两种蚀刻法制作.doc

两种蚀刻法制作埋嵌电容PCB的对比研究苏世栋(运城学院物理与电子工程系山西运城044000陈苑明何为电子科技大学微电子与固体电子学院四川成都610054摘要蚀刻法是埋嵌电容技术中研究与应用较多的方法。文章研究了双面蚀刻一次层压与单面蚀刻两次层压这两种工艺方法并指出了两种方法加工埋嵌电容PCB工艺过程的关键点通过电容值测量及回流焊测试，对比分析了不同工艺法对埋嵌电容PCB的容值精确度及耐热性能的影响,明确了这两种工艺方法的优缺点关键词埋嵌电容;蚀刻;层压文献标识码A文章编号：1009-0096(2012)12-0041-031前言随着电子产品的提高，PCB板面安装的电子元件数量也不断的增加这些元件中无源元件与有源元件的数量比接近20:1，因此无源元件会占据很大部分PCB表面埋嵌无源元件(EmbeddedPassiveComponents,EPC)枝术，是将无源元件埋嵌到PCB板内部,可大幅度释放PCB板面面积,提高有源元件的封装密度,利于实现电子产品小型化及更集成化的发展1.于此同时,EPC技术还可以明显缩短电路连接距离,减少焊盘及元件孔的数量,能够降低寄生电感,减小电磁干扰和信号串扰,提升PCB高频工作时的性能表现，以及具有提高线路阻抗匹配等作用23图1是埋嵌无源元件封装结构的示意图4图1埋嵌无源元件封装结构示意图本文研究的是EPC技术中的埋嵌电容技术,目前，埋嵌电容技术以下几种5-71.1 埋嵌分离元件法是指将分离的电容元件通过在PCB板上内开槽的方式法到其内部，是最早出现，最为直接的该方法比表面贴装技术复杂很多，且加工精度低,需要严格筛选合格元件，并不适合在实际生产中应用.1.2加成法工艺方法是指通过印刷油墨的方式形成电容的介质层以制作埋嵌电容印制板,形成油墨厚度的均匀性直接决定了电容容值的稳定性,因此该方法对于油墨组成稳定性及印刷厚度的控制要求及高,获得容值稳定的电容难度较大.如motorola公司开发出含有batio3的环氧树脂,将树脂涂覆于PCB板面,通过感光成像形成单独的电容.1.3蚀刻法是指利有减成法蚀刻工艺加工埋容覆铜板材料，茌共两形成电容的两极板，再将埋容覆铜板作为内层板层压至多层板内部，并通过金属化孔连接电容的两极,实现电容的埋嵌。因埋容覆铜板介质层厚度及树脂组成较均匀，所形成的电容也具有相对稳定的电容值.该方法是目前研究最为广泛，且最具开发价值的方法。因此我们也对蚀刻法制作理嵌电容PCB进行了研究.2 试验部分2.1 埋嵌电容PCB的制作文中将要制作的埋嵌电容PCB为10层板结构,尺寸为450mmx600mm,其中二三层与八九层为电容层,选用介质层厚度1.2m、铜箔厚度为34.3m的埋容覆铜板制作电容层,该材料在1MHZ下电容密度为7.0pf/mm2.制作工艺流程将采用双面蚀刻一次层压的工艺方法与单面蚀刻一次层压的工艺方法与单面蚀刻两次层压的工艺方法.以比较两种工艺方法的差异.其中双面蚀刻一次层压的工艺方法是指埋容覆的层图形转移过程中一次使完成双面图仅需要一次层压即可实现电容的内埋，与一般多层板的制作方式类似，其基本流程及测试板叠构如图2及图3.图2双面蚀刻一次层压工艺基本流程图3叠构图图4单面蚀刻两次层压工艺基本流程图5叠构图2.2两种工艺制作埋嵌电容容值精确度对比单面蚀刻两次层压的工艺方法在多层板的形成过程中经过了两次曝光对位及两次层压对位可能因制程能力的限制影响到电容两极板的对准造成实际电容值与设计值的差异.所以,对两种工艺制得的埋嵌电容容值的测量与比较,将能够明确这两种工艺加工的埋嵌电容的容值精确度差异在测试模块中设计了有效面积为50.00mm2及33.33mm2两种尺寸的方形极板电容及圆形极板电容。采用LCR电容测量仪在1MHz下分别测量两种工艺制作的30个各种尺寸及形状的电容的电容值，并对测得的数据进行统计与分析。前提条件是需要保证两种工艺方法中的蚀刻量相同，以避免因为蚀刻过程的差异对电容值产生影响.23两种工艺制作埋嵌电容PcB的耐热性能对比两种工艺方法分别采用一次层压与两次层压制作,为考虑多次层压可能对埋嵌电容PcB的耐热性能造成的影响,设计了孔径为0.25mm,孔间距为080mm与O65mm孔数为1515的密集孔区域作为测试模块.在两种工艺制得PCB上各取出3块测试模块，进行5次峰值260C回流焊测试，并制作金相切片进行观察。3结果及讨论31埋嵌电容PCB制作关键点的分析与总结在埋嵌电容PCB的制作过程中，两种工艺方法各有优缺点。因埋容覆铜板介质层厚度极簿，与传统的刚一性芯板相比，该类型覆铜板的质地十分柔软,内层加工难度较大。为避免埋容覆铜板在内层图形转移过程中在水平生产线的滚轮间发生卡板现象，两种工艺都必须使用导引板牵引埋容覆铜板进行显影、蚀刻及褪膜(DES)过程。在采用双面蚀刻一次层压的工艺方法加工中，内层图形转移会同时蚀刻出埋容覆铜板两面的图形，使得板面局部的介质层失去铜层的支持与保护，完全暴露出来，其介质层受到冲击时易发生破损。所以在加工参数的设定上应适当减小蚀刻段及褪膜段的喷压，如将喷压设置在o15MPa以下。在层压过程中。双面都失去铜面支撑的较大面积的介质层在树脂化收缩的作用下容易发生皱缩，影响埋容层的尺寸涨缩。通过在双面无铜区域添加非功能性铜面图形,可以最大限度的保护介质层，减小介质层皱缩的问题，同时，在层压过程中使用硅胶片缓冲可以进一步保证多层扳的整体涨缩可控.在完成层压流程后，埋容覆铜板己埋嵌入多层板内部，后续的工艺流程与一般多层板的制作基本一致.采用单面蚀刻两次层压的工艺方法，内层图形传移过程只需蚀刻出埋容覆铜板单面的图形，保留下一面铜面可以存DES过程及层压过程中对介质层起到良好的支撑和保护作用，可以有效避免介质层破损及层压介质层皱缩等问题的发生。但为保证与双面蚀刻工艺具有相同的蚀刻量，在蚀刻段的碰压设置是应与之相同。该工艺方法加工流程较长。尤其是需要进行两次图形转移及两次层压过程，而图形转移的对位及层压涨缩都可能导致埋嵌电容极板的错位,使电容的有效面积减小,进而造成实际电容值与理论电容值的差异,这部分研究在接下来的内容巾进行介绍。32容值精确度对比结果表1是对测试模块中的电容值测量数据的统计,其中工艺一是指双面蚀刻一次层压的工艺方法,工艺是指单面蚀刻两次层的工艺方法表1电容值测量结果统计表图6电容号全相切片图从表1中可以发现，测得的每组电容值的变异系数均在1附近，说明测量电容值较工艺一中偏小尺寸或形状工艺二中的平均电容值较工艺一中偏小了0608。造成此现象的主要原因应为单面蚀刻两次层压的工艺中,第一次层压及外层图形转移的对位过程存在一定的对位偏差所致.驼过金相切片观察可以发现，工艺二得到的电容上下极板间存在25UM35UM的错位,且从左右相邻的两处电容基柏树的错位情况来看,其成因并不是由于两蚀刻过程蚀刻量的不均匀导致，如图6(b)中所示。虽然仅25um35um的对位扁差，但仍会对埋嵌电容的有效面积造成影响，使实际电容值略有降低。33耐热性对比测试结果热应力洲试选择采用5次峰值260回流焊测试。通过金相切片观察发现，仅采用单面蚀刻两次层压工艺方法加工埋嵌电容PCB中，孔间距为065mm的密集孔处出现了个别介质层分层爆板的现象，如图7昕示。图75次回流焊后爆板分层切片图通过对金相切片的观察发生，回流焊后发生分层的层次集中在第五六层间的半固化片层，而埋容覆铜板内及与其相邻层次间的介质层并未因多次的层压过程引发分层爆板的现象。因此，无论采用双面蚀刻一次层压的工艺或单面蚀刻两次层压的工艺，都不会区I埋容覆铜板的使用而影响到PcB板的耐热性能，但因工艺流程的延长及多次层压过程可能导致多层板其他层次的耐热性能降低。4结论本文通过采用双面蚀刻一次层压及单面蚀刻两次层压的工艺方法制作埋嵌电容PCB。总结了两种工艺在加工过程中的难点，并对比分析了两种制作工艺对电容容值精确度及PcB耐热性方面的影响。通过对测试结果的总结可以发现，双面蚀刻一次层压工艺方法利于制作精确度更高的电容。同时因制作流程短，其生产效率更高.但对埋容芯板的加工难度相对较大，需要更加严格的控制。而单面蚀刻Z次层压工艺方法可能因多次的图形转移及层压过程，造成电容极板对位偏差。但这种偏差在板面设计空间允许的前提下，可以通过对电容的单面电极图形进行放大补偿加以消除。同时，需要注意多次层压可能带来的PCB热应力可靠性风险。根据其工艺流程的设计.该方法将更加适应于具有埋孔设计的埋嵌电容PCB的制作。参考文献1WJillek，WKCYungEmhbddedComponentsInprintedCircuitBoards：AprocessingtechnologyReviewJIntJAdvManufTechnol，2005，25：3503602蔡积庆埋置元件PCB的发展和无源元件结构的变化J31MinjiaXu，T0ddHHubing,JuanChen，Power-BusDecouplingWithEmbeddediCapacitanceInPrintedcircuitBoardDesignJLIeeeTransactionsOnelectromagneticCompatib：Ii，2003，2(45)：22294金轶，何为，苏新虹多层印制路板网印内埋电阻技术研究Jj电子元件与材料，2011(12)：38415KFairchild，GMorcan，TLenihan，EtA1ReliabilityofFlexibleThinFilmEN：EddedResistorsAnde1ectricalCha