平板變壓器用印制電路板的繞組電阻控制

陳市偉 周建華 黃 學

（競陸電子(昆山)有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 前言

平板變壓器已經(jīng)發(fā)展幾年了，我們最初接觸平板變壓器是其在充電頭領(lǐng)域的應用。接觸充電頭應用，才知道傳統(tǒng)繞組已經(jīng)可以被多層印制電路板（PCB）疊繞線路板取代（見圖1所示），從而成就了平板變壓器：一是使用PCB疊繞線路解決了電磁干擾的問題；其次是體積可以更小，滿足了電子產(chǎn)品輕、薄的發(fā)展需求。在如今電子產(chǎn)品高速發(fā)展的時代，使其得到廣泛應用。我們從5W的充電頭開始到目前的65W超級快充。針對繞組內(nèi)PCB模塊自身的技術(shù)管控項目也做了一些解析：介質(zhì)層厚度（含層間厚度、線路間距以及導體到成型邊的控制）、耐壓測試（導體間介質(zhì)層、表層阻焊劑的耐電壓）、電感值、直流電阻（DCR）等等。這里我們主要討論下：DCR的理論計算及PCB制程中的影響因素。

圖1 充電頭用PCB繞線模組

1 DCR意義及作用

DCR（Directive Current Resistance）中文意思是直流電阻，直流電阻就是元件通上直流電，所呈現(xiàn)出的電阻，即元件固有的，靜態(tài)的電阻。DCR管制對于成品的目的在于匹配其磁芯零件，確保在控制器調(diào)控范圍。避免線圈固有阻值過高而導致快充充電器發(fā)熱乃至爆燃潛在風險；DCR過低也將影響快充效能，而充電緩慢。

DCR測試的目的如下。

（1）檢查PCB繞組內(nèi)部導線和引線的連接質(zhì)量；

（2）檢查PCB網(wǎng)絡連接各個層次接觸是否良好；

（3）檢查PCB繞組或引出線有無折斷處；

（4）檢查PCB并聯(lián)支路的正確性，是否存在由幾條并聯(lián)導線繞成的繞組發(fā)生一處或幾處斷路的情況；

（5）檢查層、匝間有無短路的現(xiàn)象。

2 DCR的理論計算

電阻由導體兩端的電壓U與通過導體的電流I的比值來定義，電阻阻值使用公式：R=U/I。實際上電阻是受材料，形狀、體積以及周圍環(huán)境的影響而不同的，因此在實際應用中，使用電阻的決定式來計算阻值，并結(jié)合量測值進行比對正確性。

電阻的決定式：R=ρ×L/S，

ρ：材料的電阻率，是由其本身性質(zhì)決定，

L：導體的長度，

S：導體的橫截面積。

在PCB繞組中影響DCR的各變量實際狀況是怎樣的呢？

2.1 材料電阻率ρ

在PCB繞組中，電阻材質(zhì)是高純度的電解銅，銅的電阻率：

ρ銅：1.78×10-8Ω.m（室溫20 ℃），

1.78×10-8×[1+(T-20)×0.0039] （其他溫度下銅的電阻率，T：溫度）

2.2 導體的長度L

PCB疊繞形成的繞組中，電阻的長度即兩端點間各層間疊繞線路的長度

總和（包含過孔及孔環(huán)的計算），各層線路長度使用genesis軟件量測出（圖2所示）。

圖2 各層線路長度+過孔=總長度

2.3 導體的截面積S

PCB制作的線路截面受制程影響，類似于梯形，因此PCB制作的線路截面積是估算值（如圖3、圖4所示）電阻的截面積S：（上線寬+下線寬）/2×銅厚

圖3 銅導體截面積示意圖

圖4 導體切片圖

通常實際面積會小于計算面積，根據(jù)公式DCR計算值略低于量測值。

綜合以上，我們總結(jié)出DCR計算公式如下:

R=ρ×L/S=ρ×2L/[(W1+W2)×T]

4 PCB制程對DCR的影響

通過上述DCR的理論計算分析：銅的電阻率為常數(shù)不變；導體線圈的長度也在Layout設(shè)計時就決定了，也是固定值；在PCB繞組中只有銅厚（基銅及電鍍銅）、蝕刻線寬這兩個變量因子。銅厚的變化主要發(fā)生在內(nèi)層及棕化制程的化學處理加工過程中。

4.1 變量因子一：銅厚

4.1.1 內(nèi)層工藝

一般內(nèi)層芯板層的繞組使用基板電解銅箔壓制而成，其均勻性較PCB電鍍銅表現(xiàn)好，以18 μm（H oz）為例，內(nèi)層工藝過程中前處理粗化銅面微蝕量在0.7 μm～1.25 μm以內(nèi)。即使在重復加工后，銅厚減薄量仍然有限。若有返工作業(yè)，需單獨標記管制確認銅厚的蝕量范圍，再做進一步調(diào)整。

4.1.2 棕化工藝

其蝕刻量依據(jù)常規(guī)速率片檢測結(jié)果，均符合棕化微蝕量管控范圍：1.27 μm～1.77 μm；但是相較于內(nèi)層微蝕量的檢測有很大不同，因微蝕速率片采用10 cm×10 cm FR-4覆銅板，相較已經(jīng)完成線路的內(nèi)層圖形板，蝕刻面積相對較少；采用速率片過棕化計算出來的微蝕量為：1.55 μm，經(jīng)切片對比測算導體銅厚蝕刻量為3.17 μm，超速率片的計算結(jié)果1.04倍。

4.1.3 咬蝕速率的分析法

以速率片10 cm×10 cm樣板稱重法為標準的微蝕速率計算公式為：微蝕速率（μm/min）={(G1-G2）×100000}/8.93/（10×10×2），此計算公式為蝕刻前的重量（G1）減去蝕刻后的重量（G2），得出蝕刻掉的重量，與表面銅的面積之比。也可以3M膠帶覆蓋對比棕化微蝕前后的銅厚差異，以切片200倍觀察量測銅厚數(shù)據(jù)。在反復的對比測試驗證中發(fā)現(xiàn)，對于蝕刻后的密集線路，棕化后的銅厚蝕量是速率片計算出來的微蝕刻速率的1.04倍，即微蝕刻速率為1.55 μm的水平，實際蝕刻掉的銅厚達到3.17 μm。

4.1.4 微蝕量與實際蝕刻差異分析

從速率片形態(tài)與產(chǎn)品形態(tài)對比來看有如下幾點。

（1）速率片為CCL裁切的邊料得來，其表面銅箔的平整度為電解銅箔的原始狀態(tài)，相對于經(jīng)過內(nèi)層前處理中粗化的芯板層圖形產(chǎn)品粗化的芯板層圖形產(chǎn)品，速率片的表面粗化度較低，也就是說表面的粗糙度所衍生的粗化面積較?。ㄒ姳?所示）。

表1 不同處理銅面粗糙度 （μm）

（2）速率片為整面性的銅箔，與完成線路圖形的內(nèi)層芯板的差異在于線路導體的側(cè)面積增加。從而導致內(nèi)層芯板無論從表面積還是從立體的整體面積在浸泡式的棕化過程中都比全銅速率片要大很多。藥水的作用面積更大，使藥水活性作用更強，可以更快速地更替原有的藥膜，使蝕刻速率更快。

4.2 變化因子二：蝕刻線寬

蝕刻線寬受鍍銅均勻性、曝光均勻性及蝕刻均勻性綜合影響，線寬線距會有變化，因此我們控制蝕刻線寬±10%，同時重點監(jiān)控蝕刻因子＞3。

（1）受線路分布影響，繞組內(nèi)外量測與中間的差異（邊緣效應）。此項需要設(shè)計端差異化補償調(diào)整解決。

（2）蝕刻上下噴差異：傳統(tǒng)蝕刻線受上噴水池效應的影響，上、下噴存在蝕刻差異，但需保證線寬控制在±10%以內(nèi)（同時要確認一下自家制程不同銅厚的蝕刻因子）。

5 改善探討

從制程管制方面，在棕化制程抓取不同線路設(shè)計產(chǎn)品，對比棕化蝕刻差異量，若差異較小，則可統(tǒng)一調(diào)整蝕刻量補償管制方式，以微蝕速率片計算出的數(shù)據(jù)增加補償調(diào)整量。來調(diào)整生產(chǎn)線速或者降低反應槽溫度。在內(nèi)層蝕刻制程，預加強線路寬度范圍管制公差，給予棕化咬蝕足夠的安全咬蝕空間。

在工程設(shè)計方面，建立DCR理論計算模型，模擬計算將銅厚咬蝕量納入計算范圍，更精確的模擬成品DCR的管制區(qū)間，從而避免DCR管制超出管制范圍。

在制程管制方面，工單設(shè)計給出棕化對應的銅厚管控范圍，避免因重工導致的銅厚偏薄而影響成品DCR的測試結(jié)果。

例如表2的DCR理論試算模型，從銅厚及線寬的變化影響，我們可以推算出DCR的控制范圍：3.0 Ω≤DCR≤4.2 Ω。因?qū)嶋H導線呈梯形，經(jīng)大量實際切片對比DCR實測值驗證，理論試算與實測結(jié)果有0.2 Ω左右的偏差，故，需在推算值結(jié)果上-0.2 Ω補償值。即實際管控范圍為：2.8Ω≤DCR≤4.0Ω。

表2 DCR理論試算模型

6 DCR量測方法

以上講的是DCR理論結(jié)合PCB制程的估算，實際上DCR是可以直接量測的。我們采用典型的四線式測量法以期提高測量電阻（尤其是低阻）的準確度。通過實際量測值與理論的推算值的比對及切片分析、推算三者的綜合分析來確定實際DCR的管控范圍（此范圍要比理論推算范圍小，起到加嚴管控的作用）。

7 總結(jié)

經(jīng)實際測試驗證：對于有DCR控制要求的產(chǎn)品,可以在設(shè)計之初以銅厚及線寬上下限范圍推算出DCR的管控范圍。在樣品開發(fā)階段實際狀況微調(diào)成品DCR管控值。以更精準符合客戶對DCR管控的要求。