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內(nèi)置元器件PCB是指將電阻、電容等元器件埋入PCB內(nèi)部形成的產(chǎn)品，有效縮小連接引線長(zhǎng)度，減少表面焊接元器件及焊接數(shù)量，確保焊接品質(zhì)；同時(shí)能有效保護(hù)元器件，減輕元件間的電磁干擾，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定性，提高IC性能。傳統(tǒng)的內(nèi)置元器件PCB制作工藝存在內(nèi)層棕化膜高溫變色、棕化后停留時(shí)間超24小時(shí)導(dǎo)致壓合分層的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。本文分析了現(xiàn)有內(nèi)置元器件PCB加工工藝的缺點(diǎn)，提出覆蓋膜保護(hù)方式內(nèi)置元器件PCB工藝，有效改善上述工藝難點(diǎn)，提升產(chǎn)品品質(zhì)。
內(nèi)置元器件PCB將電阻、電容等元器件埋入PCB內(nèi)部，有效解決傳統(tǒng)PCB板面小無(wú)法滿足更多元器件的貼片需求，以及傳統(tǒng)PCB貼片后，元器件外置，彼此間形成電磁干擾，容易受到外部因素?fù)p傷元器件造成報(bào)廢的問(wèn)題。
內(nèi)置元器件PCB傳統(tǒng)加工流程為：芯板開(kāi)料→內(nèi)層圖形制作→選擇性表面處理→棕化→貼元器件→芯板清洗→烘烤→壓合→正常多層板制作，元器件間隙通過(guò)半固化片流膠填充。
傳統(tǒng)工藝的主要問(wèn)題有：
(1)芯板焊盤(pán)先化金、棕化后貼片流程，棕化有效時(shí)間為24小時(shí)，貼片耗時(shí)長(zhǎng)，容易超出棕化時(shí)效，導(dǎo)致層合分層；
(2)芯板棕化膜回流焊后高溫變色，如圖1所示；
(3)返工棕化造成錫膏表面變黑，如圖2所示，導(dǎo)致錫膏與半固化片流膠結(jié)合處出現(xiàn)縫隙，壓合品質(zhì)無(wú)法保證。雖然目前并未有棕化膜變色而導(dǎo)致產(chǎn)品功能性異常的問(wèn)題發(fā)生，但為確保產(chǎn)品品質(zhì)、消除客戶疑慮，確保產(chǎn)品可靠性，找出變色真因及改善方法是當(dāng)前重要課題。
圖1 棕化膜高溫變色
圖2 錫氧化變黑
本文從傳統(tǒng)制作流程分析產(chǎn)品的工藝難點(diǎn)，提出覆蓋膜保護(hù)方式內(nèi)置元器件PCB新工藝，對(duì)傳統(tǒng)制作工藝進(jìn)行改善和優(yōu)化，提升產(chǎn)品壓合品質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性的加工生產(chǎn)。
問(wèn)題分析
一、棕化超時(shí)失效
棕化是指對(duì)內(nèi)層芯板進(jìn)行銅面處理，在內(nèi)層銅箔表面進(jìn)行微蝕的同時(shí)生成一層極薄的均勻一致的有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化膜[1]以提升多層線路板在壓合時(shí)銅箔和環(huán)氧樹(shù)脂之間的接合力。棕化處理的兩個(gè)關(guān)鍵步驟反應(yīng)式如(1)、(2)所示：
蝕銅反應(yīng)：
Cu+H2SO4+H2O2→CuSO4+ 2H2O （1）
成膜反應(yīng)：
Cu2+ + CuA +B → 有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化膜 （2）
其中A表示氧載體，B表示能與銅氧化物生成有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化膜的化合物，棕化處理過(guò)程如圖3所示。
圖3 棕化處理過(guò)程
圖4 棕化超時(shí)導(dǎo)致層壓分層
芯板焊盤(pán)先化金、棕化后貼片，芯板棕化后必須在24小時(shí)內(nèi)壓合，但是貼片耗時(shí)長(zhǎng)，容易超出24小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致棕化失效，壓合結(jié)合力下降，導(dǎo)致分層，如圖4所示。
二、棕化膜高溫變色
棕化生成的有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化膜呈暗棕色，但是芯板經(jīng)過(guò)無(wú)鉛回流焊爐后，裸露的棕化膜會(huì)由暗棕色變?yōu)樗{(lán)紫色。
取5張100mm×150mm的覆銅板，分別標(biāo)記為1、2、3、4和5，覆銅板1正常棕化后不烘烤，覆銅板2、3、4、5正常棕化后分別按240℃、250℃、260℃、270℃烘烤3min，棕化層顏色變化如圖5所示：
當(dāng)溫度達(dá)到270℃時(shí)，棕化層最終失效，棕化層成分隨溫度變化而變化的比例如圖6所示：[2]
圖5 棕化表面隨溫度變化趨勢(shì)
圖6 棕化成分隨溫度變化
通過(guò)上述分析得到，棕化膜變色主要原因是棕化層隨著溫度的變化被氧化。
為得到棕化膜變色對(duì)產(chǎn)品壓合品質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，取4張250mm×300mm的1oz銅箔，分別標(biāo)記為1、2、3和4，銅箔1正常棕化后不烘烤，銅箔2、3、4正常棕化后分別按230℃、250℃、270℃烘烤3min，取1080半固化片將銅箔反壓在0.8mm厚度的芯板上，即銅箔光面與半固化片接觸壓合，壓合后制作3.18mm寬度的剝離強(qiáng)度測(cè)試條進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示：
圖7 不同溫度烘烤后棕化層剝離強(qiáng)度變化趨勢(shì)
通過(guò)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)棕化膜經(jīng)過(guò)270℃烘烤后再壓合，棕化膜的剝離力只有0.54-0.58N/mm，不滿足IPC標(biāo)準(zhǔn)（≥0.625N/mm），極大的影響了后工序的壓合品質(zhì)，增大了企業(yè)的制作風(fēng)險(xiǎn)。
三、 錫膏變黑
芯板貼片后返棕化，能解決棕化膜高溫變色的問(wèn)題，但是會(huì)導(dǎo)致錫膏變黑，導(dǎo)致錫膏與半固化片流膠結(jié)合處出現(xiàn)縫隙，壓合品質(zhì)無(wú)法保證，影響產(chǎn)品可靠性。
錫膏棕化變黑的主要原因是錫及其氧化物與棕化線的酸性藥水產(chǎn)生反應(yīng)，生成氧化亞錫（黑色固體）和硫酸亞錫（裸露在空氣中氧化變成微黃色）[3]，主要反應(yīng)式如(3)、(4)、(5)所示：
Sn + Na2(SO4)2+ H2O → Na2SO4 + SnO(黑色固體) + 2H2SO4 （3）
SnO2+H2SO4→SnSO4+H2O （4）
2SnSO4 + 2H2O →(SnOH)2SO4↓(微黃色堿式鹽) + H2SO4 （5）
錫遇酸反應(yīng)生產(chǎn)的化合物顆粒較大，吸附在錫膏表面，壓合后熱沖擊容易出現(xiàn)裂縫，如圖8所示：
圖8 錫膏區(qū)域熱沖擊情況（左：結(jié)合OK；右：結(jié)合NG）
通過(guò)上述3個(gè)問(wèn)題點(diǎn)分析，需要設(shè)計(jì)中間介質(zhì)，能與芯板線路進(jìn)行壓合，具有一定耐高溫能力，保護(hù)棕化膜進(jìn)行回流焊；同時(shí)，能與半固化片進(jìn)行壓合并結(jié)合良好，避免壓合分層的問(wèn)題。參考剛撓結(jié)合板工藝，覆蓋膜具有一定的耐高溫、耐酸堿能力，有效與半固化片、芯板線路進(jìn)行壓合，結(jié)合力好，滿足上述要求。同時(shí)，覆蓋膜的環(huán)氧樹(shù)脂層能有效填充芯板線路，提升芯板表面平整度，使得后續(xù)總壓過(guò)程中，半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙，提高生產(chǎn)板平整度。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)
使用覆蓋膜保護(hù)棕化，對(duì)傳統(tǒng)的貼片芯板制作流程進(jìn)行優(yōu)化，提出新工藝，具體如下：
剛性板棕化后壓合覆蓋膜，有效保護(hù)棕化膜，解決貼片芯板線路棕化膜高溫變色、棕化超時(shí)的不良問(wèn)題，由于覆蓋膜的保護(hù)，不需要返工棕化，避免了錫膏變黑的問(wèn)題，確保芯板壓合品質(zhì)。
圖9 覆蓋膜保護(hù)方式內(nèi)置元器件PCB層壓結(jié)構(gòu)圖
圖10 覆蓋膜保護(hù)化金
覆蓋膜保護(hù)方式內(nèi)置元器件PCB層壓結(jié)構(gòu)如圖9所示，芯板L4層需要貼片，完成線路制作、棕化后壓合覆蓋膜和化金，化金效果如圖10所示，清洗后隔干凈白紙轉(zhuǎn)移貼片生產(chǎn)，貼片效果如圖11所示。貼片后使用成品清洗機(jī)進(jìn)行清洗，清洗后烘烤去除水分，烘烤條件為：85℃、60min，烘烤后進(jìn)行等離子處理，確保產(chǎn)品壓合品質(zhì)，完成壓合后按常規(guī)流程制作。
圖11 不同工藝SMT效果（左：傳統(tǒng)工藝；右：覆蓋膜保護(hù)工藝）
芯板壓合覆蓋膜后，由于覆蓋膜環(huán)氧樹(shù)脂膠的填充，增強(qiáng)了貼片芯板表面平整度，使得芯板在總壓過(guò)程中，半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙，提高生產(chǎn)板平整度。
測(cè)試驗(yàn)證
按上述新工藝制作產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行平整度、熱沖擊、間隙填膠及電氣性能測(cè)試，結(jié)果如下：
(1) 平整度：采用九格測(cè)試方法測(cè)量壓合后板厚數(shù)據(jù)，如圖12和圖13所示，試樣壓合厚度均勻性一致，差異小，極差0.046-0.064mm，滿足品質(zhì)要求；
圖12 九格板厚測(cè)試圖示
圖13 試板平整度數(shù)據(jù)
(2) 耐熱性能：熱沖擊288℃，10s，3次，覆蓋膜壓合區(qū)域未出現(xiàn)分層爆板，如圖14所示；
(3) 壓合品質(zhì)：內(nèi)置元器件間隙填膠充分，無(wú)空洞，外觀無(wú)變形，如圖15所示；
圖14 熱沖擊效果（左：元器件位置；右：覆蓋膜位置）
圖15 壓合效果
(4) 電氣性能：在芯板貼片、產(chǎn)品完成制作后使用數(shù)字電橋測(cè)試儀進(jìn)行電容、電阻測(cè)試，通過(guò)對(duì)比容值及阻值的變化來(lái)判斷層壓對(duì)內(nèi)置元器件的影響。
圖16 貼片后、成品后電容值變化
圖17 貼片后、成品后電阻值變化
如圖16和圖17所示，元器件在貼片、完成后的電容值和電阻值未產(chǎn)生明顯變化，數(shù)值穩(wěn)定，判定合格。針對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，需要注意的是：測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法反饋高溫高壓對(duì)元器件的壽命、穩(wěn)定性等其它性能的影響。
根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)及結(jié)果，產(chǎn)品各項(xiàng)性能滿足品質(zhì)要求，優(yōu)化可以。
針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)置元器件PCB產(chǎn)品加工出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)，分析原因，提出覆蓋膜保護(hù)方式新工藝，對(duì)產(chǎn)品制作工藝進(jìn)行優(yōu)化。采用覆蓋膜能有效解決產(chǎn)品加工中出現(xiàn)的芯板棕化膜回流焊高溫變色、貼片超出棕化時(shí)效24小時(shí)、錫膏氧化變黑等導(dǎo)致層壓分層的不良問(wèn)題，保證壓合品質(zhì)，提升產(chǎn)品可靠性。
本文簡(jiǎn)述的覆蓋膜保護(hù)方式內(nèi)置元器件PCB制造工藝的研究?jī)H供同行借鑒和參考，不足之處請(qǐng)大家指正。
