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。

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.

图2 埋阻剖面示意图     

   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：

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：

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：

5.2.4阻值测量

    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。