埋嵌铜块印制电路板的设计和关键工序的制造方法

机电学院浏览次数:  发布时间:2019-07-18

  现场开奖结果最快,摘要:埋嵌铜块印制电路板具有高导热性、高散热性和节省板面空间等特点,能有效解决大功率电子元器件的散热问题。本文从埋嵌铜块设计、叠层结构、关键生产工艺、产品相关检测和可靠性等方面研究与分析,系统阐述了埋嵌铜块印制电路板的设计和关键工序的制造方法。

  随着电子产品体积越来越小,印制电路板(PCB)的体积也不断的缩小,线路设计越来越密集化。由于元器件的功率密度提高,PCB的散热量过大,从而影响了元器件的使用寿命、老化甚至元器件失效等。此前某知名手机电池爆炸事件让设计者和制造商提高了警惕,手机内部要预留一定的空间,并且在手机散热上也要兼顾无线充电线圈充电时的散热问题。此事件再次证明,电子产品热管理的紧迫性。基于新一代信息技术、节能与新能源汽车、电力装备等领域的发展,散热问题的解决迫在眉睫。目前解决PCB散热问题有很多途径,如密集散热孔设计、厚铜箔线路、金属基(芯)板结构、埋嵌铜块设计、铜基凸台设计、高导热材料等。直接在PCB内埋嵌金属铜块,是解决散热问题的有效途径之一。但现有制作工艺存在铜块与基板结合力不足、耐热性差、溢胶难清除、产品合格率低等问题,限制了埋嵌铜块PCB技术成果的应用和推广,因此现有技术有待进一步研究和提高。

  随着散热基板的技术不断提高与市场高速发展,散热基板在基板材料和产品结构方面,呈现出技术变革与创新的热潮。具体表现在:(1)采用高导热基板材料,如铝基板材料、铜基板材料、金属复合材料、陶瓷基板材料等;(2)在产品结构上的改变,如厚铜箔基板、金属基(芯)板、埋嵌铜块板、陶瓷基板、铜基凸台板、铜导电柱,以及PCB与散热片一体结构等产品新型结构。

  埋嵌铜块PCB散热技术,是将铜块埋嵌到FR4基板或高频混压基板,铜的导热系数远大于PCB介质层,功率器件产生的热量可以通过铜块有效传导至PCB和通过散热器散发。承载铜块的PCB可以设计成多层板,基板材料根据产品结构设计需要选用FR4(环氧树脂)材料或高频混压材料。埋铜块设计主要分为两大类:第一类是铜块半埋型,命名为“埋铜块”;第二类是铜块贯穿型,命名为“嵌铜块”。埋入铜块厚度小于板件总厚度,铜块一面与底层齐平,另一面与内层的某一面齐平,如图1(铜块半埋型)所示。埋入的铜块厚度与板件总厚度接近或相当,铜块贯穿顶层,如图2(铜块贯穿型)所示,此种设计铜块有埋阶梯铜块和埋直铜块,埋阶梯铜块如图3所示。

  微波PCB散热问题一直是电子行业较为关注的问题之一,如何降低RF(射频)层介厚、减少铜箔表面粗糙度的同时,缩短散热路径和发热量,主要途径是通过技术提高微波基板导热系数、密集散热孔或局部镀厚铜或微波板材地层厚铜化、局部埋嵌散热铜块。立足于现有成熟微波板材,通常采用后两者设计方案。

  埋嵌铜块PCB从压合叠层结构上可以概括为二大类:第一类是在FR4(环氧树脂)材料三层或以上多层板结构内埋嵌铜块(如图4);第二类是在FR4芯板与高频材料混压多层板结构内埋嵌铜块(如图5)。

  在FR4芯板和半固化片的埋铜区域铣出埋铜槽,然后将铜块棕化后压合制作,使铜块与FR4芯板组合在一起。高频材料局部混压嵌埋铜块PCB的加工方法,首先是在内层芯板和半固化片埋铜块混压区域铣出埋铜槽、局部混压槽,然后叠合和热熔,铜块嵌入槽内,再进行压合,使铜块与FR4基板、高频基板混压在一起,实现散热功能。

  (1)铜块与板(或混压区)的铣槽尺寸匹配性:铜块放置在铣槽中,铜块过松或过紧的影响压合填胶质量和结合力。

  (2)铜块与板(或混压区)的平整度控制:压合时,铜块与FR-4芯板(或混压区)的平整度难以控制,需确保铜块与板的平整度控制在0.075 mm以内。

  (3)铜块上的残胶难以清除:压合时从铜块与板缝隙溢出的树脂流至铜块上的残胶难以清除,影响产品可靠性。

  (4)铜块与板(或混压区)的可靠性:压合时铜块与FR-4芯板(或混压区)存在一定的高度差,容易导致铜块与板的连接处填胶不足、空洞、裂纹、分层等问题。

  铜块成型主要有三种方法:第一种是通过专用铣床直接铣出所需尺寸的铜块,但需要配备金属基板铣床、专用铣刀,成本较高;第二种是通过铣床二次加工,具有控深铣功能的铣床,使用钻尖形的双刃铣刀先粗铣一遍,再精铣一遍,但需配备控深铣功能的铣床、专用铣刀,成本较高;第三种是使用冲床冲切,虽然生产效率高,但模具制作成本高,生产灵活性差,不适合样板或小批量生产。为解决以上问题,研制出图形蚀刻和铣床加工工艺,先对铜块图形转移,然后通过蚀刻机蚀刻出铜块外形,再用常规铣刀、铣床对铜块外形进行二次加工,因此生产效率较高、生产成本相对较低。

  根据叠合结构,对内层芯板和半固化片铣内槽,试验结果(如表1)。结果表明对内层芯板和半固化片先铣内槽,再铆合,其品质可靠性高。

  铜块压合前,先要对铜块进行水平棕化处理,并使用棕化辅助工具(如网纱拖板),防止铜块尺寸过小导致机器卡板或掉入缸内,确保铜块的微蚀效果。为提高铜块与板(或混压区)的平整度和可靠性,除需考虑铜块厚度与板厚之间的匹配性,还要选用离型膜、铝片、缓冲垫等合适的缓冲材料,压合排版顺序(如图6)。叠层结构设计进一步优化,选用高树脂含量的半固化片,设定埋铜块PCB的专用压合程式,使树脂充分填充和材料完全固化,确保压合后的耐热性和绝缘性。

  IPC-TM-650,2.6.8镀覆孔的热应力试验;IPC-6012C刚性印制板的鉴定及性能规范。

  烘烤条件:121 ℃~149 ℃,至少6 h;热应力试验条件:288 ℃5 ℃,10 s,3次。试验后样品的判定:铜块与板的缝隙无空洞、裂缝、分层等现象。

  样品按以上试验方法测试后,铜块与板的缝隙无空洞、裂缝、分层等现象,耐热性良好(如图11)。

  随着新一代信息技术、节能与新能源汽车、电力装备、航空航天等领域的发展,散热问题的解决迫在眉睫。埋嵌铜块印制板具有高导热性和高散热性,在特殊应用领域中能有效解决大功率电子元器件的散热问题。本文从埋嵌铜块设计、叠层结构、关键生产工艺、产品相关检测和可靠性等方面进行研究与分析,系统阐述了埋嵌铜块印制板的设计和关键工序的制造方法,为PCB技术研发人员提供参考。