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        微凸臺(tái)高散熱剛撓結(jié)合板制造關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-11-30 03:40:56賴海平黃奕釗謝光前張飛龍
        印制電路信息 2022年11期
        關(guān)鍵詞:子板銅基內(nèi)層

        賴海平 黃奕釗 謝光前 張飛龍 羅 奇

        (景旺電子科技(龍川)有限公司,廣東 河源 517300)

        0 前言

        將電子元器件發(fā)熱面與金屬基直接接觸,是解決傳統(tǒng)金屬基電路板導(dǎo)熱絕緣層散熱瓶頸問題的有效手段,其代表性設(shè)計(jì)是銅基凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和埋嵌銅塊結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。但因金屬銅具有導(dǎo)電性,銅基凸臺(tái)和銅塊區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)計(jì),影響電子元器件貼裝密度,雖有開發(fā)電鍍填盲孔半埋式埋嵌銅塊結(jié)構(gòu),但電鍍填孔形成的導(dǎo)熱通路小,散熱效果遠(yuǎn)不及銅基凸臺(tái)結(jié)構(gòu),無法滿足產(chǎn)品散熱需求。文章綜合銅基凸臺(tái)高散熱和電鍍填孔埋銅塊多網(wǎng)絡(luò)布線特點(diǎn),開發(fā)出微尺寸、密集凸臺(tái)銅基剛撓結(jié)合板,滿足電子元器件高密度貼裝和高散熱的設(shè)計(jì)需求,同時(shí)還介紹了該結(jié)構(gòu)制造難點(diǎn)及解決方案。

        圖1 金屬基直接接觸高散熱電路板結(jié)構(gòu)示意圖

        1 產(chǎn)品基本信息

        1.1 產(chǎn)品信息

        微凸臺(tái)高散熱剛撓結(jié)合板,應(yīng)用于需彎折安裝的高功率照明電器中,其中凸臺(tái)具有尺寸小(1.0×1.0 mm),間距?。?.0 mm),密度大(13.5 cm2的銅塊上制作近百個(gè)微凸臺(tái))的特點(diǎn);疊構(gòu)包含銅基凸臺(tái)、FR4子板,F(xiàn)PC(撓性印制電路板)雙面子板,涉及控深蝕刻、壓合填膠、激光盲孔、微孔填鍍和控深銑等制程工藝,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝較為復(fù)雜(如圖2和圖3所示),開發(fā)難度大。

        圖2 微凸臺(tái)剛撓結(jié)構(gòu)板疊構(gòu)圖

        圖3 微凸臺(tái)設(shè)計(jì)圖

        2 制造難點(diǎn)及解決措施

        2.1 FPC制作

        2.1.1 褶皺問題

        (1)難點(diǎn)。FPC雙面為18 μm(0.52 oz)銅箔,內(nèi)層蝕刻后,殘銅率僅為32.4%,內(nèi)層蝕銅區(qū)僅剩厚度為25 μm PI(聚酰亞胺樹脂)和外層厚度為18 μm的銅箔支撐,厚度不足50 μm,后工序制作容易出現(xiàn)褶皺變形(如圖4所示),尤其是凸臺(tái)開窗位置的褶皺變形會(huì)造成壓合溢膠堆積,難以清除,影響產(chǎn)品外觀和外層凸臺(tái)線路電鍍可靠性。

        圖4 褶皺無法壓平圖

        (2)措施。在FPC子板厚度和基材材質(zhì)固定的前提下,增加內(nèi)層蝕刻后的產(chǎn)品剛性,是降低褶皺的有效途徑。經(jīng)試驗(yàn)(如表1所示),在FPC內(nèi)層非單元區(qū)域鋪設(shè)實(shí)銅(如圖5所示),提升內(nèi)層殘銅率,可有效提升FPC剛性,降低褶皺報(bào)廢率。

        圖5 鋪實(shí)銅前后工程設(shè)計(jì)圖

        表1 FPC褶皺不良改善方案對比表

        2.1.2 耐電壓不良問題

        (1)難點(diǎn)。FPC激光開窗,燒蝕基材PI(聚酰亞胺)產(chǎn)生大量碳化物,黏附在開窗基材壁中,難以有效清除,影響產(chǎn)品絕緣可靠性。同時(shí)因布線密度大,疊加銅基凸臺(tái)放置偏位和開窗尺寸偏差因素,線路與凸臺(tái)最小距離不滿足≥0.3 mm的設(shè)計(jì)要求,容易出現(xiàn)電弧閃絡(luò)引起的短路不良(如圖6所示)。

        圖6 耐壓不良圖

        (2)措施。優(yōu)化FPC開窗方式,并加大線路與凸臺(tái)安全間距是解決該電路板結(jié)構(gòu)耐電壓不良問題的主要方向。制作開窗模具,采用模沖取代激光開窗,杜絕燒蝕碳化物產(chǎn)生的耐電壓隱患。其次優(yōu)化FPC線路和凸臺(tái)設(shè)計(jì),具體措施如下:

        ①優(yōu)化銅基凸臺(tái),在不影響客戶貼裝燈珠的前提下,減小凸臺(tái)尺寸和凸臺(tái)R角半徑,增大安全距離的同時(shí),降低凸臺(tái)尖角放電的概率,解決電弧閃絡(luò)引起的耐電壓不良問題。

        ②優(yōu)化內(nèi)層線路,因內(nèi)層線路位置布線密集,無法通過移線加大安全距離。評估通過削線方式,滿足凸臺(tái)與內(nèi)層線路的安全距離(如圖7所示)。經(jīng)試驗(yàn),根據(jù)內(nèi)層線路大小不同,進(jìn)行相應(yīng)比例削線,可有效提高內(nèi)層線路與凸臺(tái)之間的絕緣耐壓能力。

        圖7 內(nèi)層線路優(yōu)化對比圖

        通過優(yōu)化FPC開窗、凸臺(tái)和內(nèi)層線路設(shè)計(jì),產(chǎn)品耐電壓不良由25%下降為2%以下,改善效果明顯。

        2.2 壓合制作

        (1)難點(diǎn)。通常凸臺(tái)溢膠和填膠是凸臺(tái)結(jié)構(gòu)板制作的難點(diǎn)。本產(chǎn)品密集凸臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)一步加大了該難點(diǎn)。密集凸臺(tái)間隙多,對壓合填膠要求高,需選用含膠量大,熔融流動(dòng)性好的半固化片進(jìn)行壓合,否則容易出現(xiàn)凸臺(tái)間隙填膠不滿,進(jìn)而造成電鍍滲藥水,產(chǎn)生短路問題。但膠液熔融流動(dòng)性大,含膠量高又會(huì)產(chǎn)生凸臺(tái)溢膠量大的問題。在疊構(gòu)中采用輔型阻膠材料雖可降低溢膠,但FPC子板薄,支撐力小,輔型阻膠材料受熱變形容易擠壓凸臺(tái)周邊線路,產(chǎn)生凹陷(如圖8a所示),加大凸臺(tái)與周邊線路的高低落差,影響外層線路光致膜貼合緊密性,引起線路凹蝕問題(如圖8b所示)。如何平衡填膠、溢膠和凹陷是本產(chǎn)品壓合制程的難點(diǎn)。

        圖8 凸臺(tái)周邊凹陷及周邊線路凹蝕圖

        (2)方案。通過優(yōu)化壓合疊構(gòu),對比不同半固化片,不同敷形材料對壓合填膠及凹陷影響,確定采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片+普通阻膠離型膜疊構(gòu)壓合效果最好(如圖9所示)。

        圖9 不同疊構(gòu)壓合效果圖

        敷形離型膜的作用機(jī)理是在高溫高壓條件下,凸臺(tái)表面及其他受壓力較大的外層線路區(qū)域離型膜受到擠壓,往凸臺(tái)周邊階梯落差的區(qū)域堆積,增加低洼處壓力,避免失壓,同時(shí)堵住凸臺(tái)間隙,起到阻膠作用。

        試驗(yàn)中因鋁片存在一定的形變弧度,無法有效堵住凸臺(tái)間隙,造成溢膠嚴(yán)重,部分單元因間隙溢膠堆積反而造成線路下沉,形成凹陷。而高輔形阻膠離型膜,厚度較大,軟化點(diǎn)較低,在凸臺(tái)周邊區(qū)域堆積較快較多,容易造成凹陷,雖采用兩張玻纖半固化片的兩層玻纖對凸臺(tái)周邊FPC起到一定的支撐作用,凹陷少,但是玻纖同時(shí)會(huì)束縛膠液熔融流動(dòng)性,造成部分單元間隙填膠不充分,不能滿足品質(zhì)要求。采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片的2號疊構(gòu),膠液熔融流動(dòng)性好,填充能力強(qiáng),搭配普通敷型離型膜,雖有輕微凹陷和溢膠,但可通過后工序的削溢膠去除,整體壓合效果最好。但導(dǎo)熱半固化片熔融流動(dòng)性大,需采用快速升溫,緩升壓的程序(如表2所示),根據(jù)其固化曲線逐步增壓,避免在流動(dòng)性最大節(jié)點(diǎn)上高壓,造成凸臺(tái)溢膠偏大,絕緣層偏薄問題,同時(shí)還需考慮疊合操作問題,無玻纖支撐的導(dǎo)熱半固化片容易變形碎裂,需先采用假貼工藝將半固化片黏附在FPC內(nèi)層上,再進(jìn)行疊合。

        表2 導(dǎo)熱半固化片壓合程序表

        2.3 控深銑制作難點(diǎn)

        (1)難點(diǎn)。產(chǎn)品壓合后,將PCB子板控深銑掉,保留FPC部分,獲得撓性結(jié)構(gòu)。因壓合后產(chǎn)品疊構(gòu)包含銅基、FR4子板和FPC雙面子板,疊構(gòu)復(fù)雜,漲縮差異大,板內(nèi)存在局部翹曲變形現(xiàn)象,影響控深精度,容易出現(xiàn)芯板殘留或銑傷FPC內(nèi)層線路問題(如圖10a)。其次撓性區(qū)域外型邊缺少剛性支撐,無玻纖導(dǎo)熱半固化片固化后質(zhì)地較脆,受銑刀旋轉(zhuǎn)切割作用力影響,容易出現(xiàn)絕緣層崩邊問題(如圖10b)。

        圖10 控深銑傷板圖

        (2)方案:板內(nèi)局部曲翹變形,導(dǎo)致?lián)闲詤^(qū)域控深銑無法按照單一的深度參數(shù)操作,通過優(yōu)化控深參數(shù),實(shí)現(xiàn)過程控深補(bǔ)償,提升控深銑精度。具體操作為以實(shí)測板厚減去FPC子板和導(dǎo)熱半固化片厚度為基準(zhǔn),在每個(gè)單元控深銑之前,設(shè)置銑床自動(dòng)探測單元厚度,并自動(dòng)補(bǔ)償銑刀深度,降低板內(nèi)局部翹曲變形對控深銑精度的影響。其次內(nèi)槽銅耳部分(銅基凸臺(tái)內(nèi)槽組裝孔)需側(cè)邊鍍金,故無法將銑內(nèi)槽流程調(diào)至控深銑后面解決崩邊問題,只能通過優(yōu)化內(nèi)槽成型設(shè)計(jì)解決。經(jīng)試驗(yàn),將內(nèi)槽的銑刀直徑由2.0 mm改為1.0 mm,沉金前,內(nèi)槽不全部銑空,保留與控深銑走刀相接處的區(qū)域至少0.5 mm寬度,提升控深銑邊緣的支撐力,解決板邊絕緣層崩邊問題。

        3 結(jié)論

        微凸臺(tái)高散熱剛撓結(jié)合板制造難點(diǎn)主要體現(xiàn)在其復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的產(chǎn)品制造良率問題。文章通過優(yōu)化內(nèi)外層線路和凸臺(tái)設(shè)計(jì),加大凸臺(tái)與線路的安全間距,解決電弧閃絡(luò)耐電壓不良問題;增加內(nèi)層殘銅率,提升FPC的硬度,降低FPC褶皺變形不良率;采用無玻纖導(dǎo)熱半固化片疊構(gòu)壓合,提高間隙填膠能力,降低壓合凸臺(tái)周邊凹陷;優(yōu)化控深方式,實(shí)現(xiàn)單元控深補(bǔ)償,降低板內(nèi)局部變形對控深銑精度的影響。通過采取這些措施,提高了微凸臺(tái)高散熱剛撓結(jié)合板批量生產(chǎn)的可行性。

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