埋嵌銅塊印制電路板的設(shè)計和關(guān)鍵工序的制造方法

摘要：埋嵌銅塊印制電路板具有高導(dǎo)熱性、高散熱性和節(jié)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(shè)計、疊層結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品相關(guān)檢測和可靠性等方面研究與分析，系統(tǒng)闡述了埋嵌銅塊印制電路板的設(shè)計和關(guān)鍵工序的制造方法。

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前言

隨著電子產(chǎn)品體積越來越小，印制電路板（PCB）的體積也不斷的縮小，線路設(shè)計越來越密集化。由于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(shè)計者和制造商提高了警惕，手機內(nèi)部要預(yù)留一定的空間，并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(chǎn)品熱管理的緊迫性。基于新一代信息技術(shù)、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備等領(lǐng)域的發(fā)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(shè)計、厚銅箔線路、金屬基（芯）板結(jié)構(gòu)、埋嵌銅塊設(shè)計、銅基凸臺設(shè)計、高導(dǎo)熱材料等。直接在PCB內(nèi)埋嵌金屬銅塊，是解決散熱問題的有效途徑之一。但現(xiàn)有制作工藝存在銅塊與基板結(jié)合力不足、耐熱性差、溢膠難清除、產(chǎn)品合格率低等問題，限制了埋嵌銅塊PCB技術(shù)成果的應(yīng)用和推廣，因此現(xiàn)有技術(shù)有待進(jìn)一步研究和提高。

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實驗部分

隨著散熱基板的技術(shù)不斷提高與市場高速發(fā)展，散熱基板在基板材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，呈現(xiàn)出技術(shù)變革與創(chuàng)新的熱潮。具體表現(xiàn)在：（1）采用高導(dǎo)熱基板材料，如鋁基板材料、銅基板材料、金屬復(fù)合材料、陶瓷基板材料等；（2）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(dǎo)電柱，以及PCB與散熱片一體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品新型結(jié)構(gòu)。

埋嵌銅塊PCB散熱技術(shù)，是將銅塊埋嵌到FR4基板或高頻混壓基板，銅的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于PCB介質(zhì)層，功率器件產(chǎn)生的熱量可以通過銅塊有效傳導(dǎo)至PCB和通過散熱器散發(fā)。承載銅塊的PCB可以設(shè)計成多層板，基板材料根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計需要選用FR4（環(huán)氧樹脂）材料或高頻混壓材料。埋銅塊設(shè)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”。埋入銅塊厚度小于板件總厚度，銅塊一面與底層齊平，另一面與內(nèi)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(dāng)，銅塊貫穿頂層，如圖2（銅塊貫穿型）所示，此種設(shè)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(yè)較為關(guān)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(fā)熱量，主要途徑是通過技術(shù)提高微波基板導(dǎo)熱系數(shù)、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。立足于現(xiàn)有成熟微波板材，通常采用后兩者設(shè)計方案。

疊層結(jié)構(gòu)

埋嵌銅塊PCB從壓合疊層結(jié)構(gòu)上可以概括為二大類：第一類是在FR4（環(huán)氧樹脂）材料三層或以上多層板結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)埋嵌銅塊（如圖5）。

在FR4芯板和半固化片的埋銅區(qū)域銑出埋銅槽，然后將銅塊棕化后壓合制作，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(nèi)層芯板和半固化片埋銅塊混壓區(qū)域銑出埋銅槽、局部混壓槽，然后疊合和熱熔，銅塊嵌入槽內(nèi)，再進(jìn)行壓合，使銅塊與FR4基板、高頻基板混壓在一起，實現(xiàn)散熱功能。

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埋嵌銅塊制造工藝

（1）銅塊與板（或混壓區(qū)）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(zhì)量和結(jié)合力。

（2）銅塊與板（或混壓區(qū)）的平整度控制：壓合時，銅塊與FR-4芯板（或混壓區(qū)）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(nèi)。

（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(chǎn)品可靠性。

（4）銅塊與板（或混壓區(qū)）的可靠性：壓合時銅塊與FR-4芯板（或混壓區(qū)）存在一定的高度差，容易導(dǎo)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(nèi)層線路→內(nèi)層AOI →OPE沖孔 →內(nèi)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）→機械鉆孔（含鉆盲孔）→化學(xué)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(xué)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(nèi)層線路（含高頻板）→內(nèi)層AOI→OPE沖孔→內(nèi)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）→ 機械鉆孔（含鉆盲孔）→化學(xué)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(xué)鍍鎳/金→成型→電測 →成品檢驗

2.3 制造關(guān)鍵技術(shù)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，使用鉆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；第三種是使用沖床沖切，雖然生產(chǎn)效率高，但模具制作成本高，生產(chǎn)靈活性差，不適合樣板或小批量生產(chǎn)。為解決以上問題，研制出圖形蝕刻和銑床加工工藝，先對銅塊圖形轉(zhuǎn)移，然后通過蝕刻機蝕刻出銅塊外形，再用常規(guī)銑刀、銑床對銅塊外形進(jìn)行二次加工，因此生產(chǎn)效率較高、生產(chǎn)成本相對較低。

2.3.2 內(nèi)層芯板和半固化片銑槽

根據(jù)疊合結(jié)構(gòu)，對內(nèi)層芯板和半固化片銑內(nèi)槽，試驗結(jié)果（如表1）。結(jié)果表明對內(nèi)層芯板和半固化片先銑內(nèi)槽，再鉚合，其品質(zhì)可靠性高。

2.3.3 銅塊壓合

銅塊壓合前，先要對銅塊進(jìn)行水平棕化處理，并使用棕化輔助工具（如網(wǎng)紗拖板），防止銅塊尺寸過小導(dǎo)致機器卡板或掉入缸內(nèi)，確保銅塊的微蝕效果。為提高銅塊與板（或混壓區(qū)）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、緩沖墊等合適的緩沖材料，壓合排版順序（如圖6）。疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化，選用高樹脂含量的半固化片，設(shè)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，確保壓合后的耐熱性和絕緣性。

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產(chǎn)品相關(guān)檢測和可靠性測試

3.1 產(chǎn)品相關(guān)檢測

產(chǎn)品相關(guān)檢測結(jié)果（如表2），產(chǎn)品切片效果（如圖7~圖10）。

3.2 熱應(yīng)力

3.2.1 參考標(biāo)準(zhǔn)

IPC-TM-650，2.6.8鍍覆孔的熱應(yīng)力試驗；IPC-6012C剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范。

3.2.2 試驗方法

烘烤條件：121 ℃~149 ℃，至少6 h；熱應(yīng)力試驗條件：288 ℃±5 ℃，10 s，3次。試驗后樣品的判定：銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現(xiàn)象。

3.2.3 試驗結(jié)果

樣品按以上試驗方法測試后，銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現(xiàn)象，耐熱性良好（如圖11）。

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結(jié)語

隨著新一代信息技術(shù)、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展，散熱問題的解決迫在眉睫。埋嵌銅塊印制板具有高導(dǎo)熱性和高散熱性，在特殊應(yīng)用領(lǐng)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(shè)計、疊層結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品相關(guān)檢測和可靠性等方面進(jìn)行研究與分析，系統(tǒng)闡述了埋嵌銅塊印制板的設(shè)計和關(guān)鍵工序的制造方法，為PCB技術(shù)研發(fā)人員提供參考。