埋嵌銅塊印製電路板的設計和關鍵工序的製造方法
2020-12-04 電子發燒友埋嵌銅塊印製電路板的設計和關鍵工序的製造方法
李倩 發表於 2018-10-24 10:18:04
摘要：埋嵌銅塊印製電路板具有高導熱性、高散熱性和節省板面空間等特點，能有效解決大功率電子元器件的散熱問題。本文從埋嵌銅塊設計、疊層結構、關鍵生產工藝、產品相關檢測和可靠性等方面研究與分析，系統闡述了埋嵌銅塊印製電路板的設計和關鍵工序的製造方法。
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前言
隨著電子產品體積越來越小，印製電路板（PCB）的體積也不斷的縮小，線路設計越來越密集化。由於元器件的功率密度提高，PCB的散熱量過大，從而影響了元器件的使用壽命、老化甚至元器件失效等。此前某知名手機電池爆炸事件讓設計者和製造商提高了警惕，手機內部要預留一定的空間，並且在手機散熱上也要兼顧無線充電線圈充電時的散熱問題。此事件再次證明，電子產品熱管理的緊迫性。基於新一代信息技術、節能與新能源汽車、電力裝備等領域的發展，散熱問題的解決迫在眉睫。目前解決PCB散熱問題有很多途徑，如密集散熱孔設計、厚銅箔線路、金屬基（芯）板結構、埋嵌銅塊設計、銅基凸臺設計、高導熱材料等。直接在PCB內埋嵌金屬銅塊，是解決散熱問題的有效途徑之一。但現有製作工藝存在銅塊與基板結合力不足、耐熱性差、溢膠難清除、產品合格率低等問題，限制了埋嵌銅塊PCB技術成果的應用和推廣，因此現有技術有待進一步研究和提高。
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實驗部分
隨著散熱基板的技術不斷提高與市場高速發展，散熱基板在基板材料和產品結構方面，呈現出技術變革與創新的熱潮。具體表現在：（1）採用高導熱基板材料，如鋁基板材料、銅基板材料、金屬複合材料、陶瓷基板材料等；（2）在產品結構上的改變，如厚銅箔基板、金屬基（芯）板、埋嵌銅塊板、陶瓷基板、銅基凸臺板、銅導電柱，以及PCB與散熱片一體結構等產品新型結構。
埋嵌銅塊PCB散熱技術，是將銅塊埋嵌到FR4基板或高頻混壓基板，銅的導熱係數遠大於PCB介質層，功率器件產生的熱量可以通過銅塊有效傳導至PCB和通過散熱器散發。承載銅塊的PCB可以設計成多層板，基板材料根據產品結構設計需要選用FR4（環氧樹脂）材料或高頻混壓材料。埋銅塊設計主要分為兩大類：第一類是銅塊半埋型，命名為「埋銅塊」；第二類是銅塊貫穿型，命名為「嵌銅塊」。埋入銅塊厚度小於板件總厚度，銅塊一面與底層齊平，另一面與內層的某一面齊平，如圖1（銅塊半埋型）所示。埋入的銅塊厚度與板件總厚度接近或相當，銅塊貫穿頂層，如圖2（銅塊貫穿型）所示，此種設計銅塊有埋階梯銅塊和埋直銅塊，埋階梯銅塊如圖3所示。
微波PCB散熱問題一直是電子行業較為關注的問題之一，如何降低RF（射頻）層介厚、減少銅箔表面粗糙度的同時，縮短散熱路徑和發熱量，主要途徑是通過技術提高微波基板導熱係數、密集散熱孔或局部鍍厚銅或微波板材地層厚銅化、局部埋嵌散熱銅塊。立足於現有成熟微波板材，通常採用後兩者設計方案。
疊層結構
埋嵌銅塊PCB從壓合疊層結構上可以概括為二大類：第一類是在FR4（環氧樹脂）材料三層或以上多層板結構內埋嵌銅塊（如圖4）；第二類是在FR4芯板與高頻材料混壓多層板結構內埋嵌銅塊（如圖5）。
在FR4芯板和半固化片的埋銅區域銑出埋銅槽，然後將銅塊棕化後壓合製作，使銅塊與FR4芯板組合在一起。高頻材料局部混壓嵌埋銅塊PCB的加工方法，首先是在內層芯板和半固化片埋銅塊混壓區域銑出埋銅槽、局部混壓槽，然後疊合和熱熔，銅塊嵌入槽內，再進行壓合，使銅塊與FR4基板、高頻基板混壓在一起，實現散熱功能。
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埋嵌銅塊製造工藝
（1）銅塊與板（或混壓區）的銑槽尺寸匹配性：銅塊放置在銑槽中，銅塊過松或過緊的影響壓合填膠質量和結合力。
（2）銅塊與板（或混壓區）的平整度控制：壓合時，銅塊與FR-4芯板（或混壓區）的平整度難以控制，需確保銅塊與板的平整度控制在±0.075 mm以內。
（3）銅塊上的殘膠難以清除：壓合時從銅塊與板縫隙溢出的樹脂流至銅塊上的殘膠難以清除，影響產品可靠性。
（4）銅塊與板（或混壓區）的可靠性：壓合時銅塊與FR-4芯板（或混壓區）存在一定的高度差，容易導致銅塊與板的連接處填膠不足、空洞、裂紋、分層等問題。
2.2 工藝流程
2.2.1 埋嵌銅塊多層板工藝流程
開料（銅塊、FR4基板、半固化片）→內層線路→內層AOI →OPE衝孔 →內層芯板及半固化片銑槽→ 棕化→鉚合→ 壓合（放置銅塊）→ 削溢膠（磨板）→ 銑盲槽（控深銑床）→機械鑽孔（含鑽盲孔）→化學鍍銅→板電 →外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI→ 防焊 →文字→ 成型 →電測 →化學鍍錫→成品檢驗
2.2.2 埋嵌銅塊高頻混壓板工藝流程
開料（銅塊、FR-4基板、高頻基板、半固化片）→內層線路（含高頻板）→內層AOI→OPE衝孔→內層芯板及半固化片銑槽 → 棕化→鉚合→ 壓合（放置銅塊）→ 削溢膠（磨板）→ 機械鑽孔（含鑽盲孔）→化學鍍銅→板電→ 外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI → 防焊 →文字→成型銑槽 →化學鍍鎳/金→成型→電測 →成品檢驗
2.3 製造關鍵技術及控制措施
2.3.1 銅塊成型
銅塊成型主要有三種方法：第一種是通過專用銑床直接銑出所需尺寸的銅塊，但需要配備金屬基板銑床、專用銑刀，成本較高；第二種是通過銑床二次加工，具有控深銑功能的銑床，使用鑽尖形的雙刃銑刀先粗銑一遍，再精銑一遍，但需配備控深銑功能的銑床、專用銑刀，成本較高；第三種是使用衝床衝切，雖然生產效率高，但模具製作成本高，生產靈活性差，不適合樣板或小批量生產。為解決以上問題，研製出圖形蝕刻和銑床加工工藝，先對銅塊圖形轉移，然後通過蝕刻機蝕刻出銅塊外形，再用常規銑刀、銑床對銅塊外形進行二次加工，因此生產效率較高、生產成本相對較低。
2.3.2 內層芯板和半固化片銑槽
根據疊合結構，對內層芯板和半固化片銑內槽，試驗結果（如表1）。結果表明對內層芯板和半固化片先銑內槽，再鉚合，其品質可靠性高。
2.3.3 銅塊壓合
銅塊壓合前，先要對銅塊進行水平棕化處理，並使用棕化輔助工具（如網紗拖板），防止銅塊尺寸過小導致機器卡板或掉入缸內，確保銅塊的微蝕效果。為提高銅塊與板（或混壓區）的平整度和可靠性，除需考慮銅塊厚度與板厚之間的匹配性，還要選用離型膜、鋁片、緩衝墊等合適的緩衝材料，壓合排版順序（如圖6）。疊層結構設計進一步優化，選用高樹脂含量的半固化片，設定埋銅塊PCB的專用壓合程式，使樹脂充分填充和材料完全固化，確保壓合後的耐熱性和絕緣性。
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產品相關檢測和可靠性測試
3.1 產品相關檢測
產品相關檢測結果（如表2），產品切片效果（如圖7~圖10）。
3.2 熱應力
3.2.1 參考標準
IPC-TM-650，2.6.8鍍覆孔的熱應力試驗；IPC-6012C剛性印製板的鑑定及性能規範。
3.2.2 試驗方法
烘烤條件：121 ℃~149 ℃，至少6 h；熱應力試驗條件：288 ℃±5 ℃，10 s，3次。試驗後樣品的判定：銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象。
3.2.3 試驗結果
樣品按以上試驗方法測試後，銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象，耐熱性良好（如圖11）。
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結語
隨著新一代信息技術、節能與新能源汽車、電力裝備、航空航天等領域的發展，散熱問題的解決迫在眉睫。埋嵌銅塊印製板具有高導熱性和高散熱性，在特殊應用領域中能有效解決大功率電子元器件的散熱問題。本文從埋嵌銅塊設計、疊層結構、關鍵生產工藝、產品相關檢測和可靠性等方面進行研究與分析，系統闡述了埋嵌銅塊印製板的設計和關鍵工序的製造方法，為PCB技術研發人員提供參考。
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