埋置異形銅塊與含階梯空腔的模塊板工藝研究

王紅月

（上海美維電子有限公司，上海 201100）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）高密度化與埋置有源、無源元器件，促進了電子產品的小型化與多功能化；同時封裝體積縮小與組裝密度增加容易造成電子產品熱量聚集，因此，局部埋銅塊的熱管理方法得到了廣泛的應用［1］。板載芯片封裝（chip on board packaging，COB）是為了解決散熱問題而誕生的一種技術，將裸芯片用導電或非導電膠黏附在互連基板上，然后進行引線鍵合實現其電氣連接。其中PCB 埋入異形銅塊又含有階梯空腔的設計，使基板呈現立體化，優(yōu)化裝配空間，保證COB 封裝芯片與埋嵌的銅塊有更大的接觸面積，從而有更好的散熱效果。但異形銅塊的埋嵌與階梯空腔的加工對PCB 制作屬于不同的工藝制程，彼此的結構與工藝方法都不同。本文對一款含嵌入式異形銅塊與階梯空腔的COB 模塊板，在異形銅塊的埋銅層疊構設計與階梯空腔的加工工藝方面進行探索，以便更好地滿足此類產品的需求。

1 產品信息及加工難點

該產品的基本信息見表1，疊構設計及異形銅塊如圖1所示。

圖1 疊構設計及異形銅塊示意

表1 產品的基本信息

如何同時滿足異形銅塊的埋嵌與階梯空腔的加工，是該產品加工制作中的工藝難點，因此其工藝流程較長。下文從異形銅塊的層壓疊構設計及品質管控、階梯空腔的加工方法及品質管控 2部分進行重點分析與闡述。

2 層壓疊構設計及品質管控

2.1 埋銅層的壓合疊構及流程

目前含銅塊的PCB 主要可分為埋置或嵌入銅塊2類。此異形銅塊總厚度1.2 mm，L3～L7層局部含有臺階厚度0.5 mm，整體在L3～L10層埋銅，屬于嵌入銅塊板。因此可將埋銅層（L3～L10 層）的貫穿疊構分為L3～L6層與L7～L10層2個子板制作。其中2個子板板厚與嵌入異形銅塊對應部分的厚度匹配性一致，通過L6/L7 層之間的PP 壓合流膠填充銅塊與子板間隙，使銅塊與板結合為一體。為保證流膠充足，在滿足阻抗及板厚要求的前提下，L6/L7 層PP 優(yōu)先選擇2116-RC 53%高含膠量規(guī)格的雙層PP疊合，疊構設計如圖2（a）所示。

圖2 埋銅層的疊構及流程設計

埋銅層（L3～L10 層）除子板的制作外，還包括PP 與異形銅塊的預處理，關鍵流程為：2 子板圖形制作（L6、L7 分別單面圖形，壓合完成后再制作L3～L10 層圖形）→埋銅區(qū)域銑槽→L6/L7 之間PP 埋銅區(qū)域銑槽→子板及異形銅塊棕化處理→疊板/鉚合/放置銅塊/壓合→溢膠樹脂清潔→鉆孔/電鍍/圖形等常規(guī)流程，如圖2（b）所示。

埋銅區(qū)域銑槽與銅塊尺寸的匹配性一致，是保證嵌入銅塊可靠性的關鍵因素。根據疊構可知，埋銅區(qū)域的子板與PP 都要經過銑槽制作，子板、PP 與銅塊尺寸的匹配性決定了銅塊在槽內的偏移程度，進而決定間隙的流膠填充情況。如果間隙過大，銅塊向一側偏移過多，會出現間隙填膠不良而產生不同程度的凹陷；如果間隙過小，則放置銅塊困難，不但易損傷子板槽邊緣，而且溢膠過多導致層壓后除膠困難。根據加工精度進行管控，具體設計見表2。此外，PP 比子板銑槽尺寸單邊小25 μm 的設計，在滿足加工精度的同時可確保樹脂流動填充充足，并且2 個子板的漲縮控制在100 μm 內，確保子板鉚合的匹配性良好，銅塊可順利放置。

表2 埋銅區(qū)域尺寸設計

2.2 關鍵制程的制作及管控結果

2.2.1 埋銅層壓合

埋銅層壓合主要分為銅塊預處理、鉚合疊板及埋嵌銅塊等關鍵步驟。

（1）銅塊預處理。壓合前需對銅塊進行棕化處理，采用專用輔助框架進行棕化，確保銅塊表面及側壁棕化層完好；完成后再對銅塊進行烘烤處理（烘烤參數：120 ℃、2 h），去除水蒸氣，保證銅塊干燥并及時真空包裝避免氧化，使用時保證銅塊與PP有良好的結合力。

（2）鉚合疊板：層壓前同樣需對2 子板進行烘板處理（烘烤參數：120 ℃、2 h），去除水蒸氣，保證子板與PP 有良好的結合力；然后按照生產指示疊構對埋銅層子板及PP進行預先鉚合。

（3）埋嵌銅塊：因異形銅塊的臺階形狀，與常規(guī)的順序疊板不同，需將L10 面向上、L3 面向下，方可保證銅塊的順利嵌入；此外使用鋁片/銅箔作為壓合緩沖材料，保證PP 樹脂流膠充分，同時也可避免壓合后拆板對銅塊與板混壓縫隙樹脂的損傷。銅層疊板及嵌入銅塊如圖3所示。

圖3 埋銅層疊板及嵌入銅塊

2.2.2 混壓縫隙的溢膠處理

層壓完成后的板去除緩沖材料后，需通過砂帶研磨處理板表面，以便除去銅塊與板面開槽間隙的溢膠。其中，需注意研磨次數控制，不可返工處理，應使用較溫和的磨板參數［參數為1 200 目（約12 μm），1.2 A，2.0 m/min］。如圖4 所示，在完全去除溢膠的情況下，避免銅塊與板縫隙的損傷或下凹，盡可能保證混壓區(qū)域的平整性。

圖4 混壓縫隙的溢膠處理

2.2.3 混壓縫隙的尺寸及銅厚管控

根據銅塊與板縫隙的溢膠程度，可初步判斷間隙的填充情況，進一步切片確認混壓縫隙與空腔內填膠飽滿，無空洞和裂縫，銅塊與板的結合力良好，且縫隙尺寸為100～150 μm，滿足設計要求，如圖5（a）所示。

此外，混壓縫隙需通過電鍍的方式，實現L3～L10 層的圖形線路與異形銅塊的導通，電鍍后混壓縫隙處銅厚≥15 μm，滿足圖形制作要求，同時也可避免后續(xù)階梯空腔制作時，因異形銅塊偏移，加工到混壓縫隙處造成擊穿的問題，如 圖5（b）所示。

綜上，通過異形銅塊埋銅層的疊構設計及壓合、溢膠處理等關鍵工序的管控，完成L3～L10層埋銅層的制作，滿足品質管控要求。后續(xù)2 層的積層為常規(guī)HDI工藝制作。

3 階梯空腔的加工方法及品質管控

3.1 階梯空腔的加工方法及流程

異形銅塊上方的階梯空腔包括2部分，上半部分L1～L3 層，深度0.15 mm，下半部分L1～L7 層，槽深0.85 mm。目前CO2激光銑深度范圍 ≤0.3 mm，若超出0.3 mm，不但加工困難而且空腔側壁的斜坡增大，品質無法保證，因此需采用CCD 控深銑與CO2激光銑組合的方式［2］。首先通過控深銑L1～L7層，深度控制（0.70±0.05 ）mm，然后通過CO2激光銑L1/3 層及L1～L7 層剩余部分至銅塊表面，深度控制（0.15±0.05）mm。為保證階梯槽底部平整性符合要求，CO2激光銑后，需要通過等離子與水平除膠渣清潔，加工方法及流程如圖6 所示。此外，通過L10～L12層兩階密集激光盲孔陣列（孔徑125 μm/孔距100 μm），使內層的異形銅塊連接到外層，達到縱向導通散熱的熱管理要求。

3.2 關鍵制程的制作及管控結果

3.2.1 階梯空腔的加工與清潔效果

外層圖形制作階梯空腔時，CCD 控深銑與CO2激光銑的對位標靶一致，均采用單元集合板內圖形制作的直徑1.0 mm 銅盤對位，避免對位系統(tǒng)不一致引起的精度偏差。CO2激光銑程序使用125 μm 孔徑光圈、75 μm 孔間距疊孔布陣，完全覆蓋空腔底部，最外圍增加2 圈路徑，采用 100 μm 孔徑光圈、50 μm 孔間距設計，減小腔體側壁加工的斜坡，保證尺寸精度。激光銑程序設計為分刀跳鉆制作，避免密集疊孔區(qū)域熱量聚集造成空腔底部平整性不良。進一步對完成的空腔進行等離子與水平去膠渣處理，清潔腔體側壁與底部。加工與清潔過程如圖7所示。

圖7 階梯空腔的加工與清潔

3.2.2 階梯空腔的尺寸

階梯空腔的關鍵尺寸管控，通過激光共焦顯微鏡收集CCD 深度銑后的深度及CO2激光銑清潔后的尺寸結果，見表3，滿足尺寸公差要求。

表3 階梯空腔的尺寸 單位：mm

3.2.3 階梯空腔底部平整度

因階梯空腔需要貼裝芯片，對階梯空腔底部平整度有較高要求。通過激光共焦顯微鏡收集鎳鈀金表面處理后的階梯空腔底部平整度結果，見表4，空腔底部與臺階均滿足要求。

表4 階梯空腔底部平整度 單位：mm

綜上，通過CCD 深度銑與CO2激光銑的組合方式，完成0.15 mm 與0.85 mm 階梯空腔的制作，空腔尺寸及底部平整度滿足要求。

4 相關可靠性測試

產品制作完成進行回流焊及熱應力可靠性測試，埋銅層銅塊與板間隙樹脂填充無分層、無開裂，結合力良好，滿足品質管控要求，見表5。

表5 相關可靠性測試結果

5 結語

本文對一款含嵌入式異形銅塊與階梯空腔的12 層COB 模塊板進行研究與制作，根據異形銅塊的特點，設計對應的埋銅層壓合疊構，保證異形銅塊的順利嵌入。通過CCD 控深銑與CO2激光銑組合的方式實現銅塊上方0.15 mm 與0.85 mm 2 種深度階梯空腔的加工。最終產品埋銅區(qū)域的可靠性、階梯空腔尺寸及平整性等關鍵指標均滿足客戶的設計要求。