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埋嵌铜块板简介

2023-04-23 17:59:22

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埋嵌铜块: 是指将铜块埋嵌到FR4基板或高频混压基板中。

基于新一代信息技术、节能与新能源汽车、电力装备等领域的发展,散热问题的解决迫在眉睫。目前解决PCB散热问题有很多途径,如密集散热孔设计、厚铜箔线路、金属基(芯)板结构、埋嵌铜块设计、铜基凸台设计、高导热材料等。直接在PCB内埋嵌金属铜块,是解决散热问题的有效途径之一。

铜的导热系数远大于PCB介质层,功率器件产生的热量可以通过铜块有效传导至PCB和通过散热器散发。埋嵌铜块印制电路板具有高导热性、高散热性和节省板面空间等特点,能有效解决大功率电子元器件的散热问题。


埋嵌铜块的制造难点

现有制作工艺存在铜块与基板结合力不足、耐热性差、溢胶难清除、产品合格率低等问题,限制了埋嵌铜块PCB技术成果的应用和推广。

本次培训将从埋嵌铜块设计、叠层结构、关键生产工艺、产品相关检测和可靠性等方面讲解与分析,系统阐述埋嵌铜块印制电路板的设计和关键工序的制造方法。

埋嵌铜块设计

埋铜块设计主要分为两大类:第一类是铜块半埋型,命名为“埋铜块”;第二类是铜块贯穿型,命名为“嵌铜块”。

埋入铜块厚度小于板件总厚度,铜块一面与底层齐平,另一面与内层的某一面齐平,如图1(铜块半埋型)所示。埋入的铜块厚度与板件总厚度接近或相当,铜块贯穿顶层,如图2(铜块贯穿型)所示,此种设计铜块有埋阶梯铜块和埋直铜块。

埋嵌铜块板简介(图1)

埋嵌铜块叠构

埋嵌铜块PCB从压合叠层结构上可以概括为二大类:第一类是在FR4(环氧树脂)材料两层或以上多层板结构内埋嵌铜块(如图4);第二类是在FR4芯板与高频材料混压多层板结构内埋嵌铜块(如图5)。


在FR4芯板和半固化片的埋铜区域锣出埋铜槽,然后将铜块棕化后压合制作,使铜块与FR4芯板组合在一起。高频材料局部混压嵌埋铜块PCB的加工方法,首先是在内层芯板和半固化片埋铜块混压区域锣出埋铜槽,然后叠合和热熔,铜块嵌入槽内,再进行压合,使铜块与FR4基板、高频基板混压在一起,实现散热功能。

埋嵌铜块板简介(图2)

埋嵌铜块制造工艺关键点

铜块与板(或混压区)的锣槽尺寸匹配性:铜块放置在锣槽中,铜块过松或过紧的影响压合填胶质量和结合力。


铜块与板(或混压区)的平整度控制:压合时,铜块与FR-4芯板(或混压区)的平整度难以控制,需确保铜块与板的平整度控制在±0.075 mm以内。


铜块上的残胶难以清除:压合时从铜块与板缝隙溢出的树脂流至铜块上的残胶难以清除,影响产品可靠性。


铜块与板(或混压区)的可靠性:压合时铜块与FR-4芯板(或混压区)存在一定的高度差,容易导致铜块与板的连接处填胶不足、空洞、裂纹、分层等问题。



埋嵌铜块工艺流程

埋嵌铜块(FR4板材)多层板工艺流程:

开料(铜块、FR4基板、半固化片)→内层线路→内层AOI →内层芯板及半固化片锣槽→棕化→铆合→压合(放置铜块)→除溢胶(磨板)→锣盲槽(控深锣床)→机械钻孔(含钻盲孔)→沉铜→板电→外层线路→图形电镀→外层蚀刻→外层AOI→防焊→文字→成型→电测→化锡→成品检验


埋嵌铜块高频混压板工艺流程:

开料(铜块、FR-4基板、高频基板、半固化片)→内层线路(含高频板)→内层AOI→内层芯板及半固化片锣槽 → 棕化→铆合→压合(放置铜块)→除溢胶(磨板)→机械钻孔(含钻盲孔)→沉铜→板电→外层线路→图形电镀→外层蚀刻→外层AOI→防焊→文字→化金→成型→电测→成品检验


关键技术-铜块成型

铜块成型主要有三种方法:第一种是通过专用锣床直接锣出所需尺寸的铜块,但需要配备金属基板锣床、专用锣刀,成本较高;第二种是通过锣床二次加工,具有控深锣功能的锣床,使用钻尖形的双刃锣刀先粗锣一遍,再精锣一遍,但需配备控深锣功能的锣床、专用锣刀,成本较高;第三种是使用冲床冲切,虽然生产效率高,但模具制作成本高,生产灵活性差,不适合样板或小批量生产。

为解决以上问题,部分公司研制出图形蚀刻和锣床加工工艺,先对铜块图形转移,然后通过蚀刻机蚀刻出铜块外形,再用常规锣刀、锣床对铜块外形进行二次加工,因此生产效率较高、生产成本相对较低。

关键技术-芯板和半固化片锣槽

根据压合叠构,对内层芯板和半固化片锣内槽,我们按如下两种方案做测试,试验结果(如表1)。结果表明对内层芯板和半固化片先锣内槽,再铆合,其品质可靠性高。

埋嵌铜块板简介(图3)

铜块压合前,先要对铜块进行水平棕化处理,并使用棕化辅助工具(如网纱拖板),防止铜块尺寸过小导致机器卡板或掉入缸内,确保铜块的微蚀效果。为提高铜块与板(或混压区)的平整度和可靠性,除需考虑铜块厚度与板厚之间的匹配性,还要选用离型膜、铝片、缓冲垫等合适的缓冲材料,压合排版顺序(如图6)。叠层结构设计进一步优化,选用高树脂含量的半固化片(或LOW FLOW PP),设定埋铜块PCB的专用压合程式,使树脂充分填充和材料完全固化,确保压合后的耐热性和绝缘性。

埋嵌铜块板简介(图4)

埋嵌铜块-产品相关检测


埋嵌铜块板简介(图5)

埋嵌铜块-可靠性测试

IPC-TM-650,2.6.8镀覆孔的热应力试验;IPC-6012C刚性印制板的鉴定及性能规范。


烘烤条件:121 ℃~149 ℃,至少6 h;热应力试验条件:288 ℃±5 ℃,10 s,3次。试验后样品的判定:铜块与板的缝隙无空洞、裂缝、分层等现象。


作者: admin
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