埋嵌铜块印制电路板的设计与制造技术

0 前言

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。

1 埋嵌铜块设计与叠层结构

1.1 埋嵌铜块设计

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。

图1 铜块半埋型

图2 铜块贯穿型

图3 埋阶梯铜块

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。

1.2 叠层结构

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）。

图4 多层板埋铜块结构示意图

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。

图5 高频混压板埋铜块结构示意图

2 埋嵌铜块制造工艺

2.1 主要技术难点分析

（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。

2.2 工艺流程

2.2.1 埋嵌铜块多层板工艺流程

开料（铜块、FR4 基板、半固化片）→内层线路→内层AOI →OPE冲孔 →内层芯板及半固化片铣槽→ 棕化→铆合→ 压合（放置铜块）→ 削溢胶（磨板）→ 铣盲槽（控深铣床）→机械钻孔（含钻盲孔）→化学镀铜→板电 →外层线路→图形电镀→外层蚀刻→外层AOI→ 防焊 →文字→ 成型 →电测 →化学镀锡→成品检验

2.2.2 埋嵌铜块高频混压板工艺流程

开料（铜块、FR-4 基板、高频基板、半固化片）→内层线路（含高频板）→内层AOI→OPE冲孔→内层芯板及半固化片铣槽 → 棕化→铆合→压合（放置铜块）→ 削溢胶（磨板）→ 机械钻孔（含钻盲孔）→化学镀铜→板电→ 外层线路→图形电镀→外层蚀刻→外层AOI → 防焊 →文字→成型铣槽 →化学镀镍/金→成型→电测 →成品检验

2.3 制造关键技术及控制措施

2.3.1 铜块成型

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。

表1 内层芯板和半固化片铣内槽

2.3.2 内层芯板和半固化片铣槽

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。

2.3.3 铜块压合

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。

图6 压合排版顺序

3 产品相关检测和可靠性测试

3.1 产品相关检测

产品相关检测结果（如表2），产品切片效果（如图7～图10）。

3.2 热应力

3.2.1 参考标准

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。

图8 铜块与板的平整度切片

图9 盲孔切片

表2 产品相关切片检测结果

图7 铜块与板的缝隙切片

图10 盲槽与铜块深度切片

3.2.2 试验方法

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。

3.2.2 试验结果

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）。

图11 热应力后切片

4 结语

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。

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