內(nèi)置元器件PCB是指將電阻、電容等元器件埋入PCB內(nèi)部形成的產(chǎn)品，有效縮小連接引線長度，減少表面焊接元器件及焊接數(shù)量，確保焊接品質(zhì)；同時能有效保護元器件，減輕元件間的電磁干擾，保證信號傳輸穩(wěn)定性，提高IC性能。傳統(tǒng)的內(nèi)置元器件PCB制作工藝存在內(nèi)層棕化膜高溫變色、棕化后停留時間超24小時導致壓合分層的品質(zhì)風險。本文分析了現(xiàn)有內(nèi)置元器件PCB加工工藝的缺點，提出覆蓋膜保護方式內(nèi)置元器件PCB工藝，有效改善上述工藝難點，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

內(nèi)置元器件PCB將電阻、電容等元器件埋入PCB內(nèi)部，有效解決傳統(tǒng)PCB板面小無法滿足更多元器件的貼片需求，以及傳統(tǒng)PCB貼片后，元器件外置，彼此間形成電磁干擾，容易受到外部因素損傷元器件造成報廢的問題。

內(nèi)置元器件PCB傳統(tǒng)加工流程為：芯板開料→內(nèi)層圖形制作→選擇性表面處理→棕化→貼元器件→芯板清洗→烘烤→壓合→正常多層板制作，元器件間隙通過半固化片流膠填充。

傳統(tǒng)工藝的主要問題有：

(1)芯板焊盤先化金、棕化后貼片流程，棕化有效時間為24小時，貼片耗時長，容易超出棕化時效，導致層合分層；

(2)芯板棕化膜回流焊后高溫變色，如圖1所示；

(3)返工棕化造成錫膏表面變黑，如圖2所示，導致錫膏與半固化片流膠結(jié)合處出現(xiàn)縫隙，壓合品質(zhì)無法保證。雖然目前并未有棕化膜變色而導致產(chǎn)品功能性異常的問題發(fā)生，但為確保產(chǎn)品品質(zhì)、消除客戶疑慮，確保產(chǎn)品可靠性，找出變色真因及改善方法是當前重要課題。

圖1 棕化膜高溫變色 

圖2 錫氧化變黑

本文從傳統(tǒng)制作流程分析產(chǎn)品的工藝難點，提出覆蓋膜保護方式內(nèi)置元器件PCB新工藝，對傳統(tǒng)制作工藝進行改善和優(yōu)化，提升產(chǎn)品壓合品質(zhì)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性的加工生產(chǎn)。

問題分析

一、棕化超時失效

棕化是指對內(nèi)層芯板進行銅面處理，在內(nèi)層銅箔表面進行微蝕的同時生成一層極薄的均勻一致的有機金屬轉(zhuǎn)化膜[1]以提升多層線路板在壓合時銅箔和環(huán)氧樹脂之間的接合力。棕化處理的兩個關鍵步驟反應式如(1)、(2)所示：

蝕銅反應：

Cu+H2SO4+H2O2→CuSO4+ 2H2O  （1）

成膜反應：

Cu2+ + CuA +B → 有機金屬轉(zhuǎn)化膜 （2）

其中A表示氧載體，B表示能與銅氧化物生成有機金屬轉(zhuǎn)化膜的化合物，棕化處理過程如圖3所示。

圖3 棕化處理過程     

圖4 棕化超時導致層壓分層

芯板焊盤先化金、棕化后貼片，芯板棕化后必須在24小時內(nèi)壓合，但是貼片耗時長，容易超出24小時，會導致棕化失效，壓合結(jié)合力下降，導致分層，如圖4所示。

二、棕化膜高溫變色

棕化生成的有機金屬轉(zhuǎn)化膜呈暗棕色，但是芯板經(jīng)過無鉛回流焊爐后，裸露的棕化膜會由暗棕色變?yōu)樗{紫色。

取5張100mm×150mm的覆銅板，分別標記為1、2、3、4和5，覆銅板1正常棕化后不烘烤，覆銅板2、3、4、5正常棕化后分別按240℃、250℃、260℃、270℃烘烤3min，棕化層顏色變化如圖5所示：

當溫度達到270℃時，棕化層最終失效，棕化層成分隨溫度變化而變化的比例如圖6所示：[2]

圖5 棕化表面隨溫度變化趨勢    

圖6 棕化成分隨溫度變化

通過上述分析得到，棕化膜變色主要原因是棕化層隨著溫度的變化被氧化。

為得到棕化膜變色對產(chǎn)品壓合品質(zhì)的影響，設計對比試驗，取4張250mm×300mm的1oz銅箔，分別標記為1、2、3和4，銅箔1正常棕化后不烘烤，銅箔2、3、4正常棕化后分別按230℃、250℃、270℃烘烤3min，取1080半固化片將銅箔反壓在0.8mm厚度的芯板上，即銅箔光面與半固化片接觸壓合，壓合后制作3.18mm寬度的剝離強度測試條進行測量，測試數(shù)據(jù)如圖7所示：

圖7 不同溫度烘烤后棕化層剝離強度變化趨勢

通過數(shù)據(jù)分析，當棕化膜經(jīng)過270℃烘烤后再壓合，棕化膜的剝離力只有0.54-0.58N/mm，不滿足IPC標準（≥0.625N/mm），極大的影響了后工序的壓合品質(zhì)，增大了企業(yè)的制作風險。

三、 錫膏變黑

芯板貼片后返棕化，能解決棕化膜高溫變色的問題，但是會導致錫膏變黑，導致錫膏與半固化片流膠結(jié)合處出現(xiàn)縫隙，壓合品質(zhì)無法保證，影響產(chǎn)品可靠性。

錫膏棕化變黑的主要原因是錫及其氧化物與棕化線的酸性藥水產(chǎn)生反應，生成氧化亞錫（黑色固體）和硫酸亞錫（裸露在空氣中氧化變成微黃色）[3]，主要反應式如(3)、(4)、(5)所示：

Sn + Na2(SO4)2+ H2O → Na2SO4 + SnO(黑色固體) + 2H2SO4      （3）

SnO2+H2SO4→SnSO4+H2O      （4）

2SnSO4 + 2H2O →(SnOH)2SO4↓(微黃色堿式鹽) + H2SO4        （5）

錫遇酸反應生產(chǎn)的化合物顆粒較大，吸附在錫膏表面，壓合后熱沖擊容易出現(xiàn)裂縫，如圖8所示：

圖8 錫膏區(qū)域熱沖擊情況（左：結(jié)合OK；右：結(jié)合NG）

通過上述3個問題點分析，需要設計中間介質(zhì)，能與芯板線路進行壓合，具有一定耐高溫能力，保護棕化膜進行回流焊；同時，能與半固化片進行壓合并結(jié)合良好，避免壓合分層的問題。參考剛撓結(jié)合板工藝，覆蓋膜具有一定的耐高溫、耐酸堿能力，有效與半固化片、芯板線路進行壓合，結(jié)合力好，滿足上述要求。同時，覆蓋膜的環(huán)氧樹脂層能有效填充芯板線路，提升芯板表面平整度，使得后續(xù)總壓過程中，半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙，提高生產(chǎn)板平整度。

試驗設計

使用覆蓋膜保護棕化，對傳統(tǒng)的貼片芯板制作流程進行優(yōu)化，提出新工藝，具體如下：

剛性板棕化后壓合覆蓋膜，有效保護棕化膜，解決貼片芯板線路棕化膜高溫變色、棕化超時的不良問題，由于覆蓋膜的保護，不需要返工棕化，避免了錫膏變黑的問題，確保芯板壓合品質(zhì)。

圖9 覆蓋膜保護方式內(nèi)置元器件PCB層壓結(jié)構(gòu)圖

圖10 覆蓋膜保護化金

覆蓋膜保護方式內(nèi)置元器件PCB層壓結(jié)構(gòu)如圖9所示，芯板L4層需要貼片，完成線路制作、棕化后壓合覆蓋膜和化金，化金效果如圖10所示，清洗后隔干凈白紙轉(zhuǎn)移貼片生產(chǎn)，貼片效果如圖11所示。貼片后使用成品清洗機進行清洗，清洗后烘烤去除水分，烘烤條件為：85℃、60min，烘烤后進行等離子處理，確保產(chǎn)品壓合品質(zhì)，完成壓合后按常規(guī)流程制作。

圖11 不同工藝SMT效果（左：傳統(tǒng)工藝；右：覆蓋膜保護工藝）

芯板壓合覆蓋膜后，由于覆蓋膜環(huán)氧樹脂膠的填充，增強了貼片芯板表面平整度，使得芯板在總壓過程中，半固化片的流膠更加充分的填充元器件間隙，提高生產(chǎn)板平整度。

測試驗證

按上述新工藝制作產(chǎn)品，對其進行平整度、熱沖擊、間隙填膠及電氣性能測試，結(jié)果如下：

(1) 平整度：采用九格測試方法測量壓合后板厚數(shù)據(jù)，如圖12和圖13所示，試樣壓合厚度均勻性一致，差異小，極差0.046-0.064mm，滿足品質(zhì)要求；

圖12 九格板厚測試圖示

圖13 試板平整度數(shù)據(jù)

(2) 耐熱性能：熱沖擊288℃，10s，3次，覆蓋膜壓合區(qū)域未出現(xiàn)分層爆板，如圖14所示；

(3) 壓合品質(zhì)：內(nèi)置元器件間隙填膠充分，無空洞，外觀無變形，如圖15所示；

圖14  熱沖擊效果（左：元器件位置；右：覆蓋膜位置）

圖15 壓合效果

(4) 電氣性能：在芯板貼片、產(chǎn)品完成制作后使用數(shù)字電橋測試儀進行電容、電阻測試，通過對比容值及阻值的變化來判斷層壓對內(nèi)置元器件的影響。

圖16 貼片后、成品后電容值變化

圖17 貼片后、成品后電阻值變化

如圖16和圖17所示，元器件在貼片、完成后的電容值和電阻值未產(chǎn)生明顯變化，數(shù)值穩(wěn)定，判定合格。針對試驗測試數(shù)據(jù)，需要注意的是：測試數(shù)據(jù)無法反饋高溫高壓對元器件的壽命、穩(wěn)定性等其它性能的影響。

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)及結(jié)果，產(chǎn)品各項性能滿足品質(zhì)要求，優(yōu)化可以。

針對傳統(tǒng)內(nèi)置元器件PCB產(chǎn)品加工出現(xiàn)的技術(shù)難點，分析原因，提出覆蓋膜保護方式新工藝，對產(chǎn)品制作工藝進行優(yōu)化。采用覆蓋膜能有效解決產(chǎn)品加工中出現(xiàn)的芯板棕化膜回流焊高溫變色、貼片超出棕化時效24小時、錫膏氧化變黑等導致層壓分層的不良問題，保證壓合品質(zhì)，提升產(chǎn)品可靠性。

本文簡述的覆蓋膜保護方式內(nèi)置元器件PCB制造工藝的研究僅供同行借鑒和參考，不足之處請大家指正。