一種新型內(nèi)埋銅塊印制電路板制作研究

陳志宇 唐德眾

（通元科技（惠州）有限公司，廣東 惠州 516000）

0 前言

埋嵌銅塊印制電路板在通訊和汽車電子領域已廣泛應用，其主要有兩方面的作用：（1）用于大功率元件的散熱，利用銅塊的高導熱性，埋嵌到FR-4基板或高頻混壓基板內(nèi)，大功率器件產(chǎn)生的熱量可以通過銅塊有效傳導至印制電路板外，再通過散熱器散發(fā)（如圖1）；（2）PCB需要大截面的銅線來傳導高電流，通過使用一定厚度的銅嵌件放大導體的厚度，可以在PCB局部產(chǎn)生允許通過高電流峰值的區(qū)域（如圖2）。

常規(guī)埋銅塊設計主要有三種類型：

第一類是銅塊半埋型，命名為“U型埋銅塊”，埋入銅塊厚度小于板件總厚度，銅塊一面與板面齊平，另一面與內(nèi)層的某一面齊平（如圖3）。

第二類是銅塊貫穿型，命名為“I型埋銅塊”，埋入的銅塊厚度與板件總厚度接近或相當，銅塊貫穿兩面（如圖4）。

第三類是銅塊階梯貫穿型，命名為“T型埋銅塊”，此種設計階梯形狀的銅塊貫穿兩面（如圖5）。

以上三種類型埋銅塊板制作工藝業(yè)內(nèi)早已研究比較透徹。目前還有一種新型的埋銅塊設計，將銅塊埋置于內(nèi)層，內(nèi)埋銅塊通過與之相連導通的盲孔與外層導熱、傳導電流，命名為“內(nèi)埋型銅塊”（如圖6）。

圖1 埋銅塊散熱示意圖

圖2 埋銅塊傳導高電流示意圖

圖3 半埋銅塊

圖4 埋置銅塊

圖5 埋階梯銅塊

圖6 內(nèi)層埋銅塊

本文針對這種新型的內(nèi)層埋銅塊PCB進行全流程的制作研究，主要從基板選材、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、散熱性能、埋銅混壓區(qū)平整度、流膠寬度、凹陷深度、銅塊處理方案，埋銅區(qū)可靠性等多個技術指標分別進行測試與優(yōu)化（如圖6）。

1 技術難點剖析

內(nèi)層埋銅塊板的散熱不能直接通過銅塊本身傳導，還需要在PCB上鉆盲孔，盲孔電鍍填孔成銅柱與銅塊連接，形成熱量散發(fā)的通道。銅塊上的盲孔作為散熱孔，盲孔的數(shù)量、孔徑大小、孔內(nèi)的銅厚影響著銅塊的總導熱率。理論上單位面積內(nèi)孔數(shù)越多、孔徑越大、孔內(nèi)銅越厚、導熱效果越好，所以在實際制作時要綜合考慮。在單位面積的銅塊上設計最優(yōu)的孔數(shù)、孔徑，既需保證良好的導熱性，又要確保電鍍可以填平填滿盲孔，保證芯片焊盤表面的平整性、可焊性。

1.1 基板及介電層材料的選擇

借鑒于之前其他類型埋銅塊板的制作經(jīng)驗，首先考慮基板、PP介電層選擇高導熱系數(shù)、低CTE膨脹系數(shù)，并具備良好激光鉆孔的可加工性的材料，銅塊選用含銅量＞99.99%的T2紫銅。任何材料隨溫度的變化其尺寸都具有伸縮性，該伸縮系數(shù)被稱為材料的熱膨脹系數(shù)。銅箔的Z向膨脹系數(shù)0.00168%/℃，紫銅塊的Z向膨脹系數(shù)0.00169%/℃，而板材的Z向膨脹系數(shù)：Tg值前CTE（0.0005%～0.0009%）/℃，Tg值后CTE（0.018%～0.025%）/℃，可以通過理論計算，選擇出相互匹配的材料。埋銅塊板常用的材料有IT180A、RO4350B+IT180A、TU768、S1000-2、ISO415、FR408等。

1.2 盲孔數(shù)量、孔徑在設計上的優(yōu)化

當PCB溫度升高時，介電材料與鍍層銅之間因熱膨脹系數(shù)差異出現(xiàn)互相牽制的熱應力，持續(xù)高溫會使不同材料間熱應力逐漸聚集，最終導致孔內(nèi)銅壁與樹脂間微裂紋甚至鍍層斷裂，所以埋銅塊上方不適宜設計過于密集的散熱孔，散熱孔之間要保留足夠的孔間距，對抗在高溫過程產(chǎn)生

的熱應力。在埋銅塊區(qū)域單位面積內(nèi)優(yōu)化盲孔個數(shù)和孔徑，并電鍍填孔形成銅柱，使散熱金屬體積最大化。從盲孔的加工性和盲孔電鍍填平能力綜合考量，可以設計一個正交實驗，找出在埋銅塊上單位面積內(nèi)最適合的盲孔的數(shù)量、孔徑大小。

1.3 銅塊前處理要求

為保證銅塊與介質(zhì)層粘接的可靠性，埋銅塊在壓合前一般都需要進行棕化前處理。銅塊個數(shù)很多且體積小，不能直接通過水平棕化線，需要輔助載具。前三種類型的埋銅塊板只需要保證銅塊側(cè)面及銅塊表面的其中一面棕化效果，而內(nèi)埋型的埋銅塊必須確保銅塊側(cè)面和銅塊表面雙面棕化效果，不能有任何污染和擦花，嚴格避免破壞銅塊上的棕化層，否則后繼可靠性測試時就存在爆板分層的隱患（見表1）。

2 實驗設計

以一個四層一階內(nèi)埋銅塊型PCB對各項工藝技術進行實驗，解決內(nèi)埋銅塊型PCB制作難點問題。本次實驗計劃將一個10 mm×10 mm的正方形紫銅塊埋入一個四層一階的HDI板中，疊層結(jié)構(gòu)如圖7所示，PCB的結(jié)構(gòu)由內(nèi)層芯板、粘結(jié)層、銅塊三部分組合成。通過計算，此疊構(gòu)選擇的材料和銅塊漲縮匹配性符合要求（如圖7）。

本次實驗的銅塊為10 mm×10 mm正方形，在此區(qū)域面積內(nèi)保證孔間距≥0.2 mm，孔到銅塊邊距離≥0.5 mm，計算出最優(yōu)散熱效果的盲孔數(shù)量、孔徑大小。盲孔孔徑實際加工效果呈倒錐形臺形狀，通過盲孔電鍍銅后，其導熱體積計算公式如下：

表1 銅塊制作難點匯總

圖7 實驗板疊層結(jié)構(gòu)

盲孔填銅后體積V=πh（r12+r22+r1r2）÷3

其中，r1為盲孔上開口半徑，r2為盲孔底部半徑，h為介質(zhì)層厚度。

單位面積內(nèi)總導熱體積=盲孔體積×盲孔數(shù)量

根據(jù)以上公式，計算得出（見表2）。

根據(jù)表2，總導熱體積D＞C＞B＞A，考慮盲孔電鍍填平設備能力C＞B＞A＞D，優(yōu)先選擇C方案作為本次實驗的設計孔徑和數(shù)量。

3.1 內(nèi)埋銅塊PCB制作流程

3.1.1 主流程

開料（銅塊、FR-4基板、半固化片）→內(nèi)層線路→內(nèi)層AOI（自動光學外觀檢測）→內(nèi)層芯板銑槽→ 棕化→排板→ 放置銅塊→壓合→打靶銑邊→棕化減銅→激光鉆孔→機械鉆孔→化學鍍銅→板電 →外層線路→外層蝕刻→外層AOI→ 防焊 →文字→表面處理→ 成型 →電測 →FQC1（成品質(zhì)量管理）→烤板→成品檢驗→包裝

3.1.2 輔助流程

（1）芯板、半固化片制作：開料→烤板→內(nèi)層線路→內(nèi)AOI→銑槽→棕化→烤板

（2）銅塊制作：按資料圖紙加工外形→夾具承載過棕化

此制程中包含有HDI制程技術，這就要求印制電路板廠必須具備HDI板生產(chǎn)技術能力。

3.2 關鍵點控制

3.2.1 銅塊棕化加工

為保證銅塊與板件介電層的結(jié)合力，銅塊需保證棕化效果，銅塊六面棕化顏色需均勻、無污染。銅塊過棕化線時，銅塊的放置需采用輔助工具，將銅塊放入輔助工具中，水平過棕化，避免銅塊掉入機器中。過棕化輔助工具使用厚度3 mm的基板制作。從銅塊材質(zhì)、棕化條件進行著手，經(jīng)各種實驗對比棕化效果按以下條件：銅塊選用含銅量＞99.9%的紫銅、棕化后銅塊進行烤板、加大微蝕量+棕化兩次效果較好（如圖8）。

3.2.2 壓合加工

內(nèi)層芯板和銅塊棕化制作完成后，按照以下疊板順序進行制作：

（1）將銅塊裝入內(nèi)層芯板。

按照設計圖示放入銅塊，埋入的銅塊需平整，防止壓板后銅塊高低不平。銅塊放入后需平移銅塊，確認銅塊未斜靠在槽壁。

表2 常規(guī)盲孔孔徑的導熱體積

圖8 銅塊棕化效果

（2）排板方式。

壓板時需用鋁片輔助壓板，鋁片先用油布清洗干凈；

排板方式為：牛皮紙-（鋼板-鋁片-離型膜-銅箔-嵌銅板-銅箔-離型膜-鋁片-鋼板）×n-牛皮紙的方式（如圖9）。

圖9 壓銅塊疊板

（3）壓合程式。

料溫保證固化溫度＞180 ℃，壓板時間＞60 min。下冷壓后用鋼板壓4 h，上下各放鋼板。壓合程式（見表3）。

3.2.3 盲孔加工

本次實驗設計盲孔上孔徑0.15 mm，下孔徑0.125 mm，介質(zhì)層厚度0.1 mm，盲孔縱橫比2:3。元件面與焊接面盲孔數(shù)量設計盡量均衡，保證兩面?zhèn)鳠峋鶆?。在正常激光鉆盲孔時增加設定一槍脈沖，確保將孔底殘膠清除干凈，露出內(nèi)埋銅塊。盲孔采用電鍍填平工藝，要求盲孔凹陷≤5 μm。

4 可靠性檢測

按照上述實驗方案，成功制作出此類內(nèi)埋銅塊板，做相應的可靠性測試，結(jié)果如下。

（1）銅塊四周填膠：表面樹脂填充飽滿，縫隙內(nèi)樹脂填膠飽滿，銅塊四周無空洞、裂紋，熱應力后無分層（如圖10）。

（2）埋銅塊區(qū)域板面不平整度：要求≤±0.05 mm，實測結(jié)果符合要求（見表4）。

（3）結(jié)合力測試：烘烤條件：121 ℃～149 ℃，至少6 h；熱應力試驗條件：288 ℃±5 ℃，10 s，3次。無鉛回流焊測試，260 ℃±5 ℃，5次。參考標準：IPC-TM-650，2.6.8鍍覆孔的熱應力試驗；IPC-6012C剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范（如圖11）。

5 總結(jié)

通過優(yōu)化設計和生產(chǎn)工藝的改進，此種內(nèi)埋銅塊板制作技術已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。實驗后樣品可靠性測試的判定：銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現(xiàn)象，滿足品質(zhì)要求。完成樣品斷面切片顯微鏡觀察圖（如圖12）。

此種內(nèi)埋銅塊板可靠性主要影響因素為銅塊與板材的膨脹系數(shù)的匹配性、銅塊表面棕化處理及埋銅塊上盲孔的散熱效果。

（1）通過選擇高Tg、低CTE、耐熱性好的板材，樹脂流動填充好的半固化片，控制銅塊厚度在±0.05范圍內(nèi)，且結(jié)合力測試符合品質(zhì)要求；

表3 壓合程式

（2）內(nèi)埋銅塊表面需雙面棕化，棕化后銅塊要進行烘烤，保證銅塊和半固化片的結(jié)合力；

（3）內(nèi)埋銅塊以盲孔作為散熱路徑，會影響到埋銅塊和半固化片的結(jié)合力。需要通過盲孔數(shù)量及孔徑大小的優(yōu)化，從而減少或杜絕因熱量散發(fā)不出去導致的分層隱患。

圖10 銅塊四周填膠例

表4 埋銅塊區(qū)域板面不平整度實測結(jié)果（單位：mm）

圖11 內(nèi)埋銅塊PCB測試結(jié)果

圖12 內(nèi)埋銅塊PCB剖面