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覆蓋膜保護方式內置元器件PCB製作技術研究

分類:
技術交流
作者:
AG亚游集团
2018/09/11 14:05

內置元器件PCB是指將電阻、電容等元器件埋入PCB內部形成的產品,有效縮小連接引線長度,減少表麵焊接元器件及焊接數量,確保焊接品質;同時能有效保護元器件,減輕元件間的電磁幹擾,保證信號傳輸穩定性,提高IC性能。傳統的內置元器件PCB製作工藝存在內層棕化膜高溫變色、棕化後停留時間超24小時導致壓合分層的品質風險。本文分析了現有內置元器件PCB加工工藝的缺點,提出覆蓋膜保護方式內置元器件PCB工藝,有效改善上述工藝難點,提升產品品質。

 

內置元器件PCB將電阻、電容等元器件埋入PCB內部,有效解決傳統PCB板麵小無法滿足更多元器件的貼片需求,以及傳統PCB貼片後,元器件外置,彼此間形成電磁幹擾,容易受到外部因素損傷元器件造成報廢的問題。

 

內置元器件PCB傳統加工流程為:芯板開料→內層圖形製作→選擇性表麵處理→棕化→貼元器件→芯板清洗→烘烤→壓合→正常多層板製作,元器件間隙通過半固化片流膠填充。

 

傳統工藝的主要問題有:

(1)芯板焊盤先化金、棕化後貼片流程,棕化有效時間為24小時,貼片耗時長,容易超出棕化時效,導致層合分層;

(2)芯板棕化膜回流焊後高溫變色,如圖1所示;

(3)返工棕化造成錫膏表麵變黑,如圖2所示,導致錫膏與半固化片流膠結合處出現縫隙,壓合品質無法保證。雖然目前並未有棕化膜變色而導致產品功能性異常的問題發生,但為確保產品品質、消除客戶疑慮,確保產品可靠性,找出變色真因及改善方法是當前重要課題。

 

 

圖1 棕化膜高溫變色 

 

 

圖2 錫氧化變黑

 

本文從傳統製作流程分析產品的工藝難點,提出覆蓋膜保護方式內置元器件PCB新工藝,對傳統製作工藝進行改善和優化,提升產品壓合品質,從而實現產品高可靠性的加工生產。

 

 問題分析

 

一、棕化超時失效

 

棕化是指對內層芯板進行銅麵處理,在內層銅箔表麵進行微蝕的同時生成一層極薄的均勻一致的有機金屬轉化膜[1]以提升多層線路板在壓合時銅箔和環氧樹脂之間的接合力。棕化處理的兩個關鍵步驟反應式如(1)、(2)所示:

 

蝕銅反應:

Cu+H2SO4+H2O2→CuSO4+ 2H2O  (1)

 

成膜反應:

Cu2+ + CuA +B → 有機金屬轉化膜 (2)

 

其中A表示氧載體,B表示能與銅氧化物生成有機金屬轉化膜的化合物,棕化處理過程如圖3所示。

 

圖3 棕化處理過程    

 

圖4 棕化超時導致層壓分層

 

芯板焊盤先化金、棕化後貼片,芯板棕化後必須在24小時內壓合,但是貼片耗時長,容易超出24小時,會導致棕化失效,壓合結合力下降,導致分層,如圖4所示。

 

二、棕化膜高溫變色

 

棕化生成的有機金屬轉化膜呈暗棕色,但是芯板經過無鉛回流焊爐後,裸露的棕化膜會由暗棕色變為藍紫色。

 

取5張100mm×150mm的覆銅板,分別標記為1、2、3、4和5,覆銅板1正常棕化後不烘烤,覆銅板2、3、4、5正常棕化後分別按240℃、250℃、260℃、270℃烘烤3min,棕化層顏色變化如圖5所示:

 

當溫度達到270℃時,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 棕化表麵隨溫度變化趨勢

 

   

圖6 棕化成分隨溫度變化

 

通過上述分析得到,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產品壓合品質的影響,設計對比試驗,取4張250mm×300mm的1oz銅箔,分別標記為1、2、3和4,銅箔1正常棕化後不烘烤,銅箔2、3、4正常棕化後分別按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,即銅箔光麵與半固化片接觸壓合,壓合後製作3.18mm寬度的剝離強度測試條進行測量,測試數據如圖7所示:

 

圖7 不同溫度烘烤後棕化層剝離強度變化趨勢

 

通過數據分析,當棕化膜經過270℃烘烤後再壓合,棕化膜的剝離力隻有0.54-0.58N/mm,不滿足IPC標準(≥0.625N/mm),極大的影響了後工序的壓合品質,增大了企業的製作風險。

 

三、 錫膏變黑

 

芯板貼片後返棕化,能解決棕化膜高溫變色的問題,但是會導致錫膏變黑,導致錫膏與半固化片流膠結合處出現縫隙,壓合品質無法保證,影響產品可靠性。

 

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生反應,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)

 

錫遇酸反應生產的化合物顆粒較大,吸附在錫膏表麵,壓合後熱衝擊容易出現裂縫,如圖8所示:

圖8 錫膏區域熱衝擊情況(左:結合OK;右:結合NG)

 

通過上述3個問題點分析,需要設計中間介質,能與芯板線路進行壓合,具有一定耐高溫能力,保護棕化膜進行回流焊;同時,能與半固化片進行壓合並結合良好,避免壓合分層的問題。參考剛撓結合板工藝,覆蓋膜具有一定的耐高溫、耐酸堿能力,有效與半固化片、芯板線路進行壓合,結合力好,滿足上述要求。同時,覆蓋膜的環氧樹脂層能有效填充芯板線路,提升芯板表麵平整度,使得後續總壓過程中,半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙,提高生產板平整度。

 

試驗設計

 

使用覆蓋膜保護棕化,對傳統的貼片芯板製作流程進行優化,提出新工藝,具體如下:

 

 

剛性板棕化後壓合覆蓋膜,有效保護棕化膜,解決貼片芯板線路棕化膜高溫變色、棕化超時的不良問題,由於覆蓋膜的保護,不需要返工棕化,避免了錫膏變黑的問題,確保芯板壓合品質。

 

圖9 覆蓋膜保護方式內置元器件PCB層壓結構圖

 

圖10 覆蓋膜保護化金

 

覆蓋膜保護方式內置元器件PCB層壓結構如圖9所示,芯板L4層需要貼片,完成線路製作、棕化後壓合覆蓋膜和化金,化金效果如圖10所示,清洗後隔幹淨白紙轉移貼片生產,貼片效果如圖11所示。貼片後使用成品清洗機進行清洗,清洗後烘烤去除水分,烘烤條件為:85℃、60min,烘烤後進行等離子處理,確保產品壓合品質,完成壓合後按常規流程製作。

 

圖11 不同工藝SMT效果(左:傳統工藝;右:覆蓋膜保護工藝)

 

芯板壓合覆蓋膜後,由於覆蓋膜環氧樹脂膠的填充,增強了貼片芯板表麵平整度,使得芯板在總壓過程中,半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙,提高生產板平整度。

 

測試驗證

 

按上述新工藝製作產品,對其進行平整度、熱衝擊、間隙填膠及電氣性能測試,結果如下:

 

(1) 平整度:采用九格測試方法測量壓合後板厚數據,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,滿足品質要求;

圖12 九格板厚測試圖示

 

圖13 試板平整度數據

 

(2) 耐熱性能:熱衝擊288℃,10s,3次,覆蓋膜壓合區域未出現分層爆板,如圖14所示;

 

(3) 壓合品質:內置元器件間隙填膠充分,無空洞,外觀無變形,如圖15所示;

 

圖14  熱衝擊效果(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、產品完成製作後使用數字電橋測試儀進行電容、電阻測試,通過對比容值及阻值的變化來判斷層壓對內置元器件的影響。

 

圖16 貼片後、成品後電容值變化

 

圖17 貼片後、成品後電阻值變化

 

如圖16和圖17所示,元器件在貼片、完成後的電容值和電阻值未產生明顯變化,數值穩定,判定合格。針對試驗測試數據,需要注意的是:測試數據無法反饋高溫高壓對元器件的壽命、穩定性等其它性能的影響。

 

根據測試的數據及結果,產品各項性能滿足品質要求,優化可以。

 

針對傳統內置元器件PCB產品加工出現的技術難點,分析原因,提出覆蓋膜保護方式新工藝,對產品製作工藝進行優化。采用覆蓋膜能有效解決產品加工中出現的芯板棕化膜回流焊高溫變色、貼片超出棕化時效24小時、錫膏氧化變黑等導致層壓分層的不良問題,保證壓合品質,提升產品可靠性。

本文簡述的覆蓋膜保護方式內置元器件PCB製造工藝的研究僅供同行借鑒和參考,不足之處請大家指正。 

 

參考文獻

[1] 蔡漢華,張小春等. 內層用棕化溶液的控製對內層品質的影響[J]. 印製電路信息.  2002,10.

[2] 陳閏發. 印製電路板分層改善研究[J]. 印製電路信息.  2008,4. 

[3] 吳穎,陳日耀,陳震.硫酸亞錫水解和氧化行為的研究[A].無機鹽工業.1995,2.

[4] 彭浪. 焊接式埋入元件PCB工藝難點分析[J]. 印製電路信息. 2014(S1).

[5] 蔡積慶(譯). 埋嵌元件PCB的技術[J]. 印製電路信息. 2013,6.

 

作者:

林啟恒  衛雄  林映生  陳春

 

本文首發於《印製電路信息》 2016年 第24卷  總第288期

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