微凸臺高散熱剛撓結(jié)合板制造關(guān)鍵技術(shù)研究

賴海平 黃奕釗 謝光前 張飛龍 羅 奇

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517300）

0 前言

將電子元器件發(fā)熱面與金屬基直接接觸，是解決傳統(tǒng)金屬基電路板導(dǎo)熱絕緣層散熱瓶頸問題的有效手段，其代表性設(shè)計是銅基凸臺結(jié)構(gòu)和埋嵌銅塊結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。但因金屬銅具有導(dǎo)電性，銅基凸臺和銅塊區(qū)域無法實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)計，影響電子元器件貼裝密度，雖有開發(fā)電鍍填盲孔半埋式埋嵌銅塊結(jié)構(gòu)，但電鍍填孔形成的導(dǎo)熱通路小，散熱效果遠不及銅基凸臺結(jié)構(gòu)，無法滿足產(chǎn)品散熱需求。文章綜合銅基凸臺高散熱和電鍍填孔埋銅塊多網(wǎng)絡(luò)布線特點，開發(fā)出微尺寸、密集凸臺銅基剛撓結(jié)合板，滿足電子元器件高密度貼裝和高散熱的設(shè)計需求，同時還介紹了該結(jié)構(gòu)制造難點及解決方案。

圖1 金屬基直接接觸高散熱電路板結(jié)構(gòu)示意圖

1 產(chǎn)品基本信息

1.1 產(chǎn)品信息

微凸臺高散熱剛撓結(jié)合板，應(yīng)用于需彎折安裝的高功率照明電器中，其中凸臺具有尺寸?。?.0×1.0 mm），間距小（1.0 mm），密度大（13.5 cm2的銅塊上制作近百個微凸臺）的特點；疊構(gòu)包含銅基凸臺、FR4子板，F(xiàn)PC（撓性印制電路板）雙面子板，涉及控深蝕刻、壓合填膠、激光盲孔、微孔填鍍和控深銑等制程工藝，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝較為復(fù)雜（如圖2和圖3所示），開發(fā)難度大。

圖2 微凸臺剛撓結(jié)構(gòu)板疊構(gòu)圖

圖3 微凸臺設(shè)計圖

2 制造難點及解決措施

2.1 FPC制作

2.1.1 褶皺問題

（1）難點。FPC雙面為18 μm（0.52 oz）銅箔，內(nèi)層蝕刻后，殘銅率僅為32.4%，內(nèi)層蝕銅區(qū)僅剩厚度為25 μm PI（聚酰亞胺樹脂）和外層厚度為18 μm的銅箔支撐，厚度不足50 μm，后工序制作容易出現(xiàn)褶皺變形（如圖4所示），尤其是凸臺開窗位置的褶皺變形會造成壓合溢膠堆積，難以清除，影響產(chǎn)品外觀和外層凸臺線路電鍍可靠性。

圖4 褶皺無法壓平圖

（2）措施。在FPC子板厚度和基材材質(zhì)固定的前提下，增加內(nèi)層蝕刻后的產(chǎn)品剛性，是降低褶皺的有效途徑。經(jīng)試驗（如表1所示），在FPC內(nèi)層非單元區(qū)域鋪設(shè)實銅（如圖5所示），提升內(nèi)層殘銅率，可有效提升FPC剛性，降低褶皺報廢率。

圖5 鋪實銅前后工程設(shè)計圖

表1 FPC褶皺不良改善方案對比表

2.1.2 耐電壓不良問題

（1）難點。FPC激光開窗，燒蝕基材PI（聚酰亞胺）產(chǎn)生大量碳化物，黏附在開窗基材壁中，難以有效清除，影響產(chǎn)品絕緣可靠性。同時因布線密度大，疊加銅基凸臺放置偏位和開窗尺寸偏差因素，線路與凸臺最小距離不滿足≥0.3 mm的設(shè)計要求,容易出現(xiàn)電弧閃絡(luò)引起的短路不良（如圖6所示）。

圖6 耐壓不良圖

（2）措施。優(yōu)化FPC開窗方式，并加大線路與凸臺安全間距是解決該電路板結(jié)構(gòu)耐電壓不良問題的主要方向。制作開窗模具，采用模沖取代激光開窗，杜絕燒蝕碳化物產(chǎn)生的耐電壓隱患。其次優(yōu)化FPC線路和凸臺設(shè)計，具體措施如下：

①優(yōu)化銅基凸臺，在不影響客戶貼裝燈珠的前提下，減小凸臺尺寸和凸臺R角半徑,增大安全距離的同時，降低凸臺尖角放電的概率，解決電弧閃絡(luò)引起的耐電壓不良問題。

②優(yōu)化內(nèi)層線路，因內(nèi)層線路位置布線密集，無法通過移線加大安全距離。評估通過削線方式，滿足凸臺與內(nèi)層線路的安全距離（如圖7所示）。經(jīng)試驗，根據(jù)內(nèi)層線路大小不同，進行相應(yīng)比例削線，可有效提高內(nèi)層線路與凸臺之間的絕緣耐壓能力。

圖7 內(nèi)層線路優(yōu)化對比圖

通過優(yōu)化FPC開窗、凸臺和內(nèi)層線路設(shè)計，產(chǎn)品耐電壓不良由25%下降為2%以下，改善效果明顯。

2.2 壓合制作

（1）難點。通常凸臺溢膠和填膠是凸臺結(jié)構(gòu)板制作的難點。本產(chǎn)品密集凸臺設(shè)計進一步加大了該難點。密集凸臺間隙多，對壓合填膠要求高，需選用含膠量大，熔融流動性好的半固化片進行壓合，否則容易出現(xiàn)凸臺間隙填膠不滿，進而造成電鍍滲藥水，產(chǎn)生短路問題。但膠液熔融流動性大，含膠量高又會產(chǎn)生凸臺溢膠量大的問題。在疊構(gòu)中采用輔型阻膠材料雖可降低溢膠，但FPC子板薄，支撐力小，輔型阻膠材料受熱變形容易擠壓凸臺周邊線路，產(chǎn)生凹陷（如圖8a所示），加大凸臺與周邊線路的高低落差，影響外層線路光致膜貼合緊密性，引起線路凹蝕問題（如圖8b所示）。如何平衡填膠、溢膠和凹陷是本產(chǎn)品壓合制程的難點。

圖8 凸臺周邊凹陷及周邊線路凹蝕圖

（2）方案。通過優(yōu)化壓合疊構(gòu)，對比不同半固化片，不同敷形材料對壓合填膠及凹陷影響，確定采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片＋普通阻膠離型膜疊構(gòu)壓合效果最好（如圖9所示）。

圖9 不同疊構(gòu)壓合效果圖

敷形離型膜的作用機理是在高溫高壓條件下，凸臺表面及其他受壓力較大的外層線路區(qū)域離型膜受到擠壓，往凸臺周邊階梯落差的區(qū)域堆積，增加低洼處壓力，避免失壓，同時堵住凸臺間隙，起到阻膠作用。

試驗中因鋁片存在一定的形變弧度，無法有效堵住凸臺間隙，造成溢膠嚴重，部分單元因間隙溢膠堆積反而造成線路下沉，形成凹陷。而高輔形阻膠離型膜，厚度較大，軟化點較低，在凸臺周邊區(qū)域堆積較快較多，容易造成凹陷，雖采用兩張玻纖半固化片的兩層玻纖對凸臺周邊FPC起到一定的支撐作用，凹陷少，但是玻纖同時會束縛膠液熔融流動性，造成部分單元間隙填膠不充分，不能滿足品質(zhì)要求。采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片的2號疊構(gòu)，膠液熔融流動性好，填充能力強，搭配普通敷型離型膜，雖有輕微凹陷和溢膠，但可通過后工序的削溢膠去除，整體壓合效果最好。但導(dǎo)熱半固化片熔融流動性大，需采用快速升溫，緩升壓的程序（如表2所示），根據(jù)其固化曲線逐步增壓，避免在流動性最大節(jié)點上高壓，造成凸臺溢膠偏大，絕緣層偏薄問題，同時還需考慮疊合操作問題，無玻纖支撐的導(dǎo)熱半固化片容易變形碎裂，需先采用假貼工藝將半固化片黏附在FPC內(nèi)層上，再進行疊合。

表2 導(dǎo)熱半固化片壓合程序表

2.3 控深銑制作難點

（1）難點。產(chǎn)品壓合后，將PCB子板控深銑掉，保留FPC部分，獲得撓性結(jié)構(gòu)。因壓合后產(chǎn)品疊構(gòu)包含銅基、FR4子板和FPC雙面子板，疊構(gòu)復(fù)雜，漲縮差異大，板內(nèi)存在局部翹曲變形現(xiàn)象，影響控深精度，容易出現(xiàn)芯板殘留或銑傷FPC內(nèi)層線路問題（如圖10a）。其次撓性區(qū)域外型邊缺少剛性支撐，無玻纖導(dǎo)熱半固化片固化后質(zhì)地較脆，受銑刀旋轉(zhuǎn)切割作用力影響，容易出現(xiàn)絕緣層崩邊問題（如圖10b）。

圖10 控深銑傷板圖

（2）方案：板內(nèi)局部曲翹變形，導(dǎo)致?lián)闲詤^(qū)域控深銑無法按照單一的深度參數(shù)操作，通過優(yōu)化控深參數(shù)，實現(xiàn)過程控深補償，提升控深銑精度。具體操作為以實測板厚減去FPC子板和導(dǎo)熱半固化片厚度為基準(zhǔn)，在每個單元控深銑之前，設(shè)置銑床自動探測單元厚度，并自動補償銑刀深度，降低板內(nèi)局部翹曲變形對控深銑精度的影響。其次內(nèi)槽銅耳部分（銅基凸臺內(nèi)槽組裝孔）需側(cè)邊鍍金，故無法將銑內(nèi)槽流程調(diào)至控深銑后面解決崩邊問題，只能通過優(yōu)化內(nèi)槽成型設(shè)計解決。經(jīng)試驗，將內(nèi)槽的銑刀直徑由2.0 mm改為1.0 mm，沉金前，內(nèi)槽不全部銑空，保留與控深銑走刀相接處的區(qū)域至少0.5 mm寬度，提升控深銑邊緣的支撐力，解決板邊絕緣層崩邊問題。

3 結(jié)論

微凸臺高散熱剛撓結(jié)合板制造難點主要體現(xiàn)在其復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的產(chǎn)品制造良率問題。文章通過優(yōu)化內(nèi)外層線路和凸臺設(shè)計，加大凸臺與線路的安全間距，解決電弧閃絡(luò)耐電壓不良問題；增加內(nèi)層殘銅率，提升FPC的硬度，降低FPC褶皺變形不良率；采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片疊構(gòu)壓合，提高間隙填膠能力，降低壓合凸臺周邊凹陷；優(yōu)化控深方式，實現(xiàn)單元控深補償，降低板內(nèi)局部變形對控深銑精度的影響。通過采取這些措施，提高了微凸臺高散熱剛撓結(jié)合板批量生產(chǎn)的可行性。