技术分享：覆盖膜保护方式内置元器件PCB制作技术研究

内置元器件PCB是指将电阻、电容等元器件埋入PCB内部产品可有效降低连接线长度，减少表面焊接部件和焊接数量，保证焊接质量，有效保护部件，减少部件间电磁干扰，保证信号传输稳定性，提高IC性能。传统的内置元件PCB内层棕化膜高温变色，棕化后停留时间超过24小时，存在压合分层的质量风险。本文分析了现有内置元件PCB加工工艺的缺点提出了内置部件的覆盖膜保护方法PCB工艺，有效改善上述工艺难点，提高产品质量。

内置元器件PCB将电阻、电容等部件埋入PCB内部，有效解决传统PCB板面小，不能满足更多元器件的贴片需求，传统PCB贴片后，元器件外置，形成电磁干扰，容易因外部因素损坏元器件而报废。
内置元器件PCB传统的加工工艺是：芯板开料→制作内层图形→选择性表面处理→棕化→贴元器件→芯板清洗→烘烤→压合→正常的多层板生产，组件间隙用半固化片胶填充。
传统工艺的主要问题是：
(1)芯板焊盘先化金、棕化后贴片工艺，棕化有效时间为24小时，贴片耗时，易超过棕化时效，导致层合分层；
(2)芯板棕化膜回流焊后高温变色，如图1所示；
（3）返工棕色导致锡膏表面变黑，如图2所示，导致锡膏与半固化片胶粘结合处出现间隙，压缩质量无法保证。虽然没有棕色薄膜变色导致产品功能异常的问题，但为了确保产品质量，消除客户疑虑，确保产品可靠性，找出变色的真正原因和改进方法是目前的一个重要课题。
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问题分析

一、棕化超时失效
棕色是指对内芯板进行铜表面处理，在内铜箔表面产生极薄、均匀的有机金属转化膜[1]，以提高铜箔与环氧树脂在压力过程中的接合力。棕色处理的两个关键步骤反应类型，如（1、（2）所示：
蚀铜反应：
Cu H2SO4 H2O2→CuSO4 2H2O （1）
成膜反应：
Cu2 CuA B → 有机金属转化膜 （2）
A表示氧载体，B表示能与铜氧化物生成有机金属转化膜的化合物，棕化处理过程如图3所示。
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芯板焊盘必须在24小时内压合，但贴片耗时，容易超过24小时，导致棕色失效，压合结合力下降，导致分层，如图4所示。

二、棕化膜高温变色
棕色产生的有机金属转化膜呈深棕色，但芯板经无铅回流焊炉后，裸露的棕色膜由深棕色变为蓝紫色。
取5张100mm×150mm覆铜板分别标注为1、2、3、4、5，覆铜板1正常棕化后不烘烤，覆铜板2、3、4、5正常棕化后分别标注为240℃、250℃、260℃、270℃烘烤3min，如图5所示，棕如图5所示：
当温度达到270℃当棕化层最终失效时，棕化层成分随温度变化的比例如图6所示：[2]
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通过以上分析，棕化膜变色的主要原因是棕化层随温度而氧化。
为了获得棕色膜变色对产品压合质量的影响，设计对比试验取4张250mm×300mm的1oz铜箔分别标记为1、2、3、4，铜箔1正常棕化后不烘烤，铜箔2、3、4正常棕化后分别标记为230℃、250℃、270℃烘烤3min，取1080半固化片将铜箔反压0.8mm在厚芯板上，即铜箔光面与半固化板接触压合，压合后制作3.18mm测量剥离强度试条的宽度，试验数据如图7所示：
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通过数据分析，当棕化膜通过270时℃烘烤后压合，棕化膜的剥离力只有0.54-0.58N/mm，不满足IPC标准（≥0.625N/mm），对后工艺的压合质量影响很大，增加了企业的生产风险。

三、 锡膏变黑
芯板贴片后的棕色可以解决棕色薄膜高温变色的问题，但会导致锡膏变黑，导致锡膏与半固化片胶粘剂的缝隙，不能保证压缩质量，影响产品的可靠性。
锡膏棕色变黑的主要原因是锡及其氧化物与棕色线的酸性药水发生反应，产生氧化锡(黑色固体)和硫酸锡(暴露在空气中氧化成微黄色)[3]，主要反应类型如(3)、(4)、(5):
Sn Na2(SO4)2 H2O → Na2SO4 SnO(黑色固体) 2H2SO4 （3）
SnO2 H2SO4→SnSO4 H2O （4）
2SnSO4 2H2O →(SnOH)2SO4↓(微黄色碱式盐) H2SO4 （5）
锡遇酸反应产生的化合物颗粒较大，吸附在锡膏表面，压合后热冲击易开裂，如图8所示：
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通过以上三个问题点的分析，需要设计中间介质，与芯板线压合，具有一定的耐高温性，保护棕色膜回流焊；同时，可与半固化板结合，避免压合分层问题。参照刚挠结合板工艺，覆盖膜具有一定的耐高温、耐酸碱性，能有效压合半固化板、芯板线，结合力好，满足上述要求。同时，覆盖膜的环氧树脂层可以有效地填充芯板线，提高芯板表面的平整度，使半固化板的流胶更充分地填充元件间隙，提高生产板的平整度。

试验设计
采用覆盖膜保护棕色化学，优化传统贴片芯板的生产工艺，提出以下新工艺：
技术共享:内置部件覆盖膜保护模式PCB生产技术研究

刚性板棕色压缩覆盖膜，有效保护棕色膜，解决高温变色、棕色加班的不良问题。由于覆盖膜的保护，无需返工棕色，避免了锡膏变黑的问题，保证了芯板的压缩质量。
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覆盖膜保护方法内置元器件PCB层压结构如图9所示，芯板L4层需要贴片，完成线路生产，棕色压缩覆盖膜和化金，化金效果如图10所示，清洁后分离干净的白纸转移贴片生产，贴片效果如图11所示。贴片用成品清洗机清洗后，烘烤去除水分，烘烤条件为：85℃、60min，烘烤后进行等离子体处理，保证产品压合质量，按常规工艺完成压合。
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芯板压缩覆盖膜后，由于覆盖膜环氧树脂胶的填充，增强了芯板表面的平整度，使芯板在总压过程中更充分地填充元件间隙，提高了生产板的平整度。

测试验证
根据上述新工艺生产产品，对其平整度、热冲击、间隙填充和电气性能进行测试，结果如下：
(1) 平整度:压合后板厚度数据采用九格测试方法测量，如图12和图13所示，试样压合厚度均匀，差异小，极差0.046-0.064mm，满足质量要求；
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(2) 耐热性：热冲击288℃，10s，三次，覆盖膜压合区无分层爆板，如图14所示；
(3) 压合质量：内置元件间隙填充充分，无空洞，外观无变形，如图15所示；
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(4) 电气性能：芯板贴片和产品完成后，使用数字桥测试仪进行电容和电阻测试，通过比较容量和电阻值的变化来判断层压对内置元件的影响。
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参考文献:
[1] 蔡汉华、张小春等. 控制内层棕色溶液对内层质量的影响[J]. 打印电路信息. 2002,10.
[2] 陈闰发. 印刷电路板分层改进研究[J]. 打印电路信息. 2008,4.
[3] 吴颖，陈日耀，陈震.研究硫酸亚锡水解和氧化[A].无机盐工业.1995,2.
[4] 彭浪. 焊接式埋入元件PCB工艺难点分析[J]. 打印电路信息. 2014(S1).
[5] 蔡积庆(译). 埋嵌元件PCB的技术[J]. 打印电路信息. 2013,6.

作者：
林启恒 卫雄 林映生 陈春
本文首发于印制电路信息 2016年 第24卷 总第288期
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