高多層埋銅塊印制板制作技術研究

尋瑞平 馮茲華 黃望望 吳家培

（江門崇達電路技術有限公司，廣東 江門 529000）

電子設備在工作期間所消耗的電能，除有用功外，大部分會轉(zhuǎn)化成熱量，這些熱量會使電子設備內(nèi)的溫度迅速上升，如果不及時將這些熱量散發(fā)出去，可能導致某些元器件因為過熱失效，進而影響電子設備的可靠性[1]。而隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小化方向的發(fā)展，以及大功率元器件的應用和普及，電子設備的有效散熱面積越來越小，散熱需求越來越大，因此如何尋求散熱及結(jié)構(gòu)設計的最佳方法，成了當下電子設計的一個巨大挑戰(zhàn)。

印制電路板（PCB）常用的散熱設計一般有高密集散熱孔、金屬基電路板或電路板板面焊接金屬基板等，高密集散熱孔散熱作用不僅有限，而且也浪費鉆孔空間，而金屬基電路板或電路板板面焊接金屬基板設計存在金屬材料消耗大、體積笨重、結(jié)構(gòu)設計受限、成本高等缺點。埋嵌銅塊PCB就是在這樣的一個環(huán)境下應運而生的，所謂埋銅塊，是在PCB局部埋入或嵌入銅塊，發(fā)熱元器件直接貼裝在銅塊上面，利用銅塊的高導熱性將熱量快速散發(fā)出去[2]。埋銅塊PCB不僅可以起到良好的散熱作用，同時又可以節(jié)省板面空間，近年來被越來越多的設計者所青睞。

本文基于研發(fā)生產(chǎn)實例，選取一款應用于通信基站的整體18層，集高多層、埋嵌銅塊、背鉆、樹脂塞孔等設計的高多層埋銅塊PCB，就其結(jié)構(gòu)設計、制作工藝、生產(chǎn)難點及改善等做了詳細闡述。

1 實驗部分

1.1 產(chǎn)品特點

一款整體18層，集高多層、埋嵌銅塊、背鉆、樹脂塞孔等設計的高多層埋銅塊PCB，產(chǎn)品關鍵指標參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，成品外觀如圖2所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖2 PCB成品外觀

表1 產(chǎn)品關鍵指標參數(shù)

1.2 制作工藝流程

將銅塊埋置在PCB內(nèi)，由于銅塊與板材存在膨脹系數(shù)、銅塊與板材壓合厚度等方面的差異，容易出現(xiàn)壓合銅塊凹陷、溢膠，以及銅塊與樹脂之間出現(xiàn)裂縫等，從而影響可靠性，相比常規(guī)PCB，壓合難度較大[1]。本18層埋銅塊PCB，先依次通過內(nèi)層圖形、蝕刻、銑內(nèi)槽制作出各內(nèi)層，再通過一次壓合形成18層板，壓合時將銅塊放在銅塊區(qū)域與板一起壓合，再經(jīng)沉銅、板電、背鉆、樹脂塞孔，二次沉銅板電、蝕刻、阻焊、表面處理等，得到完整的PCB。具體流程如下。

（1）內(nèi)層：開料→內(nèi)層圖形→內(nèi)層蝕刻→OPE沖孔→銑內(nèi)槽（銅塊區(qū)域銑槽）→內(nèi)層AOI→棕化→烘板→（轉(zhuǎn)壓合）

（2）外層：壓合（銅塊與板一起壓合）→除流膠→陶瓷磨板1→切片分析1→鉆靶位孔→外層鉆孔→烘板→過plasma處理→斜邊鑼平臺→外層沉銅1→全板電鍍1→圖形電鍍1（只鍍錫，不鍍銅）→背鉆→外層蝕刻1（蝕刻背鉆后遺留的銅絲，蝕刻后退錫）→樹脂塞孔→陶瓷磨板2→切片分析2→外層沉銅2→全板電鍍2→外層圖形→圖形電鍍2→二次鉆孔→外層蝕刻2→阻抗測試→外層AOI→絲印阻焊/字符→阻抗測試→沉鎳金→電測試→成型→FQC→FQA→包裝

1.3 制作難點分析

產(chǎn)品主要特點是高多層、大尺寸、單板埋64塊銅塊、8組背鉆、高縱橫比電鍍和樹脂塞孔等，具體制作難點分析如表2所示。

表2 產(chǎn)品制作難點及解決方案

2 結(jié)果與討論

2.1 壓合層偏/板厚

本產(chǎn)品采用610 mm×783 mm大尺寸拼版設計，層數(shù)為18層，孔到線最小距離0.18 mm，對位和層偏量的控制是該產(chǎn)品的難點之一；該產(chǎn)品采用高速板材和埋銅塊工藝，壓合過程中既要考慮高速板材漲縮情況，也要考慮埋銅塊的影響，壓合板厚也是控制重點。

制作過程中，首先確保芯板開料后烤板，以釋放板內(nèi)熱應力，保證漲縮一致性；投試驗板，系數(shù)FA抓取各層最優(yōu)系數(shù)，建立材料漲縮數(shù)據(jù)庫；鉆孔及外層圖形漲縮系數(shù)限定范圍，確保成品圖形精度；壓合前采用“熔合+鉚合”的方式提高壓合前預對位精度。

跟進層偏數(shù)據(jù)如表3和圖3所示，結(jié)果顯示實際層偏值表現(xiàn)為17.5～52 μm，滿足≤125 μm的層間對準度要求，Cpk值3.39，層偏管控能力合格；壓合板厚能力分析如圖4所示，理論設計板厚3.0 mm，實測板厚為2.89～3.12 mm，平均板厚3.04 mm，Cpk值1.33，板厚能力控制合格。

圖3 層偏過程能力分析結(jié)果

圖4 壓合板厚能力分析結(jié)果

表3 壓合層偏數(shù)據(jù)記錄結(jié)果

2.2 埋銅溢膠/銅塊厚度

芯板采用預銑槽的方法，在壓合時將銅塊放入這些預銑槽中和板一起壓合，埋入的銅塊要求平整，防止壓板后銅塊高低不平，銅塊放入后還需要平移壓入，確認銅塊未斜靠在槽壁上。壓合板厚、銑槽尺寸要嚴格控制與銅塊尺寸相匹配，銅塊埋入槽中過松或過緊、銅塊相對板材厚度都會影響壓合過程中的填膠，導致流膠不充分，板厚不均勻，溢膠至銅塊表面或局部缺膠等問題，從而影響外觀品質(zhì)和可靠性[3]。產(chǎn)品制作過程中，壓合FA根據(jù)實際試板壓合板厚，確認銅塊厚度；銑槽邊緣設計凸點，確保銅塊居中；壓合疊板，在離型膜和鋁片中增加一層PP，增加緩沖，確保壓合平整和流膠充分；同時通過DOE測試確定最優(yōu)壓合參數(shù)。埋銅塊板壓合方案如圖5所示，埋銅塊效果如圖6所示，結(jié)果顯示經(jīng)過一系列嚴格控制及技術改善，成功實現(xiàn)了壓合埋銅塊制作，銅塊平整與PCB高度差＜0.075 mm，經(jīng)一次陶瓷磨板無樹脂殘留，滿足溢膠＜0.5 mm的要求。 銅塊無溢膠，不平度＜0.075 mm。

圖5 埋銅板壓合方案示意圖

圖6 埋銅塊效果圖

2.3 等離子體除膠

由于受到高縱橫比以及高頻板材對水表面張力的影響，孔壁無法對藥水提供均勻良好的附著力，采用傳統(tǒng)的化學除鉆污方法，即“KMnO4+NaOH”咬蝕，很容易產(chǎn)生除鉆污不足。研究采用等離子體（Plasma）除膠，使用Plasma參數(shù)咬蝕量控制在（0.4±0.1）mg/cm2。全板電鍍后要求量測玻纖白化≤150 μm，實際量測值51.87 μm；正凹蝕要求5 μm～80 μm，實際量測值10.3 μm，如圖7滿足產(chǎn)品玻纖發(fā)白和正凹蝕要求。

圖7 玻纖白化與正凹蝕測量

2.4 背鉆

背鉆是通過二次鉆孔的方式，將已經(jīng)完成電鍍的PTH（鍍銅孔工藝）孔內(nèi)，不利于信號傳輸?shù)目足~去除，背鉆后殘留的導體殘根（Stub）越短，對信號傳輸?shù)耐暾栽接欣鸞4]。當下客戶一般都會明確要求Stub控制能力達到≤0.25 mm。本產(chǎn)品背鉆共設計8組，孔數(shù)達到9500孔，各組背鉆深度不同，最小背鉆深度0.1 mm，最大背鉆深度2.1 mm，各組背鉆要求的殘根值也不一樣，背鉆難道較大。根據(jù)背鉆分布區(qū)域，設置25點測量板厚，找出板厚最大值、最小值、極差值，挑選板厚極差最大的背板，同一層設置同一深度進行背鉆；取板厚最大處與板厚最薄處的背鉆孔切片，測量切片位置板厚、殘根長度，并計算切片厚度極差，殘根極差，兩者之間比值；建模：切片殘根控制=（實際切片厚度－測量板厚最小值）×系數(shù)（殘根極差與切片板厚極差比值）。跟進背鉆制作結(jié)果如表4和圖8所示。結(jié)果顯示8組背鉆控殘根長度都能夠滿足客戶要求，1組背鉆控余厚滿足≥1.0 mm厚度要求。

圖8 背鉆深度例

表4 跟進背鉆制作結(jié)果

2.5 樹脂塞孔

產(chǎn)品背鉆孔需要進行樹脂塞孔，單元內(nèi)背鉆數(shù)8組，總?cè)讛?shù)超過9000個，最深背鉆層次為L1-L12，背鉆直徑設計有0.4/0.45/0.55/0.65 mm多組，底孔孔徑有0.25/0.275/0.375/0.45 mm多組，最大塞孔厚徑比為17:1，高厚徑比、多種孔徑背鉆樹脂塞孔制作難度較大，容易導致樹脂塞孔空洞、塞孔不飽滿等問題。

樹脂塞孔前對板進行烘干處理，保證孔內(nèi)無水分，防止因孔內(nèi)水分導致后續(xù)出現(xiàn)孔銅和樹脂分層；樹脂使用前對其進行攪拌脫泡處理，消除樹脂內(nèi)部氣泡，降低樹脂黏度，為高厚徑比樹脂塞孔創(chuàng)造條件；使用“選擇性真空塞孔+雙面對塞”的方式進行樹脂塞孔，確保高縱橫比小孔樹脂塞孔飽滿，杜絕孔內(nèi)氣泡；樹脂塞孔后，利用分段烘烤的方式對樹脂進行預固化，具體烘烤參數(shù)為：80 ℃固化20 min、100 ℃固化20 min、130 ℃固化20 min、150 ℃固化30 min，防止樹脂與孔銅之間出現(xiàn)分離、樹脂產(chǎn)生裂縫等品質(zhì)問題；同時也因為樹脂未完全固化，為打磨樹脂創(chuàng)造了有利條件，砂帶磨板避免研磨不凈而多次返磨造成的板面變形、銅厚不足等問題[5]。跟進背鉆樹脂塞孔制作結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示孔內(nèi)樹脂脂塞飽滿，孔內(nèi)無氣泡、空洞、孔口平整，無樹脂裂開等品質(zhì)問題，樹脂塞孔合格。

圖9 跟進樹脂塞孔制作結(jié)果

2.6 阻抗控制

高速電路信號完整性的控制與實現(xiàn)，與傳輸線的阻抗控制有直接關系，本產(chǎn)品阻抗線分布不均勻，線寬極差大，阻抗值公差正常按±10%控制，部分阻抗值按±8%控制。制作過程中，阻抗FA根據(jù)實際測量阻抗反推產(chǎn)品有效Dk值；使用動態(tài)補償，獨立線與密集線差異補償，減小線寬差異。阻抗控制結(jié)果見表5所示，外層蝕刻后全測外層阻抗條與單元內(nèi)阻抗值，阻抗合格率100%，阻抗Cpk均大于1.33，阻抗控制能力合格。

表5 阻抗測量結(jié)果（單位：Ω）

2.7 跟進批量生產(chǎn)情況

本高多層埋銅塊印制板經(jīng)打樣試板合格后轉(zhuǎn)小批量生產(chǎn)，目前已投產(chǎn)1批共投料56 PNL，具體生產(chǎn)結(jié)果如圖10所示，整體良率為73.21%，報廢項目依次為開路缺口、銅面損傷、金面擦花、掉PAD（焊盤）、修理不良等操作類問題。據(jù)此作出的操作類報廢改善措施，如生產(chǎn)板由隔膠片疊放調(diào)整為插架運輸，并更新控制計劃，針對各工序運輸、操作類進行規(guī)范化培訓。

圖10 小批量跟進生產(chǎn)情況

3 總結(jié)與建議

（1）從本款高多層埋銅塊印制板打樣試板結(jié)果來看，制定的工藝合理，產(chǎn)品各項指標達到要求；

（2）從小批量跟進生產(chǎn)來看，入庫合格率為73.21%，尚有完善空間，主要為操作類報廢問題，據(jù)此作出操作類改善措施；

（3）埋銅塊電路板不僅可以起到良好的散熱作用，同時又可以節(jié)省板面空間，具有廣闊的應用前景。