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客户案例

埋入铜块印刷电路板的设计和重要工序的制造方

摘要:埋入铜块印刷电路板具有高热传导性、高散热性、节约板面空间等特点,有效解决大功率电子部件的散热问题。本文从嵌入式铜块设计、层叠结构、重要生产技术、产品相关检测和可靠性等方面进行研究和分析,系统阐述了嵌入式铜块印刷电路板的设计和重要工序的制造方法。

随着电子产品的体积越来越小,印刷电路板(PCB)的体积也越来越小,越来越密集。由于零件的功率密度提高,PCB的散热量过大,影响零件的寿命、老化、零件故障等。迄今为止着名的手机电池爆炸事件提高了设计者和制造商的警惕,手机内部必须确保一定的空间,手机散热也必须考虑无线充电线圈充电时的散热问题。该事件再次证明了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、电力设备等领域的发展,散热问题的解决迫在眉睫。目前,解决PCB散热问题有密集散热孔设计、厚铜箔线路、金属基板结构、埋入铜块设计、铜基凸台设计、高导热材料等多种方法。直接在PCB中嵌入金属铜块是解决散热问题的有效方法之一。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,限制了嵌入式铜块PCB技术成果的应用和推广,因此现有技术需要进一步研究和提高。

随着散热板的技术不断提高和市场的快速发展,散热板在板材和产品结构方面呈现出技术变革和创新的热潮。具体表现为:(1)采用铝板材材料、铜基板材料、金属复合材料、陶瓷基板材料等高导热基板材料(2)产品结构的变化,如厚铜箔基板、金属基板(芯)板、埋入铜基板、陶瓷基板、铜基凸板、铜导电柱、PCB和散热片一体结构等产品的新结构。

嵌铜块PCB散热技术是将铜块嵌入FR4基板或高频混压基板,铜的导热系数远大于PCB介质层,功率部件产生的热量可以通过铜块有效地传导到PCB和散热器。承载铜块的PCB可设计为多层板,基板材料根据产品结构设计需要选择FR4(环氧树脂)材料或高频混压材料。埋入铜块的设计主要分为两类:第一类是铜块半埋入型,命名为埋入铜块,第二类是铜块贯通型,命名为埋入铜块。埋入铜块的厚度小于板的总厚度,铜块的一面与底层平坦,另一面与内层的一面平坦,如图1(铜块的半埋入型)所示。埋入的铜块厚度接近板的总厚度或相当大,铜块贯穿顶层,如图2(铜块贯穿型)所示,该设计的铜块包括埋入阶梯的铜块和埋入直铜块,埋入阶梯的铜块如图3所示。

如何降低RF(射频)层的介质厚度,减少铜箔表面的粗糙度,同时缩短散热路径和发热量,主要方法是通过技术提高微波基板的导热系数、密集的散热孔或局部镀厚铜立足于现有成熟的微波板材,通常采用后两者的设计方案。

埋入铜块的PCB从压合层结构可以概括为FR4(环氧树脂)材料的3层以上的多层板结构埋入铜块(如图4)的第2类是FR4芯板和高频材料混合多层板结构埋入铜块(如图5)。

在FR4芯板和半固化片的埋入铜区域铣削埋入铜槽,将铜块棕化后按压制作,使铜块与FR4芯板组合。高频材料局部混合埋入铜块PCB的加工方法,首先在内层芯板和半固化片埋入铜块的混合区域铣削埋入铜槽、局部混合槽,重叠和热熔融,将铜块埋入槽中,压合铜块与FR4基板、高频基板混合,实现散热功能。

(1)铜块与板(或混压区)铣槽尺寸的一致性:铜块放置在铣槽中,铜块松动或过紧影响压合填充剂的质量和结合力。

(2)铜块和板(或混合区)的平坦度控制:压合时,铜块和FR-4芯板(或混合区)的平坦度难以控制,铜块和板的平坦度必须控制在0.075mm以内。

(3)铜块上的胶水很难去除:压合时从铜块和板的间隙溢出的树脂很难去除铜块上的胶水,影响产品的可靠性。

(4)铜块与板(或混合区)的可靠性:压合时铜块与FR-4芯板(或混合区)有一定的高度差异,容易导致铜块与板的连接处填充不足、空洞、裂纹、分层等问题。

铜片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片,但需要配备金属基板铣床、专用铣床,成本高;第二种是通过铣床二次加工,具有控制深铣床功能的铣床,使用钻头形式的双刃铣床先粗铣床,再次铣床,但需要控制深铣床功能的铣床、专用铣床,成本高;第三种是冲床,生产效率高,但模具成本高,生产灵活性差,不适合样板和小批量生产。为了解决以上问题,开发了图形蚀刻和铣床加工技术,首先转移铜块图形,然后用蚀刻机蚀刻铜块外形,然后用通常的铣床、铣床二次加工铜块外形,生产效率高,生产成本低。

根据叠合结构,内层芯板和半固化片铣削内槽,测试结果(如表1)。结果表明,内层芯板和半固化片先铣削内槽,然后铆接,质量可靠。

铜块压合前,对铜块进行水平棕化处理,使用棕化辅助工具(如网线拖把),防止铜块尺寸过小,机械卡住或掉入缸内,确保铜块的微蚀效果。为了提高铜块与板(或混压区)的平坦度和可靠性,除了考虑铜块厚度与板厚度的一致性外,还应选择脱模膜、铝片、缓冲垫等合适的缓冲材料,按压布局顺序(如图6)。层叠结构设计进一步优化,选用高树脂含量的半固化片,设置埋铜块PCB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电镀孔热应力试验IPC-6012C刚性印刷板的鉴定和性能规范。

烘烤条件:121℃~149℃,至少6小时;热应力测试条件:288℃5℃,10℃,3次。试验后样品的判定:铜块和板的间隙没有孔、裂缝、分层等现象。

样品按上述试验方法测试后,铜块与板的间隙无孔、裂缝、层次等现象,耐热性好(如图11)。

随着新一代信息技术、节能和新能源汽车、电力设备、航空宇宙等领域的发展,散热问题的解决迫在眉睫。嵌入式铜块印刷板具有高热传导性和高散热性,能够在特殊应用领域有效解决大功率电子部件的散热问题。本文从嵌入式铜块设计、层叠结构、重要生产技术、产品相关检测和可靠性等方面进行研究和分析,系统阐述了嵌入式铜块印刷板的设计和重要工序的制造方法,供PCB技术研发人员参考。

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