Guang Zhou Horstar
Cheng Du Forst

应用于相控阵雷达埋入薄膜电阻PCB制造工艺探究

1.前言

早在20世纪60年代,伴随着对电子电路逻辑与封装密度不断提升的预期,PCB行业内提出将部分有源及无源器件埋嵌入PCB内部,以减少表面贴装密度,提升PCB整体布线密度。此后,不断有PCB厂商对埋置元器件工艺进行探索。近些年,随着无线通信的不断发展,传输信号频率及速率均不断上升,系统对PCB信号的匹配要求越来越高,因而不可避免地带来大量终端电阻及旁路电容的应用。基于此需求,埋嵌电阻PCB近年得到快速发展,其不仅提高布线及封装密度,而且有效缩短布线距离,减少寄生效应,提升高频信号传输质量;除此之外,其提升了系统生产效率,降低系统制造成本并且外层焊点的减少提升了整体封装可靠性。

埋嵌电阻PCB从设计角度优势明显,但长久以来未能大规模应用的主要原因在于制造难度较大,导致其批量生产中的不良及成本居高不下。其主要表现在制造端较难稳定控制电阻精度以满足设计要求。本文以我司实际订单制作过程为分析对象,将从原理、设计、制造、测试等角度阐述埋电阻PCB制作方法。


2.原理

埋阻即将具有一定电阻特性的材料埋入在PCB压合用铜箔中,通过相关PCB工艺在局部区域实现电阻功能。常见用于埋阻的Ni合金材料为NiP、NiCr合金,合金层厚度一般在0.5um以内。电阻材料一般采用电化学方法沉积于PCB用铜箔上,再进一步通过压合方式形成PCB内部相应电路层,如下图1。

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图1 埋嵌电阻基板制作过程

如下图所示2、3所示,电流从左侧导体(Cu 金属)出发经过一段Ni合金传输到右侧导体(Cu金属),导电功能较差的Ni合金就承担了电阻的功能.

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图2 埋阻剖面示意图     


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   图3 埋阻平面实物图

                 

3.方阻及阻值设计

3.1方阻

依据电阻公式:R=ρL/(W*H)= (ρ/H)*(L/W)

其中,ρ为材料电阻率,L为电阻的长度,W为电阻宽度,H为材科厚度。由此可知,当L=W时,不管L/W如如何变化,其阻值均不变,R即为方阻,其仅与ρ/H相关,因此方阻是材料的特性,不随设计变化而变化,称为R0  


3.1设计电阻

根据方阻概念及电阻计算公式,R设计=R0*(L/W),由此可知,在确定材料方阻的前提下,可通过设计不同L、W值得到设计电阻。例如,当材料标称方阻为50ohm时,可通过设计平面电阻尺寸L/W=2,从而得到设计电阻为100ohm。


4.材料特性测试

4.1 方阻及过程阻值变化测试

埋阻材料因加工制作等因素,其标称方阻往往与PCB加工生产后实测方阻存在一定差异,因此来料后必须实测材料方阻,以为PCB工程制作提供依据。除此之外,加工过程中一些PCB制程会对埋阻材料的阻值产生影响,因此同样需要测试影响值,以为工程设计提供补偿依据。


由以上测试,来料标称100ohm方阻实测为104.8ohm,棕化后阻值上升0.85 ohm,压合对阻值基本无影响。


5.电路板制作


5.1产品基本信息

以下为我司某款14层埋阻产品订单叠层图:

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以上叠层中L8及L10层为埋阻层,采用Rogers Ro4003C 搭配Ticer Ni/Cr合金铜箔。受孔结构影响,该板须经历4次压合及两次埋阻工艺,综合制作难度较大,该文仅对埋阻工艺相关内容进行阐述,其他则不做赘述。


5.2工程制作


5.2.1流程设计

根据埋阻材料特性,特设计流程如下:

前流程→钻孔→内层干膜→内层蚀刻→AOI→外层干膜→外层蚀刻1→褪膜→棕化→后流程。

具体示意图如下:

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图5 埋阻层加工过程

5.2.2补偿设计

该订单客户设计100ohm及50ohm两种阻值,首先因加工过程棕化的影响,PCB工程设计阻值须设定为99.15ohm(100-0.85)及49.15ohm(50-0.85)。根据公式:R设计=R0*(L/W),将实测方阻R0=104.8 ohm,R工程设计=99.15及49.15代入公式,结合客户设计计算得到成品平面埋阻材料L与W值。接下来工程端结合产线对应铜厚侧蚀量进行W与L的补偿,从而得到W与L之设计工作稿。


5.2.3生产制作

以下为埋阻工艺相关制作过程:

流程

制作要求

ERP流程备注内容

钻孔

钻出LDI定位孔

内层干膜

内层干膜所用菲林仅制作出非埋阻区域图形,埋阻区域为铜皮,线路按常规要求补偿

内层蚀刻

按照内层干膜进行图形蚀刻,保留客户设计图形(包含埋阻线路)

外层干膜

(1)外层干膜所用菲林仅制作埋阻区域图形,非埋阻区域图形为曝光区(即铜皮设计);

(3)外层干膜流程制作时,板边均采取曝光设计,防止二次图形制作对板边标靶图形的损伤。

外层蚀刻

(1)不过退膜段,从蚀刻段放板

(2)使用载板,埋阻面朝上蚀刻

(3)蚀刻后使用万用表测试Coupon电阻值,要求在设定值±10%范围内,否则调整蚀刻速度至阻值合格。

褪膜

在DES褪膜,退膜后目检线路是否有通断,后直接送入棕化,控制时间≤2H.

棕化

棕化不能返工,如需返工需首板确认埋阻层阻值在控制范围内,埋阻层棕化后不允许烤板,保证棕化后3H内进烤板。


5.2.4阻值测量

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    通过以上制作方法,所制作产品阻值控制均在±3%以内,符合客户要求。


6.结论

   通过以上制作总结及分析,埋阻PCB工艺需要注意以下关键点:

(1)   选择阻值稳定可靠的埋阻材料

(2)   为了得到精确的客户设计阻值,PCB工程设计阻值须通过实测制程影响进行确定

(3)   注意制作过程中如时间管控、操作擦伤对阻值的影响。


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