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覆盖膜保护方式内置元器件PCB制作技术研究

导读: 内置元器件PCB是指将电阻、电容等元器件埋入PCB内部形成的产品,有效缩小连接引线长度,减少表面焊接元器件及焊接数量,确保焊接品质;同时能有效保护元器件,减轻元件间的电磁干扰,保证信号传输稳定性,提高IC性能。

内置元器件PCB是指将电阻、电容等元器件埋入PCB内部形成的产品,有效缩小连接引线长度,减少表面焊接元器件及焊接数量,确保焊接品质;同时能有效保护元器件,减轻元件间的电磁干扰,保证信号传输稳定性,提高IC性能。传统的内置元器件PCB制作工艺存在内层棕化膜高温变色、棕化后停留时间超24小时导致压合分层的品质风险。本文分析了现有内置元器件PCB加工工艺的缺点,提出覆盖膜保护方式内置元器件PCB工艺,有效改善上述工艺难点,提升产品品质。

内置元器件PCB将电阻、电容等元器件埋入PCB内部,有效解决传统PCB板面小无法满足更多元器件的贴片需求,以及传统PCB贴片后,元器件外置,彼此间形成电磁干扰,容易受到外部因素损伤元器件造成报废的问题。

内置元器件PCB传统加工流程为:芯板开料→内层图形制作→选择性表面处理→棕化→贴元器件→芯板清洗→烘烤→压合→正常多层板制作,元器件间隙通过半固化片流胶填充。

传统工艺的主要问题有:

(1)芯板焊盘先化金、棕化后贴片流程,棕化有效时间为24小时,贴片耗时长,容易超出棕化时效,导致层合分层;

(2)芯板棕化膜回流焊后高温变色,如图1所示;

(3)返工棕化造成锡膏表面变黑,如图2所示,导致锡膏与半固化片流胶结合处出现缝隙,压合品质无法保证。虽然目前并未有棕化膜变色而导致产品功能性异常的问题发生,但为确保产品品质、消除客户疑虑,确保产品可靠性,找出变色真因及改善方法是当前重要课题。

图1 棕化膜高温变色

图2 锡氧化变黑

本文从传统制作流程分析产品的工艺难点,提出覆盖膜保护方式内置元器件PCB新工艺,对传统制作工艺进行改善和优化,提升产品压合品质,从而实现产品高可靠性的加工生产。

问题分析

一、棕化超时失效

棕化是指对内层芯板进行铜面处理,在内层铜箔表面进行微蚀的同时生成一层极薄的均匀一致的有机金属转化膜[1]以提升多层线路板在压合时铜箔和环氧树脂之间的接合力。棕化处理的两个关键步骤反应式如(1)、(2)所示:

蚀铜反应:

Cu+H2SO4+H2O2→CuSO4+ 2H2O  (1)

成膜反应:

Cu2+ + CuA +B → 有机金属转化膜 (2)

其中A表示氧载体,B表示能与铜氧化物生成有机金属转化膜的化合物,棕化处理过程如图3所示。

图3 棕化处理过程

图4 棕化超时导致层压分层

芯板焊盘先化金、棕化后贴片,芯板棕化后必须在24小时内压合,但是贴片耗时长,容易超出24小时,会导致棕化失效,压合结合力下降,导致分层,如图4所示。

二、棕化膜高温变色

棕化生成的有机金属转化膜呈暗棕色,但是芯板经过无铅回流焊炉后,裸露的棕化膜会由暗棕色变为蓝紫色。

取5张100mm×150mm的覆铜板,分别标记为1、2、3、4和5,覆铜板1正常棕化后不烘烤,覆铜板2、3、4、5正常棕化后分别按240℃、250℃、260℃、270℃烘烤3min,棕化层颜色变化如图5所示:

当温度达到270℃时,棕化层最终失效,棕化层成分随温度变化而变化的比例如图6所示:[2]

图5 棕化表面随温度变化趋势

图6 棕化成分随温度变化

通过上述分析得到,棕化膜变色主要原因是棕化层随着温度的变化被氧化。

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