蝕刻金屬薄膜法制作埋置電阻印制板的影響因素研究

白亞旭 吳永恒 王 俊

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引言

在電路進(jìn)行高頻信號或是高速數(shù)字信號傳輸時，需要嚴(yán)格控制傳輸線路中的特性阻抗值，而大量的片式表面貼裝電阻占據(jù)了印制電路板（PCB）大量表面積，而且連接片式電阻的導(dǎo)線和通孔還將影響線路中特性阻抗值，并且容易在電路中產(chǎn)生寄生電感和感生電容，從而影響電路中信號傳輸?shù)恼鎸?shí)性。而把電阻埋置于PCB內(nèi)部可以解決這一問題，埋置電阻PCB的主要優(yōu)點(diǎn)如下幾點(diǎn)[1]。

（1）能夠有效地改善PCB的電氣性能。可根據(jù)具體線路所需的特性阻抗值選擇合適的匹配電阻值，使用埋置電阻技術(shù)將其集成到傳輸信號的端接處，使電阻到信號線的距離縮小到最短，獲得最佳的匹配效果。同時，由于減少了導(dǎo)通孔以及引出和引入導(dǎo)線，從可以減少信號串?dāng)_、噪音和電磁干擾。

（2）可以提高PCB的可靠性能。由于把電阻埋置到PCB內(nèi)部，從而可以減少焊盤和焊接點(diǎn)；并且還能避免外部條件對電阻的影響，例如：機(jī)械振動沖擊、受潮、污染、腐蝕氣體等對其的影響。

（3）能夠有力地促進(jìn)PCB向高密度化方向發(fā)展。把占據(jù)大量PCB表面積的無源元件埋置到內(nèi)部，可以減少導(dǎo)通孔和連接線的同時，還可以使PCB的設(shè)計(jì)表面積增加，增加了PCB的布線自由度，縮短了互聯(lián)導(dǎo)線的長度，減少了PCB的層數(shù)和尺寸，從而有利于提高PCB的密度。

目前根據(jù)不同產(chǎn)品應(yīng)用場景的不同，會選擇不同的埋阻材料來實(shí)現(xiàn)埋置電阻的制作，本文所研究的產(chǎn)品主要應(yīng)用于高頻高速領(lǐng)域，對信號傳輸?shù)耐暾院妥杩沟钠ヅ涠染筝^高，因此，需要選擇能制作高精度埋置電阻的電阻材料進(jìn)行生產(chǎn)。本文主要選擇了兩種不同的埋阻銅箔進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 不同埋置電阻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)介紹

1.1 絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電碳漿法制作埋置電阻

此方法主要是通過網(wǎng)版印刷的方式把導(dǎo)電碳漿印刷在PCB特定的位置，然后通過固化，使導(dǎo)電碳漿達(dá)到一定的電阻值。但是，由于受到導(dǎo)電碳漿的組成成分、網(wǎng)印時刮刀的速度、壓力、網(wǎng)距以及固化時溫度和時間的影響，要想精確控制電阻值十分困難。目前，能夠達(dá)到的電阻控制精度最好也只有20%左右。所以，此方法適用于制作電阻精度要求大于20%的埋置電阻，并且通過此方法制作的埋置電阻的阻值一般是在幾百歐姆到幾兆歐姆，適用于制作大電阻需求的領(lǐng)域。此方法制作的埋置電阻如圖1所示。

圖1 印刷導(dǎo)電碳漿法制作的埋置電阻

該方法優(yōu)點(diǎn)是材料成本低，工藝要求簡單，常規(guī)的PCB生產(chǎn)設(shè)備就能完成，但不足之處是精度低、電阻值波動系數(shù)大、溫度依賴性大、熱穩(wěn)定性差、難以制作微小電阻、可靠性低[2]。

1.2 選擇性化學(xué)鍍鎳-磷合金薄膜制作埋嵌電阻

此方法的主要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)鈀在介質(zhì)表面催化與干膜或液態(tài)光致抗蝕劑圖像轉(zhuǎn)移精度相結(jié)合。使用此方法制作的電阻值一般都在20 Ω到200 Ω之間，鎳-磷合金層的厚度僅0.15 μm至0.4 μm，由于鍍層太薄，完成電阻后，在層壓時，電阻表面輕微的劃痕將會導(dǎo)致電阻值出現(xiàn)極大的變化，因此，電阻完成后到壓合前各工序?qū)﹄娮璞砻娴谋Ｗo(hù)至關(guān)重要。通過此方法制作的埋置電阻如圖2所示。

圖2 選擇性化學(xué)鍍鎳-磷合金薄膜制作的埋置電阻

該方法的優(yōu)點(diǎn)是材料成本低、溫度依賴性低、噪聲水平低；但缺點(diǎn)是技術(shù)不成熟，缺少相關(guān)的配套設(shè)備，埋阻層的厚度不好控制、設(shè)備投資大，并且電阻值范圍比較窄，電阻率主要由沉積時間來控制[3]。

1.3 蝕刻金屬薄膜電阻材料制作埋置電阻

此方法使用的材料主要是鎳-磷電阻材料，是一種平面電阻材料。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：將鎳磷合金鍍在銅箔上而形成的一種電阻導(dǎo)電材料，它是經(jīng)過特殊處理的，可以壓合在絕緣材料上。此技術(shù)可以制作電阻值為幾十歐姆到幾百歐姆的電阻，電阻值精度可以控制在5%～10%，是目前各類方法中電阻精度管控最好的技術(shù)。使用此技術(shù)制作的埋置電阻如圖3所示。

圖3 蝕刻金屬薄膜電阻材料制作的埋嵌電阻

該方法主要優(yōu)點(diǎn)是精度高、均勻性好、對加工溫度的依賴性低、噪聲污染低、可以制備微小電阻以及高可靠性的電阻。但是也有不足之處，就是電阻材料的價格較高，加工工藝復(fù)雜[4]。所以此技術(shù)的制作成本相對很高。主要適用于一些對安全可靠性要求高，成本考慮較小的領(lǐng)域，比如：航天科技、軍事國防等領(lǐng)域。

以上是目前行業(yè)內(nèi)三類主流的埋置電阻制作方法，需要根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域和對電阻的精度管控要求，選擇不同的方法。

2 埋阻材料的選擇

此產(chǎn)品為15層非對稱疊構(gòu)產(chǎn)品，主要應(yīng)用于高頻高速領(lǐng)域，其埋置電阻的阻值要求為72 Ω，阻值公差為±10%。根據(jù)以上埋置電阻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，選擇蝕刻薄膜電阻材料的方法實(shí)現(xiàn)埋置電阻的制作。目前使用的埋阻材料在工藝上不同，主要體現(xiàn)在：

2.1 鎳-磷合金類埋阻材料

鎳-磷合金類型的埋阻材料，該類型材料在制作時，需要經(jīng)過3次蝕刻，其中第2次蝕刻需要使用專用的蝕刻液制作，第3次蝕刻使用常規(guī)的堿性蝕刻，主要工藝流程為：壓合→第1次圖形制作→第1次線路蝕刻→第2次蝕刻→退膜→第2次圖形制作→第3次蝕刻→退膜→形成需要的電阻

2.2 鎳-鉻合金類埋阻材料

鎳-鉻合金類型的埋阻材料，該類型材料在制作時，僅需要經(jīng)過兩次蝕刻，相比鎳-磷合金的材料，不需要經(jīng)過特殊處理，使用傳統(tǒng)的線路板酸性蝕刻和堿性蝕刻即可完成埋置電阻的制作，主要流程為：壓合→第1次圖形制作→第1次線路蝕刻→退膜→第2次圖形制作→第2次蝕刻→退膜→形成需要的電阻

從以上兩種埋阻材料的工藝流程來看，鎳-磷埋阻材料的制作流程更復(fù)雜，而鎳-鉻埋阻材料的工藝流程更簡單，使用傳統(tǒng)的線路板制作工藝流程就可以制作埋置電阻。因此，在制作埋置電阻時，優(yōu)先選擇制作工藝簡單的鎳-鉻合金電阻材料。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

埋阻材料在制作時，埋阻的精度會受到各種因素影響，為了實(shí)現(xiàn)電阻的精確控制，下面將對兩種材料電阻制作過程中的電阻變化進(jìn)行測試。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的阻值要求設(shè)計(jì)電阻精度測試，目標(biāo)電阻值為72Ω±10%，具體測試圖形、測試流程設(shè)計(jì)和測試工具如圖4所示。

圖4 電阻精度測試設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.2 測試實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

根據(jù)以上兩種埋阻材料的不同，使用不同的蝕刻流程進(jìn)行埋阻的制作，其中，鎳-磷合金電阻材料的第2次蝕刻的藥水及蝕刻參數(shù)需要根據(jù)要求特殊制定，其他的制作參數(shù)與線路板的正常制作參數(shù)相同。

3.2.1 蝕刻后兩種埋阻材料制作電阻值分析

兩種埋阻材料分別是A（鎳-磷合金）和B（鎳-鉻合金），各取6PNL和每板測6個電阻值，蝕刻后電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行對比結(jié)果如表1所示。

表1 蝕刻后電阻數(shù)據(jù)對比結(jié)果（Ω）

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)對比可知，埋阻材料B鎳-鉻合金電阻材料制作的電阻值與設(shè)計(jì)的中值（72 Ω）更接近，并且其電阻值的Cpk值也明顯優(yōu)于埋阻材料A鎳-磷合金埋阻材料。

3.2.2 壓合棕化對埋嵌電阻的阻值影響測試

經(jīng)過以上的對比結(jié)果可知，埋阻材料B制作的阻值穩(wěn)定性更好，因此，在測試棕化對電阻的影響時，選擇埋阻材料B進(jìn)行棕化前后阻值的對比。取6 PNL，每板測6個電阻值，棕化前后阻值比較如表2所示。

表2 B材料棕化前后的電阻值比較（Ω）

經(jīng)過以上測試數(shù)據(jù)對比可知，棕化后電阻值約變大10 Ω，導(dǎo)致電阻變化的主要原因?yàn)樽鼗乃幩兄饕杀緸榱蛩?過氧化氫+棕化藥水，屬于酸性溶液，而埋阻材料中的鎳層是可以緩慢溶于酸，因此，過了棕化后，將會導(dǎo)致埋阻層中少量鎳層被棕化藥水溶解掉，從而表面埋阻層的表面粗糙度增加，導(dǎo)致電阻值變大。

3.2.3 回流焊對電阻變化的測試

在實(shí)際產(chǎn)品制作過程中，有可能需要經(jīng)過多次受熱烘烤，本次測試了烤板前后對阻值的影響。為了加嚴(yán)測試條件，將蝕刻后的材料過回流焊，從而測試回流焊前后阻值的變化情況。由于埋阻材料B已經(jīng)用于測試棕化前后電阻值的影響，因此，此次使用埋阻材料A進(jìn)行回流焊電阻變化的測試，具體的測試結(jié)果如表3所示。經(jīng)過測試可知，回流焊對電阻值的影響范圍為≤±2.5 Ω。

表3 A材料回流焊前后電阻值比較（單位Ω）

3.2.4 壓合前后對電阻值影響測試

由于埋置電阻是內(nèi)置于PCB內(nèi)部的，因此，在完成埋阻蝕刻后，需要通過壓合將電阻層內(nèi)埋于線路板的內(nèi)層。由于PCB的壓合是在高溫高壓下，將半固化片由半固化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固化狀態(tài)，而固化后將會與埋置電阻直接接觸，因此，需要測試壓合前（棕化后）和壓合后成品埋置電阻的阻值變化情況。具體的測試數(shù)據(jù)對比如表4所示。經(jīng)過以上測試可知，壓合后對電阻值的影響范圍為≤±3.0Ω。

表4 壓合前后的電阻值比較（單位Ω）

4 總結(jié)

通過對以上試驗(yàn)測試和結(jié)果分析，在制作埋置電阻產(chǎn)品時，需要考慮以下幾個方面。

（1）選擇與PCB工藝流程匹配性較好，工藝流程簡單，且電阻精度較好控制的埋阻材料；

（2）需要考慮棕化對電阻值的影響，具體的影響值需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證獲?。?/p>

（3）同時需要根據(jù)產(chǎn)品是否需要多次烘烤，考慮烤板對電阻值的影響；

（4）最后需要考慮壓合對電阻值的影響。

以上是針對使用蝕刻薄膜合金法制作埋置電阻的電阻設(shè)計(jì)和制作總結(jié)的一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。