CN101600298B - 一种电路板的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电路板的制作方法，包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻、镶嵌、表面处理工序，对于镶嵌铜粒PCB，压板、钻孔、板电和线电、镶嵌工序为关键工序。本发明的优点在于，通过控制压板、钻孔、板电、线电和镶嵌工序的参数，使得电路板的板厚均匀，方便后期镶嵌作业，特别是对较大的铜粒镶嵌，可以保证定位准确，结合效果好，板面平整度高，弯曲变形小。

Description

一种电路板的制作方法
技术领域
本发明涉及一种电路板的制作方法，尤其是涉及在板面上镶嵌铜散热片的电路板制作方法。
背景技术
随着现代电子技术的高速发展，越来越多的集成芯片用在复杂的电路设计上，同时电路板也越来越小型化，大量的电子元件密集，这对于一些大功率或者要保持低温的器件，如何散热成为一个较大的难题。通常的情况是在发热元件的表面贴装散热片，这样的设计虽解决了散热问题但却使得成品的体积大大增加，不利于产品高度集成化。
为了减小产品体积同时可以达到良好散热效果，一种将铜散热片镶嵌到电路板里的设计就应运而生。而这个设计在电路板的制作流程中从未出现过，需要工程人员在现有的PCB生产流程上去设计出可以实现该电路设计的制作流程，并最终得到可以商品化的镶嵌有铜散热片的电路板。传统的电路板制备工序包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻和表面处理工序？为了保证足够的散热效果，对铜散热片的直接要求多为8.25mm-10.25mm之间，因此，使用通常的制作工序镶嵌铜散热片的时候，容易出现结合不牢固，镶嵌处弯曲变形较大，板面的平整度不高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将铜散热片镶嵌在电路板上的制作方法，通过该方法制备出的电路板，其镶嵌的铜散热片与板体结合牢固，弯曲变形小，平整度高。
本发明的技术解决手段是：一种电路板的制作方法，包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻、镶嵌、表面处理工序，其中：
压板工序中，包括热压步骤和冷压步骤，其中热压时间为180min，系统抽真空绝压20000Pa(0.204Kgf/cm2)，控制压板压力为5.265-25.207Kgf/cm2，温度为150-200℃，冷压时间为60min，压力控制132.6Kgf/cm2，温度为20℃；
钻孔工序中，控制钻咀转速为20000转/分钟，入板速度为10英寸/分钟，退板速度为100英寸/分钟；
板电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为180-220g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，添加剂ST-2000BST为10-30ml/L，添加剂ST-2000CST为0.15-1.0ml/L，电流偏差控制在±6％，温度控制在24-32℃，板电参数为24ASF/30min；
线电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为200-240g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，添加剂ST-2000BST为10-30ml/L，添加剂ST-2000CST为0.2-1.0ml/L，电流偏差控制在±5％，温度控制在24-32℃，线电参数为12.5ASF/115min；
镶嵌工序中，包括检查铜粒，定位铜粒和PCB板，压合铜粒与PCB板成一体，测量平整度以及外观全检步骤，其中定位铜粒和PCB板步骤中，控制压力10±0.5Kgf/cm2，时间10秒，在压合铜粒和PCB板步骤中，控制压力为10±0.5Kgf/cm2，时间10秒。
作为一种优化方式，所述压板工序的热压步骤中，热压30分钟后，压板压力从5.265Kgf/cm2升至25.207Kgf/cm2，并保持到105分钟后降低压板压力至3.601Kgf/cm2。可以提高板厚均匀性，提高后期镶嵌的可靠性。
所述钻孔工序中，每个钻孔由所述钻咀分三次钻成，三次钻进深度的比例为30％∶30％∶40％。可以防止在钻取大孔径时容易出现的披峰、断钻咀等缺陷，容易控制且钻出的孔径一致性高。
本发明的优点在于，通过控制压板、钻孔、板电、线电和镶嵌工序的参数，使得电路板的板厚均匀，方便后期镶嵌作业，特别是对较大的铜粒镶嵌，可以保证定位准确，结合效果好，板面平整度高，弯曲变形小。
附图说明
附图1为本发明方法中热压步骤中的温度时间对应图；
附图2为本发明方法中热压步骤中的压力时间对应图；
附图3为本发明实施例的板厚分布图；
附图4为本发明实施例的位置偏差分布图；
附图5为本发明实施例的白圈测定示意图；
附图6为本发明实施例PCB板的弯曲变形测定示意图；
附图7为本发明实施例PCB板平整度测定示意图；
附图8为本发明实施例PCB板平整度测定示意图；
附图9为本发明实施例的插件面平整度分布图；
附图10为本发明实施例的焊接面平整度分布图；
附图11为本发明实施例的结合力分布图。
具体实施方式
实施例
产品要求在1.6mm厚的PCB板上镶嵌直径为8.25mm和10.25mm的铜粒作为散热片，镶嵌铜粒的位置要求如下：白圈≤0.3mm，弯曲变形≤100μm，结合力＞60N，平整度要求，插件面C/S为+25/-25μm，焊接面S/S为+85/-85μm。
根据产品的要求提出以下设计要求：
(1)板厚1.6±0.1mm，
(2)孔径±0.05mm；孔位置±0.075mm，
(3)电镀铜厚30-50μm，
为实现上述产品要求，本发明实施例采用以下工艺步骤：
一种电路板的制作方法，包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻、镶嵌、表面处理工序，对于镶嵌铜粒PCB，压板、钻孔、板电和线电(电镀)、镶嵌工序为关键工序；其他工序对铜粒镶嵌影响小或几乎没有，下面将对以上四个关键工序分别说明：
压板工序中，包括热压步骤和冷压步骤，其中热压时间为180min，系统抽真空绝压20000Pa，控制压板压力为5.265-25.207Kgf/cm2，温度为150-200℃，热压30分钟后，压板压力从5.265Kgf/cm2升至25.207Kgf/cm2，并保持到105分钟后降低压板压力至3.601Kgf/cm2；冷压步骤中冷压时间为60min，压力控制132.6Kgf/cm2，温度为20℃，系统在冷压步骤开始时停真空，系统真空度自然下降；
钻孔工序中，控制钻咀转速为20000转/分钟，入板速度为10英寸/分钟，退板速度为100英寸/分钟，且每个钻孔由所述钻咀分三次钻成，三次钻进深度的比例为30％∶30％∶40％；
板电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为180-220g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，ST-2000BST为10-30ml/L，ST-2000CST为0.15-1.0ml/L，电流偏差控制在±6％，温度控制在24-32℃，板电参数为24ASF/30min；
线电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为200-240g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，ST-2000BST为10-30ml/L，ST-2000CST为0.2-1.0ml/L，电流偏差控制在±5％，温度控制在24-32℃，线电参数为12.5ASF/115min；
镶嵌工序中，包括检查铜粒，定位铜粒和PCB板，压合铜粒与PCB板成一体，测量平整度以及外观全检步骤，其中定位铜粒和PCB板步骤中，控制压力10±0.5Kgf/cm2，时间10秒，在压合铜粒和PCB板步骤中，控制压力为10±0.5Kgf/cm2，时间10秒。
由于需要对每个步骤分别验证效果，由于压板和电镀不会损坏板材，而测量孔壁铜厚、测定结合力，均会破坏线路板，因此，在压板时按照前述步骤制作35块PCB电路板，压板和钻孔后分别随机选取10块板测试，电镀生产时选取8块板测试孔壁铜厚，最后在测定结合力时，因板数有限，选取其中的4块板。钻孔时是在每块板上分别镶嵌18个直径为8.25mm的铜粒和18个直径为10.25mm。以下分别对各步骤的实施予以说明。
1、压板工序
迭板时选用六层线路层的线路板结构，其中第1和第6层线路层用0.50Z厚铜箔，第2至第5层线路层用10Z厚铜箔，第1线路层和第2线路层之间放置2张型号为7628的半固定片，第2线路层和第3线路层是内层板，板料厚度为7.5±1mil，第3线路层和第4线路层之间放置2张型号为7628的半固定片，第4线路层和第5线路层是内层板，板料厚度为7.5±1mil玻璃树脂布，第5线路层和第6线路层之间放置2张型号为7628的半固定片。其中1mil为25.4μm，10Z约为1.35mil，即约为34.29μm。
如表1所示，为热压步骤中压力和温度的设置
时间(min) 压力Kgf/cm2(psi) 时间(min) 温度(℃)
  0   5.265(75)   0   150
  20   5.265(75)   20   150
  30   5.265(75)   27   185
  32   25.207(350)   30   185
  55   25.207(350)   55   185
  135   25.207(350)   57   200
  137   3.601(50)   135   200
  155   3.601(50)   155   200
  180   3.601(50)   175   150
  180   150
热压步骤中的温度和压力以及时间的对应关系见附图1和附图2。
选取压制后的10块PCB板，进行检测：
检测仪器为测板厚机，型号Mitutoyo  ID-C15 OMB，
测量方法：制作与PCB设计图形一致的菲林，将其覆盖在压后的PCB上，这样可以准确测量铜粒镶嵌位置的板厚度。
检测结果见表2
表2压板后板厚记录                                                         单位：mm
Figure G2009100410043D00051
参见附图3，为板厚度分布图，从上述数据结果和分析来看，使用本发明方法的压板工序，可以获取涉及要求的板厚，为后续工序提供了可靠的PCB电路板。
2、钻孔工序
钻孔是要在PCB上钻出满足要求的孔径、孔位置以及无披峰、塞孔等问题的PCB。针对于大孔且孔径精度要求高的PCB，在这之前，业界中并无使用这样的大钻咀先例，钻这样的孔容易产生披峰、断钻咀以及不能满足孔径、孔位置等要求，因此寻找合适的参数和钻孔方法是关键。最终确定钻镶嵌铜粒孔的参数如下。
钻机：HITACHI  ND-6L180E
钻咀：盈柏APEX  ST8.225  ST10.225
钻孔参数及方法：
(1)2块/叠，S＝20000RPM，F＝10英寸/分钟，U＝100英寸/分钟，H＝400次；其中S为钻咀的转速，F为钻咀钻入板的速度，U为退板速度，H为钻咀钻孔的次数，钻1个孔为1次。
(2)采用3段钻板(即同一个钻咀在同一个孔分3次钻孔动作完成)，第1、2、3次分段钻的深度比例为30％∶30％∶40％。
检测：
仪器设备：针规东莞正业电子有限公司0.01mm规格；Micro-Vu QuantumVision Measuring Systems  东莞台超贸易企业有限公司
孔径用针规测量，相邻两规格的针规可通过孔和不可通过孔，一个规格值为0.01mm，即得出孔径值为小规格针规值加上0.005mm。
孔位置用MICRO VU测量机测量，通过与设计坐标相比较得出孔位置精度。
孔径的测量结果见表3，
孔位置的测量结果见表4。
参阅图4，为孔位置偏差分布图，从上述附图及表3、4中可以看出，孔径的效果很好，孔位置也满足设计要求。由于孔径的测量是使用针规，8.22mm(或10.22mm)针规通过孔，而8.23mm(或10.23mm)针规不能通过孔，数据记录即为8.225mm(或10.225mm)。
表3钻孔后孔径记录                                                         单位：mm
表4钻孔后孔位置记录                                                       单位：mm
Figure G2009100410043D00072
3、板电和线电工序
电镀分为板电和线电，电镀铜厚要求是指板电和线电产生铜厚的总和。对电镀效果的检测主要是镀铜厚度和孔径，测孔径的目的是检查电镀的整板均匀性和是否有缺陷产品。
仪器：针规东莞正业电子有限公司0.01mm规格；显微镜LEICADM2500M
孔径用针规测量，相邻两规格的针规可通过孔和不可通过孔，一个规格值为0.01mm，即得出孔径值为小规格针规值加上0.005mm。
镀铜厚度做切片用显微镜测量。
电镀后孔径记录见表5
表5电镀后孔径记录                                                       单位：mm
电镀铜厚记录见表6
表6电镀铜厚记录                                                         单位：μm
Figure G2009100410043D00082
从上述表5和表6可以看出，各板的电镀铜厚度均在设计的要求之内。
4、镶嵌工序
压合机  广东锻压机有限公司  YD-80
压合车间环境  温度  20-24℃；相对湿度≤50％；静态含尘量(直径0.5微米以上颗粒)＜10K；动态含尘量(直径1.0微米以上颗粒)＜10K
压合流程：检查铜粒→定位铜粒与PCB→压合铜粒与PCB成一体→测量平整度→外观全检
检查铜粒是对铜粒的外观检查，检查出有氧化及刮花的铜粒。将铜粒定位在PCB上，进一步压合使铜粒全部压入PCB达到平整度要求。最后利用HOMMELTESTER测量平整度和FQC全检产品外观。
压合参数：
定位铜粒与PCB        压力：10±0.5Kgf/cm2    时间：10秒
压合铜粒与PCB成一体  压力：10±0.5Kgf/cm2    时间：10秒
检测：
仪器HOMMEL TESTER T1000
平整度  通过测量HOMMEL TESTER上显示的波的高度差得出平整度
外观检查  肉眼检查外观
可靠性测试
接触电阻测试
仪器  微欧仪  上海  PC-9A
方法  在室温下用微欧仪测量
白圈测试
参见附图5，白圈4是指铜粒2压入PCB板1后，铜粒2对PCB板1内层的树脂3的损坏而产生的不同位的大小的反光现象。
仪器  显微镜  LEICA  贝嘉  DM2500M
方法  对铜粒凸出与孔壁接触位置做切片用显微镜观察
弯曲变形测试
参见附图6，弯曲变形是指铜粒2压入PCB板1后，铜粒2对PCB板1内层的树脂3和线路层的破坏而产生的线路的弯曲现象。
仪器  显微镜LEICA  贝嘉 DM2500M
方法  对铜粒凸出与孔壁接触位置做切片用显微镜观察
平整度测试
参见图7和附图8，平整度是指铜粒2表面与PCB板1两面的插件面(C/S)5和焊接面(S/S)6之间的高度差。
仪器  小型粗糙度仪HOMMEL TESTER T1000
方法  通过测量HOMMEL TESTER上显示的波的高度差得出平整度
结合力测试
结合力是铜粒与PCB板之间的摩擦力。
仪器  万能材料测试机  德国BZ2.5/TNIS
方法  将PCB经过-40～125℃，100个循环+2次回流焊的前处理后，用万能材料测试机测量。
参见表7，为任意抽选的4块板的结合力结果
表7结合力结果                                                        单位：N
Figure G2009100410043D00101
参见附图11，为结合力分布图，由上述内容可以看出，使用本发明方法制备的镶嵌铜散热片的电路板，其与铜粒之间的摩擦力完全可以满足设计的控制要求和产品要求。
参见表8，为11块板的平整度测试结果，
表8平整度结果                                                     单位：μm
Figure G2009100410043D00111
参阅图9和图10，可以看出，使用本发明的方法制备的PCB电路板，其平整度高，弯曲变形小；此外，试验中无发现白圈产生，证明本发明方法设定的特别控制步骤是有效的，能满足设计和产品的要求。

Claims (3)

1.一种电路板的制作方法，其特征在于：它包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻、镶嵌、表面处理工序，其中：
压板工序中，包括热压步骤和冷压步骤，其中热压时间为180min，系统抽真空绝压20000Pa(0.204Kgf/cm2)，控制压板压力为5.265-25.207Kgf/cm2，温度为150-200℃，冷压时间为60min，压力控制132.6Kgf/cm2，温度为20℃；
钻孔工序中，控制钻咀转速为20000转/分钟，入板速度为10英寸/分钟，退板速度为100英寸/分钟；
板电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为180-220g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，ST-2000BST为10-30ml/L，ST-2000CST为0.15-1.0ml/L，电流偏差控制在±6％，温度控制在24-32℃，板电参数为24ASF/30min；
线电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为200-240g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，添加剂ST-2000BST为10-30ml/L，添加剂ST-2000CST为0.2-1.0ml/L，电流偏差控制在±5％，温度控制在24-32℃，线电参数为12.5ASF/115min；
镶嵌工序中，包括检查铜粒，定位铜粒和PCB板，压合铜粒与PCB板成一体，测量平整度以及外观全检步骤，其中定位铜粒和PCB板步骤中，控制压力10±0.5Kgf/cm2，时间10秒，在压合铜粒与PCB板成一体步骤中，控制压力为10±0.5Kgf/cm2，时间10秒。
2.一种电路板的制作方法，其特征在于：它包括压板、钻孔、沉铜、板电、外层干菲林、线电、外层蚀刻、镶嵌、表面处理工序，其中：压板工序中，包括热压步骤和冷压步骤，其中热压时间为180min，系统抽真空绝压20000Pa(0.204Kgf/cm2)，热压30分钟后，压板压力从5.265Kgf/cm2升至25.207Kgf/cm2，并保持到105分钟后降低压板压力至3.601Kgf/cm2，温度为150-200℃，冷压时间为60min，压力控制132.6Kgf/cm2，温度为20℃；钻孔工序中，控制钻咀转速为20000转/分钟，入板速度为10英寸/分钟，退板速度为100英寸/分钟；
板电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为180-220g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，ST-2000BST为10-30ml/L，ST-2000CST为0.15-1.0ml/L，电流偏差控制在±6％，温度控制在24-32℃，板电参数为24ASF/30min；
线电工序中，控制CuSO4的浓度为60-90g/L，H2SO4浓度为200-240g/L，氯离子CL-浓度控制为40-70ppm，污染指数＜0.12mA，添加剂ST-2000BST为10-30ml/L，添加剂ST-2000CST为0.2-1.0ml/L，电流偏差控制在±5％，温度控制在24-32℃，线电参数为12.5ASF/115min；
镶嵌工序中，包括检查铜粒，定位铜粒和PCB板，压合铜粒与PCB板成一体，测量平整度以及外观全检步骤，其中定位铜粒和PCB板步骤中，控制压力10±0.5Kgf/cm2，时间10秒，在压合铜粒与PCB板成一体步骤中，控制压力为10±0.5Kgf/cm2，时间10秒。
3.根据权利要求1或2所述的一种电路板的制作方法，其特征在于：所述钻孔工序中，每个钻孔由所述钻咀分三次钻成，三次钻进深度的比例为30％∶30％∶40％。
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