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PCB技術

PCB技術 - 埋嵌銅塊電路板的工藝及流程

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PCB技術 - 埋嵌銅塊電路板的工藝及流程

埋嵌銅塊電路板的工藝及流程
2023-01-31
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Author:爱彼電路      分享文章

隨著電子產品體積越來越小,印製電路板(PCB)的體積也不斷的縮小,線路設計越來越密集化。 由於元器件的功率密度提高,PCB的散熱量過大,從而影響了元器件的使用壽命、老化甚至元器件失效等。 此前某知名手機電池爆炸事件讓設計者和PCB製造商提高了警惕,手機內部要預留一定的空間,並且在手機散熱上也要兼顧無線充電線圈充電時的散熱問題。 此事件再次證明,電子產品熱管理的緊迫性。 基於新一代資訊技術、節能與新能源汽車、電力裝備等領域的發展,散熱問題的解决迫在眉睫。 現時解决PCB散熱問題有很多途徑,如密集散熱孔設計、厚銅箔線路、金屬基(芯)板結構、埋嵌銅塊設計、銅基凸臺設計、高導熱資料等。 直接在PCB內埋嵌金屬銅塊,是解决散熱問題的有效途徑之一。 但現有製作工藝存在銅塊與基板結合力不足、耐熱性差、溢膠難清除、產品合格率低等問題,限制了埋嵌銅塊PCB技術成果的應用和推廣,囙此現有科技有待進一步研究和提高。


埋嵌銅塊印製電路板具有高導熱性、高散熱性和節省板面空間等特點,能有效解決大功率電子元器件的散熱問題。 埋嵌銅塊PCB散熱科技,是將銅塊埋嵌到FR4基板或高頻混壓基板,銅的導熱係數遠大於PCB介質層,功率器件產生的熱量可以通過銅塊有效傳導至PCB和通過散熱器散發。 承載銅塊的PCB可以設計成多層板,基板資料根據產品結構設計需要選用FR4(環氧樹脂)資料或高頻混壓資料。 埋銅塊設計主要分為兩大類:第一類是銅塊半埋型,命名為“埋銅塊”; 第二類是銅塊貫穿型,命名為“嵌銅塊”。 埋入銅塊厚度小於板件總厚度,銅塊一面與底層齊平,另一面與內層的某一面齊平,埋入的銅塊厚度與板件總厚度接近或相當,銅塊貫穿頂層,此種設計銅塊有埋階梯銅塊和埋直銅塊。


隨著散熱基板的科技不斷提高與市場高速發展,散熱基板在基板資料和產品結構方面,呈現出科技變革與創新的熱潮。 具體表現在:

1.採用高導熱基板資料,如鋁基板資料、銅基板資料、金屬複合材料、陶瓷基板資料等;

2.在產品結構上的改變,如厚銅箔基板、金屬基(芯)板、埋嵌銅塊電路板、陶瓷基板、銅基凸台板、銅導電柱,以及PCB與散熱片一體結構等產品新型結構。


在FR4芯板和半固化片的埋銅區域銑出埋銅槽,然後將銅塊棕化後壓合製作,使銅塊與FR4芯板組合在一起。 高頻材料局部混壓嵌埋銅塊PCB的加工方法,首先是在內層芯板和半固化片埋銅塊混壓區域銑出埋銅槽、局部混壓槽,然後疊合和熱熔,銅塊嵌入槽內,再進行壓合,使銅塊與FR4基板、高頻基板混壓在一起,實現散熱功能。 埋嵌銅塊PCB從壓合疊層結構上可以概括為二大類:第一類是在FR4(環氧樹脂)材料三層或以上多層板結構內埋嵌銅塊; 第二類是在FR4芯板與高頻資料混壓多層板結構內埋嵌銅塊。

埋嵌銅塊電路板制造技術

埋嵌銅塊電路板制造技術

1.銅塊與板(或混壓區)的銑槽尺寸匹配性:銅塊放置在銑槽中,銅塊過松或過緊的影響壓合填膠質量和結合力。

2.銅塊與板(或混壓區)的平整度控制:壓合時,銅塊與FR-4芯板(或混壓區)的平整度難以控制,需確保銅塊與板的平整度控制在±0.075 mm以內。

3.銅塊上的殘膠難以清除:壓合時從銅塊與板縫隙溢出的樹脂流至銅塊上的殘膠難以清除,影響產品可靠性。

4.銅塊與板(或混壓區)的可靠性:壓合時銅塊與FR-4芯板(或混壓區)存在一定的高度差,容易導致銅塊與板的連接處填膠不足、空洞、裂紋、分層等問題。


埋嵌銅塊電路板工藝流程

埋嵌銅塊多層電路板工藝流程

開料(銅塊、FR4基板、半固化片)→內層線路→內層AOI→OPE沖孔→內層芯板及半固化片銑槽→棕化→鉚合→壓合(放置銅塊)→削溢膠(磨板)→銑盲槽(控深銑床)→機械鑽孔(含鑽盲孔) →化學鍍銅→板電→外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI→防焊→文字→成型→電測→化學鍍錫→成品檢驗→包裝出庫


埋嵌銅塊高頻混壓電路板工藝流程

開料(銅塊、FR-4基板、高頻基板、半固化片)→內層線路(含高頻板)→內層AOI→OPE沖孔→內層芯板及半固化片銑槽→棕化→鉚合→壓合(放置銅塊)→削溢膠(磨板)→機械鑽孔(含鑽盲孔) →化學鍍銅→板電→外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI→防焊→文字→成型銑槽→化學鍍鎳/金→成型→電測→成品檢驗→包裝出庫


嵌銅電路板製造關鍵技術及控制措施

銅塊成型主要有三種方法:第一種是通過專用銑床直接銑出所需尺寸的銅塊,但需要配備金屬基板銑床、專用銑刀,成本較高; 第二種是通過銑床二次加工,具有控深銑功能的銑床,使用鑽尖形的雙刃銑刀先粗銑一遍,再精銑一遍,但需配備控深銑功能的銑床、專用銑刀,成本較高; 第三種是使用衝床沖切,雖然生產效率高,但模具製作成本高,生產靈活性差,不適合模範或小批量生產。 為解决以上問題,研製出圖形蝕刻和銑床加工工藝,先對銅塊圖形轉移,然後通過蝕刻機蝕刻出銅塊外形,再用常規銑刀、銑床對銅塊外形進行二次加工,囙此生產效率較高、生產成本相對較低。


內層芯板和半固化片銑槽

根據疊合結構,對內層芯板和半固化片銑內槽,試驗結果。 結果表明對內層芯板和半固化片先銑內槽,再鉚合,其品質可靠性高。

嵌銅電路板結構

銅塊壓合

銅塊壓合前,先要對銅塊進行水准棕化處理,並使用棕化輔助工具(如網紗拖板),防止銅塊尺寸過小導致機器卡板或掉入缸內,確保銅塊的微蝕效果。 為提高銅塊與板(或混壓區)的平整度和可靠性,除需考慮銅塊厚度與板厚之間的匹配性,還要選用離型膜、鋁片、緩衝墊等合適的緩衝資料,壓合排版順序。 疊層結構設計進一步優化,選用高樹脂含量的半固化片,設定埋銅塊PCB的專用壓合程式,使樹脂充分填充和資料完全固化,確保壓合後的耐熱性和絕緣性。


嵌銅電路板熱應力

1.參攷標準

IPC-TM-650,2.6.8鍍覆孔的熱應力試驗; IPC-6012C剛性印製板的鑒定及效能規範。

2.試驗方法

烘烤條件:121℃~149℃,至少6H; 熱應力試驗條件:288℃±5℃,10 s,3次。 試驗後樣品的判定:銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象。

3.試驗結果

樣品按以上試驗方法測試後,銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象,耐熱性良好。