埋置磁芯PCB制作工藝研究

康國慶 林以炳 周小平 胡軍榮 梁明龍 黃天奇

［1.景旺電子科技（珠海）有限公司，廣東 珠海 519000；2.廣州金升陽科技有限公司，廣東 廣州 510700；3.深圳市馭鷹者電子有限公司，廣東 深圳 518101］

0 引言

有統(tǒng)計表明，無源元件（電容、電感和電阻等）在印制電路板（printed circuit board，PCB）上安裝元件數(shù)約占80%～90%，占基板面積的70%～80%。在電子產(chǎn)品高集成度的發(fā)展趨勢下，無源元件在PCB 內(nèi)埋置技術(shù)成為研究熱點。PCB內(nèi)無源元件埋置技術(shù)，具有縮小電路板面積和層數(shù)、實現(xiàn)短布線、減少PCB 表面焊點數(shù)量、制代板面上所需的焊接無源元件等優(yōu)點，可提高有源元件組裝及布線自由度，且成本較低，為電子產(chǎn)品的高密度化、小型化提供良好的解決方案。

埋置磁芯PCB 是將磁芯埋入PCB 中，設(shè)計導線或?qū)Ь€與金屬孔連接作為線圈繞組，達到替代表面貼裝電感的目的。本文以一款埋置磁芯PCB產(chǎn)品為例，對磁片加工性能、磁片壓合定位控制、環(huán)氧類導磁樹脂材料塞孔控制等方面制作工藝進行研究和總結(jié)，從而掌握此類產(chǎn)品的加工技術(shù)。

1 埋置磁芯PCB信息及加工難點

1.1 產(chǎn)品信息

常見的埋磁結(jié)構(gòu)有平面環(huán)形和立體螺旋2 種：平面環(huán)形包括與PCB 板面平行的環(huán)形線圈及上下兩側(cè)的磁性材料；立體螺旋則設(shè)計螺旋形線圈，線圈中軸加上磁性材料。2 種埋磁結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，通常根據(jù)預(yù)埋電感的具體用途靈活選擇。本文所述埋磁結(jié)構(gòu)與上述2 種均有不同，具體疊構(gòu)信息如圖1 所示。由圖1 可見，PCB 為6 層板，L1～L2 層、L5～L6 層分別埋置磁片，環(huán)氧類導磁樹脂塞孔貫穿L2～L3 層并與磁片連通、貫穿L4～L5層并與磁片連通。

圖1 埋磁芯PCB疊構(gòu)設(shè)計

1.2 產(chǎn)品加工難點

埋置磁芯PCB 產(chǎn)品加工難點信息見表1。關(guān)于厚銅細線加工技術(shù)和不對稱疊構(gòu)壓合技術(shù)，行業(yè)內(nèi)已有較多的加工經(jīng)驗，本文不再贅述。重點從磁片加工性能、磁片壓合定位控制、環(huán)氧類導磁樹脂材料塞孔方面進行研究、分析，提出相應(yīng)解決方案。

表1 產(chǎn)品加工難點分析

2 磁片加工性能

設(shè)計試驗疊構(gòu)如圖2 所示，驗證磁片與半固化片（prepreg，PP）的結(jié)合力及耐壓性能。

圖2 試驗疊構(gòu)

2.1 試驗方案

試驗材料：厚度0.2 mm 磁片，106 RC75%高TgPP，銅箔。

試驗流程：疊板→壓合→蝕刻板面銅層→回流焊測試→切片分析。

上述試驗流程中，疊板、壓合前，對磁片進行清洗、棕化處理時，需使用特制的磁片承載工具，避免磁片受損；壓合后板面銅箔蝕刻干凈，方便觀察磁片壓合后狀態(tài)。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 試驗結(jié)果

按照試驗流程壓合制板，分別觀察并記錄壓合后、蝕刻板面銅層后的板面狀態(tài)，回流焊后，對試驗板進行切片，觀察并記錄切片狀態(tài)。具體試驗結(jié)果如圖3所示。

2.2.2 試驗結(jié)果分析

（1）圖3（a）中，磁片厚度為0.2 mm，兩側(cè)PP 厚度為0.05 mm，高度差過大，壓合過程中，磁片四周以外的區(qū)域欠壓，出現(xiàn)銅皺、缺膠問題。

（2）圖3（b）中，磁片與PP 之間高度差過大，壓合時樹脂向磁片周邊擴散填充，但樹脂膠量不足，導致磁片四周有明顯露織紋現(xiàn)象。

（3）圖3（c）中，磁片與PP 結(jié)合力良好，但試驗疊構(gòu)中的磁片壓合時受力大，壓合后易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

以上結(jié)果說明，在埋磁芯PCB 制作中，需優(yōu)化壓合疊構(gòu)，減小疊構(gòu)中磁片與PP 高度差，減小磁片壓合受力，改善磁片壓合開裂現(xiàn)象。

3 磁片壓合定位控制

3.1 問題描述

優(yōu)化磁片壓合疊構(gòu)，增加與磁片等厚的雙面無銅芯板（光板），開設(shè)磁片容納槽，將磁片設(shè)置于容納槽，再在無銅芯板上下側(cè)疊放含膠量合適的PP。按照上述疊構(gòu)壓合后，磁片壓合開裂現(xiàn)象明顯改善，但少部分的試驗板仍有開裂問題。對問題板進行研究分析，發(fā)現(xiàn)有開裂問題的磁片均存在不同程度的偏位，偏位的磁片脫離芯板容納槽，滑入芯板與PP 間隙，壓合時磁片受力不均而被壓裂。

3.2 解決方案

為了便于放置磁片，磁片容納槽尺寸略大于磁片尺寸，壓合前芯板與PP 尚未完全貼合，容納槽周邊存在間隙。磁片本身輕薄，壓合過程中，容易偏位進入容納槽周邊間隙。解決磁片因偏位壓裂的問題，主要在于磁片壓合定位控制，使壓合時磁片能固定于容納槽區(qū)域?；谏鲜龇治?，設(shè)計2種方案，驗證不同方案的改善效果。

（1）兩次壓合方式。在芯板容納槽底部貼耐高溫膠帶，利用膠帶輔助磁片定位，進行一次壓合。一次壓合后，撕除膠帶，將壓合形成的子板與PP、芯板進行二次壓合。

（2）一次壓合方式。在芯板一側(cè)設(shè)置純膠，通過真空快壓機將純膠與芯板預(yù)貼合，使容納槽周邊與純膠之間不存在間隙。磁片放入容納槽后，進行一次壓合。壓合疊構(gòu)如圖4所示。

圖4 磁片壓合定位方案

3.3 改善效果

對采用2 種方案壓合后的板子狀態(tài)進行逐一檢查，確認2 種方案均能解決因磁片偏位導致的壓裂問題。但試驗過程中，發(fā)現(xiàn)二次壓合方案在完成一次壓合撕除膠帶后，磁片貼膠面殘留膠帶痕跡。為避免影響二次壓合時磁片與PP 結(jié)合力，在二次壓合前，需增設(shè)等離子除膠流程，去除磁片上殘留的膠帶痕跡，等離子除膠后的磁片面如圖5所示。

圖5 磁片殘留膠與等離子除膠后

以上結(jié)果表明，壓合時，設(shè)置與磁片等厚的雙面無銅芯板并開設(shè)磁片容納槽，將磁片固定于容納槽區(qū)域內(nèi)，可以解決磁片容易壓裂、壓合偏位的問題。

4 環(huán)氧類導磁樹脂材料塞孔控制

4.1 問題描述

電感量是埋置磁芯PCB 關(guān)鍵指標，為了提高埋磁芯PCB 電感量，產(chǎn)品除了在平行于PCB 板面方向的L1～L2 層、L5～L6 層埋磁片，還在垂直于PCB 板面方向填塞環(huán)氧類導磁樹脂（簡稱“導磁膠”）。完成L1～L3 層子板壓合后，于L3 層面向磁片位鉆設(shè)導磁膠孔，孔底與磁片連通，再使用導磁膠塞孔，使導磁膠與磁片連通。常規(guī)樹脂塞孔多要求塞孔飽滿、無凹陷，但導磁膠主要成分為磁性粉體，相對普通塞孔樹脂，預(yù)固化后硬度高，研磨難度大。若溢出板面的導磁膠量過多，研磨不凈，將影響后續(xù)線路制作。因此，導磁膠塞孔不能按照常規(guī)樹脂塞孔要求，必須精準控制塞孔量，確保塞滿但不溢膠。

4.2 解決方案

影響塞孔量的關(guān)鍵因素有導磁膠黏度、塞孔工藝參數(shù)及塞孔鋁片開窗尺寸。因客戶對導磁性能有要求，導磁膠配比變化將影響產(chǎn)品整體電感量，涉及客戶端測試數(shù)據(jù)及仿真分析，無法隨意調(diào)整。本文主要從塞孔工藝參數(shù)和塞孔鋁片開窗尺寸兩方面進行優(yōu)化。經(jīng)過驗證及切片分析，采用真空塞孔制程，縮小塞孔鋁片開窗尺寸為塞孔孔徑的75%～90%，配合使用表2 所示塞孔參數(shù)，可確保導磁膠塞滿不外溢，或外溢量可控、能輕松研磨去除，如圖6所示。

表2 塞孔參數(shù)

圖6 導磁膠塞孔切片

以上結(jié)果表明，導磁膠塞孔時，通過縮小塞孔鋁片開窗尺寸，配合優(yōu)化后的塞孔參數(shù)，可以解決導磁膠外溢堆積至孔口、研磨難度大的問題。

5 結(jié)語

本文基于PCB廠商現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備與加工工藝，以一款埋置磁芯PCB 產(chǎn)品為例，對產(chǎn)品制作難點進行拆解，提出解決方案并逐一驗證。通過磁片加工性能驗證，選用了制程兼容性好的磁片；開發(fā)磁片壓合定位控制技術(shù)，解決了磁片容易壓裂、壓合偏位的問題；開發(fā)環(huán)氧類導磁樹脂塞孔控制技術(shù)，使導磁樹脂塞孔量精準可控，解決了導磁樹脂孔口堆積、研磨難度大的問題。根據(jù)客戶反饋，產(chǎn)品上件測試后，其電感量、耦合系數(shù)、耐壓性能等關(guān)鍵指標均滿足設(shè)計需求。