,反而逐漸凝結而使黏度升高,最後直至完全不流動,若將黏度及溫度作一曲線圖,則將為一U型曲線圖型.其中樹脂開始熔融到完全不流動之區間,一般我們定義成壓合之工作區間,在此期間,在適當壓力下,藉由樹脂之流動,將結構中之氣泡帶出,同時讓樹脂可均勻地充填在內
9、層板線路間,在此一階段後,樹脂雖不再流動但其仍藉由熱能的供應持續反應,直到反應完成,反應之完全與否,可由反應後之Tg來判定,從樹脂開始軟化,熔融到反應完全,此一全部時間即我們在壓合製程上所設定之press cycle time.不同之供應商因樹脂配方、含浸製程不同,所供應之膠片亦會有不同之黏度變化值,若要比較其間之差異應由相同之設備來作測試,而非單看各家供應商所提供之數據,在相同測試儀器下測出之數據,黏度低與黏度高之基材於實際壓合中所顯示的會在於working window的差異,如下圖三條曲線所示.曲線a為高黏度者之基材,曲線b為適當黏度之基材,曲線c為低黏度之基材,其working win
10、dow曲線b大於曲線a而曲線c之working window在實際壓合中較曲線b之基材難控制,其原因在於過低的黏度在壓合之過程中,膠片中之樹脂將很快地流出,而造成後續加工品質及操作上之困擾.黏度與膠化時間上之對應,以同一供應商之膠片而言,當G.T短即表示膠片老化程度高,黏度亦會偏高,而G.T長則表示老化程度低,所測之黏度也較低,雖黏度測試可實際反應出壓合過程中之變化,但設備及測試方法無標準之規範可依循,一般係供作材料供應商內部管制監控用,而使用者則可由G.T及Scale flow等測試結果作一判定. .基材之貯存一般均依IPC所定義之條件作存放.依IPC之規定a. 4.5可存放180天、b.
11、212 R.F 3035%可存於90天,以台灣海島型氣候而言, R.H%在6570%亦可,但溫度之控制則須特別管制要求,尤其在夏季期間,在溫度之管制上須特別留意,在長期觀察經驗裏,在夏季期間,某些壓合的異常特別容易發生如織紋白化、白邊白角等,其異常原因多因基材存放溫度管制不當,造成基材老化而形成.另外對於已裁切完未使用之零星基材,須再以膠膜包覆完全,並註明日期,以避免材料變異.2、 壓合設備早期多層板製造商所用之壓合機熱壓盤尺寸在34”x40”左右,所能壓合之板材面積小, 45”x50”之大尺寸壓盤多為基板廠商使用,但是隨著產量增加要求的趨勢,現行多層板廠商壓盤也多使用45”x50”,然而多層
12、板廠商壓合面積,排版尺寸,複雜多樣,不像基板廠單純固定,因此在機台設備保養校正上,須明確執行,同時在壓合輔助緩衝材之選用,更須謹慎篩選,然而此部份多數廠商似乎都未特別投以關注眼神.A.熱壓機種類:熱壓機台依加熱,上壓型式之不同,可區分為:a. 液壓式真空壓合機(Hydrolic with vaccum):此為現狀多數廠商所使用之機台型式,壓力來源為由下往上之圓柱形壓缸施行,其加熱方式有:1. 電熱式此為早期加熱方式,但因升降溫控制不穩定,現狀機台多已捨棄.2. 熱煤油現行多數機台所使用之熱量來源,優點在於經由鍋爐所產之熱煤油,可提供壓合機一個穩定之熱量來源,使得在溫升的設定上較易掌握.3. 銅
13、箔加熱式此新式型機台以Adara壓合機為代表,係將電流加於壓合外層之銅箔上,使其產生熱量,直接加熱於基材促使反應,因此所設定之升溫條件,即為實際材料之溫升曲線,此機台可縮短press cycle及降低壓合pressure,但其疊合一層只疊一片working panel,總疊合層數約在100150左右,與一般壓合機每個open疊合10層,每層排版36片working panel,共8個open比較,在產量的要求下,此機台在使用上卻也就被限制住.b. 真空艙壓合機(Autoclave):使用之熱量及壓力來源均為氣體(N2),板材置放於艙內,壓力四面八方環繞,此壓合機之優點為壓合後之板材其板中與板邊
14、之厚度幾乎一致,不像一般之壓合機,因板邊流膠之因素,板材板邊厚度會較薄,且易發生白邊白角不良,但是此型式壓合機,條件設定操作不易,且使用較多之耗材,成本較高,現已不見廠商使用此型式之壓合機.上述幾種型式壓合機中,液壓真空壓合機其容易操作及產量多之優勢,對於國內廠商mass lamination之壓合型式,仍是為最佳選擇,而銅箔加熱式壓合機雖可降低壓合時間,且使用之壓合壓力較小,有助於提昇壓合品質,但對於國內廠商之產量需求而言,卻仍略嫌不足,不過此機台對於歐美之PCB廠商而言卻有較大之吸引力,原因在於這些廠商原使用之壓合機其壓盤面積,open數均較小,且也為1層疊合1 panel,因此在產量因素
15、上反而成為其優勢之一,至於真空艙壓合機在現實因素競爭下,現狀已不使用於印刷電路板之壓合製程中.B.壓合機之校正及輔助材料a. 熱盤平行度及平坦度:此部份關係壓合時壓力分佈之均勻與否,一般均應定期對機台作校正,校正之方式有:1. 鉛條(塊)壓合後之鉛條其厚度差異應在於0.1mm2. 感壓紙係一操作便利之壓力分佈測試方法,在冷機之情況下將感壓紙置入於熱壓機開口內,然後以2530kg/cm2壓力測試,藉由測試後感壓紙之顏色分佈情況,可知機台於壓合時壓力分佈情況.b. 絕緣板管理為熱壓機台上、下緣之石棉隔板,在使用一段週期後會有破裂之虞,因此建議一年更換一次.c. 承載盤管理重點在於平坦度及清潔度,以
16、避免造成壓合後品質不良.d. 緩衝材使用緩衝材使用之目的在於讓壓力能均勻地分佈至壓盤各部分,現狀使用之緩衝 材多以牛皮紙為主,基重規格在156160g/m2,第一次使用可得最佳效果,但考量成本情況下,使用次數仍應不超過2次,因壓合過後之牛皮紙緩衝效果會減少,當然就影響了壓合壓力分佈情況,另外亦有廠商使用緩衝墊來代替牛皮紙,可重覆使用,惟在使用次數達一定程度之後,其緩衝效果亦會變差,因此如何管制於一適當使用次數,則為使用此材料之重點.由於廠商於多層板壓合中,壓合之尺寸面積並不固定,甚至有不同尺寸混壓情況,長期使用下來,壓盤設備可能會產生局部之差異,因此壓力機之校正及緩衝材之選用,更應較基板廠嚴謹
17、,方可得到較佳之壓合品質.C.壓合條件之設定a. 溫度壓力曲線:一般可區分為1. 1T1P一段溫一段壓,材料升溫速率快,對一般膠片而言會有流膠量大之不良情形,且一開始即使用大壓力,板面易有亮痕產生,及造成滑動,此種條件適用於黏度高之基材膠片.2. 2T1P二段溫一段壓,可降低材料升溫速率至適當區間,惟一開始使用大壓力,板面上仍易有不良發生,且對內層黑化之絨毛亦有不良影響.3. 2T2P二段溫二段壓,可適當地調整升溫速率,且初期使用低壓(kiss pressure),直至基材軟化,再上主要壓力,可改善板面之亮痕及預防壓合之滑動.其他尚有二段溫多段壓力之條件,此適用於低黏度之基材膠片,使用多段壓力
18、緩升壓,可預防壓合滑動產生.b. 控制要點1. 升溫曲線膠片於開熔融流動到完全不流動型態區間約80140,其升溫速率建議控制於1.53/min,以求得最佳之壓合效果,而料溫在170以上建議應大於40,以使樹脂curing完全,此係針對一般FR-4而言,若使用之材料為High-Tg材則curing時間應依各供應商之建議為準.2. 同一層各panel之料溫差異應小於5,超過即表示熱盤中之熱量供給有差異,須作熱煤流量校正,以確認管路是否阻塞.3. 每opening中之疊合層數約1011層,因此溫度傳遞上會有落差,當外層與中間層層料溫於100時其差異應小於154. 壓力曲線設定,一段壓力使用小壓力,即
19、讓熱盤剛好 住即可,約100150psi,待中間層料溫約5560時即可升至主壓段約300400psi,此時外層材料溫約在8590間,時間設定約1030分鐘左右,視材料料溫而定5. 冷壓機條件,一般降溫速率設定在材料料溫Tg以上時應小於2.5/min,料溫於Tg點以下時則可加快降溫速率,如此可避免熱應力殘留,同時冷壓之cycle time也不致太長,升溫條件及壓力條件設定一般皆應試作壓合,並接線量取實際料溫後,視實際壓合質狀況作微調,方可得到最佳之條件.3、 壓合後品質評估要項A. Working panel板邊之流膠情況,一般要求須在1cmB.白邊白角織紋顯露,不可延伸至成型區內C.銅箔pee
20、l strengthD.厚度分佈,全板面3milE.Tg, 以DSC測試, Tg要求在5以內, 一般正常壓合後之測試均可達到3以內.F.耐熱性依IPC-TM-6501. A Condition + 288 solder dipping 10”2. Pressure cook 12030 + 260 solder floating 10”四、壓合常見之異常原因就基材、壓合設備、條件及操作管理四項因素, 作品質異常不良之探討.要項異常項目造成之品質問題A.基材1.膠片黏度偏低滑動、壓合厚度偏薄、白邊白角2.黏度偏高織紋白化、壓合厚度偏厚、白邊白角3.膠含量不均滑動、壓合厚度分佈不均4.雜質污染分層
21、5.吸濕白邊白角B.壓合設備1.壓力分佈不均 熱盤平行度不良 緩衝材不良滑動、白邊白角、織紋白化及氣泡殘留2.真空泵異常氣泡殘留3.失壓織紋白化、氣泡殘留、分層4.熱煤油管阻塞溫度分佈不均Curing不足、白邊白角、織紋白化C.壓合條件1.升溫速率太快滑動、白邊白角、銅面折皺2.升溫速率太慢織紋白化、白邊白角、氣泡殘留3.壓力太大滑動、白邊白角、板厚偏薄4.壓力太小織紋白化、氣泡殘留、銅面折皺D.設計操作管理1.層間疊合對準度不良滑動、白邊白角2.使用高含膠量膠片滑動3.多張基材結構壓合滑動4.疊合層數過多滑動、白邊白角5.1 ply疊片結構內層厚銅線路填膠不良、折皺五. 結語對於壓合製程所產生的異常,一般均需等到外層線路蝕刻後才發現,時間上延遲約一星期左右,因此在異常的追查上顯得棘手,而由許多事後之追查經驗顯示,異常原因多為製程操作或設備所引起,因此在細部操作上,當條件設定完成後,對於壓合機溫度、壓力的校正,裁切完零星基材的管制,儲存環境的監控及緩衝材的使用等等,均應有一完整之管制系統及記錄,如此對於壓合品質的掌握將更能得心應手.
