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常见问题

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PCB内层短路的原因分析以及解决方法
2021-12-13
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多层PCB研发和生产制作过程来说,经常发生一些品质问题,特别是多层PCB的内层,随着PCB线路板向更高密度发展,布线密度越来越高,很多内外层导线宽度和间距只有0.10-0.075mm、小孔和微孔其中有埋孔、盲孔等。如球栅阵列--种组装结构形式。根据组装结构形式要求,在PCB的设计上和制造上必须满足它的外层布线密度为0.10-0.125mm和内层为0.10-0.075mm、孔径为0.25-0.35mm等设计要求而且是多层板。这要求层间对齐非常精确。然而,由于工艺误差的存在,多层印制电路板的内层短路问题时有发生。内部短路是多层PCB最大的质量问题,因为如果多层PCB内部存在短路缺陷,将成为难以修复的产品。如果电气安装后发现此类缺陷,将造成巨大的经济损失。因此,要解决多层PCB内部短路问题,必须首先找出引起内部短路的主要工艺因素,从而采取相应的工艺对策。

一、原材料对内层短路影响:
多层PCB材料尺寸的稳定性是影响内层定位精度的主要因素。基材与铜箔的热膨胀系数对多层PCB的内层影响也必须有所考虑。从所采用的基材的物理特性分析,层压板都含有聚合物,它在一定的温度下主要结构会发生变化,通称为玻璃化转变温度Tg。玻璃化转变温度是大从数聚合物的特有性能,仅次于热膨胀系数,它是层压板最重要的特性。

由于层压板热膨胀比孔体快,这就意味着通孔体沿层压板形变方向被拉伸。这个应力条件在通孔体中产生了张力的应力,当温度升高时,该张力应力将继续增高,当应力超过通孔镀层的断裂强度时,镀层将会断裂。同时层压板较高的热膨胀率,使内层导线及焊盘上的应力明显增加,致使导线与焊盘开裂,造成多层PCB内层短路。所以,在制造适用BGA等高密度封装结构对PCB的原材料的技术要求,要特别进行认真的分析,选择基材与铜箔的热膨胀系数基本要达到相匹配。

二,钻孔质量对内层短路的影响
1、孔位误差分析
为了获得高质量、高可靠性的电气连接,钻孔后焊盘与导线的连接处最小要保持50μm。要保持这么小的宽度,钻孔的位置精度要很高,产生的误差要小于或等于工艺所提出的尺寸公差技术要求。但钻小孔的孔位误差主要由钻床的精度、钻头的几何形状、盖、垫板的特性和工艺参数而定。从实际生产过程所积累的经验分析是由四个方面造成的:相对孔的真实位置钻床的振动造成的振幅、主轴的偏移、钻头进入基板点所产生的滑移和钻头进入基板后由于受玻璃纤维的阻力和钻屑引起的弯曲变形。这些因素都会造成内层孔位偏移而产生短路的可能性。

2、根据上述所产生的孔位偏差,为解决和排除产生误差超标的可能性,建议采用分步钻孔的工艺方法,可以大减少钻屑排除的效果和钻头温升。因此,需要改变钻头的几何形状(横截面积、钻芯厚度、锥度、排屑槽角、排屑槽和长度与刃带比率等)来增加钻头的刚度,孔位精度就会大改善。同时还要正确的选择盖垫板和钻孔的工艺参数,才能确保钻孔的孔位精度在工艺规定的范围以内。除了上述保证条件外,外因也是必须注视的焦点。如果内层定位不准,在钻孔时通孔偏位,也同样导致内层断路或短路。

三、内层蚀刻质量对内层短路的影响
内层蚀刻过程易产生末蚀刻掉的残铜点,这些残铜有时极小,如果不采用光学测试仪进行直观的检测,而用肉眼视觉很难发现,就会带到层压工序,将残铜压制到多层PCB的内部,由于内层密度很高,最容易使残留铜搭接到两导线之间而造成多层PCB内层短路。

四、层压工艺参数对内层短路的影响
内层板在层压时必须采用定位销来定位,如果装板时所使用的压力不均匀,内层板的定位孔就会产生变形、压制所采取的压力过大产生的剪应力和残余应力也很大,层缩变形等等原因,都会造成多层PCB的内层产生短路而报废。

五、底片制作和使用误差对内层短路的影响
电路图形的生成通过CAD/CAM系统进行转换,最终生成1:1的照片底片用于电路图像传输。然后将胶片转移至重氮负片进行生产。在为制版转换和生成负片的过程中,会发生人为和机械错误。开发生产数据经过一段时间的统计分析,往往在以下几个方面出现偏差:
(1)层与层之间在冲制定位孔时,由于视觉的差错,而产生层与层之间偏差。
(2)光绘底片复制成重氮底片时,人为和设备所造成的偏差。
(3)底片转移电路图形成像时产生的位移现象,导致成像孔位的偏差。
(4)底片保存和使用过程,由于温度与湿度的影响导致片基伸长与缩进而造成的底片通孔位置的偏差。
(5)图形转移过程由于人为视觉差异和定位精度,所造成的孔位偏差。
(6)片基本身的质量问题造成的偏差。

这些是PCB线路板制造过程的综合误差,根据军标和国际标准规定,其综合误差值不应大于导线的宽度。如果超过标准和工艺规定尺寸范围,就会造成多层PCB内层短路。为了确保底片制作质量和使用质量的可靠性,就必须加强过程的监控和管理,使制造BGA结构器件所需的多层PCB,从投料开始对每道工序必须制定正确的、可操作性和有效性的工艺方法和对策。

六、定位系统的方法精度对内层短路的影响
在底片生成、电路图形制作、叠层、层压和钻孔过程,都必须进行定位,至于采用何种形式的定位方法,需要进行认真的研究和分析。这些需要定位的半成品都会因为选择的定位精度的差异,带来一系列的技术问题,稍有不慎就会导致多层PCB内层产生短路现象。究竟选择何种定位方法,应由所选用的定位的精度适用性和有效性而定。多层PCB层间对位工艺方法很多,主要有以下八种:
(1)两园孔销钉定位方法。
(2)一孔一槽定位方法。
(3)三园孔或四园孔定位方法。
(4)四槽孔定位方法。
(5)MASS LAMINATE定位方法。
(6)对位粘贴定位方法。
(7)蚀刻后定位方法。
(8)X-射线钻定位孔方法。
这八种工艺方法而言,就精度和可靠性分析,以四槽孔定位工艺方法适合此种六层PCB的定位加工。当然影响多层PCB的层间定位精度因素很多,此文所论及的光绘底片、层压芯材、上垫板及制造所采用的定位设备、生产工艺设备、工艺环境条件、工艺技术和加工操作过程诸多因素综合的结果。由于定位精度的差异和工艺方法选择上的区别,最容易造成多层PCB内层产生偏移、致使内层产生致使的质量问题-内层短路。

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