PCB技術 - 埋嵌銅塊電路板的工藝及流程

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

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。

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。