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PCB工藝

PCB工藝

埋嵌銅塊印制電路板的關鍵工序制作方法
2021-12-29
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隨著電子產品體積越來越小,印制電路板(PCB)的體積也不斷的縮小,線路設計越來越密集化。由于元器件的功率密度提高,PCB線路板的散熱量過大,從而影響了元器件的使用壽命、老化甚至元器件失效等。埋嵌銅塊印制電路板具有高導熱性、高散熱性和節省板面空間等特點,能有效解決大功率電子元器件的散熱問題。本文從埋嵌銅塊設計、疊層結構、關鍵生產工藝、產品相關檢測和可靠性等方面研究與分析,系統闡述了埋嵌銅塊印制電路板的設計和關鍵工序的制造方法。

基于新一代信息技術、節能與新能源汽車、電力裝備等領域的發展,散熱問題的解決迫在眉睫。目前解決PCB散熱問題有很多途徑,如密集散熱孔設計、厚銅箔線路、金屬基(芯)板結構、埋嵌銅塊設計、銅基凸臺設計、高導熱材料等。直接在PCB內埋嵌金屬銅塊,是解決散熱問題的有效途徑之一。但現有制作工藝存在銅塊與基板結合力不足、耐熱性差、溢膠難清除、產品合格率低等問題,限制了埋嵌銅塊PCB技術成果的應用和推廣,因此現有技術有待進一步研究和提高。

埋嵌銅塊PCB散熱技術,是將銅塊埋嵌到FR4基板或高頻混壓基板,銅的導熱系數遠大于PCB介質層,功率器件產生的熱量可以通過銅塊有效傳導至PCB和通過散熱器散發。承載銅塊的PCB可以設計成多層板,基板材料根據產品結構設計需要選用FR4(環氧樹脂)材料或高頻混壓材料。埋銅塊設計主要分為兩大類:第一類是銅塊半埋型,命名為“埋銅塊”;第二類是銅塊貫穿型,命名為“嵌銅塊”。埋入銅塊厚度小于板件總厚度,銅塊一面與底層齊平,另一面與內層的某一面齊平。埋入的銅塊厚度與板件總厚度接近或相當,銅塊貫穿頂層,此種設計銅塊有埋階梯銅塊和埋直銅塊,埋階梯銅塊。

微波PCB散熱問題一直是電子行業較為關注的問題之一,如何降低RF(射頻)層介厚,減少銅箔表面粗糙度的同時,縮短散熱路徑和發熱量,主要途徑是通過技術提高微波基板導熱系數,密集散熱孔或局部鍍厚銅或微波板材地層厚銅化,局部埋嵌散熱銅塊。立足于現有成熟微波板材,通常采用后兩者設計方案。

隨著散熱基板的技術不斷提高與市場高速發展,散熱基板在基板材料和產品結構方面,呈現出技術變革與創新的熱潮。具體表現在:
(1)采用高導熱基板材料,如鋁基板材料、銅基板材料、金屬復合材料、陶瓷基板材料等;
(2)在產品結構上的改變,如厚銅箔基板、金屬基(芯)板、埋嵌銅塊板、陶瓷基板、銅基凸臺板、銅導電柱,以及PCB與散熱片一體結構等產品新型結構。

疊層結構
埋嵌銅塊PCB從壓合疊層結構上可以概括為二大類:第一類是在FR4(環氧樹脂)材料三層或以上多層板結構內埋嵌銅塊;第二類是在FR4芯板與高頻材料混壓多層板結構內埋嵌銅塊。

埋嵌銅塊制造工藝
(1)銅塊與板(或混壓區)的銑槽尺寸匹配性:銅塊放置在銑槽中,銅塊過松或過緊的影響壓合填膠質量和結合力。
(2)銅塊與板(或混壓區)的平整度控制:壓合時,銅塊與FR-4芯板(或混壓區)的平整度難以控制,需確保銅塊與板的平整度控制在±0.075 mm以內。
(3)銅塊上的殘膠難以清除:壓合時從銅塊與板縫隙溢出的樹脂流至銅塊上的殘膠難以清除,影響產品可靠性。
(4)銅塊與板(或混壓區)的可靠性:壓合時銅塊與FR-4芯板(或混壓區)存在一定的高度差,容易導致銅塊與板的連接處填膠不足、空洞、裂紋、分層等問題。

埋嵌銅塊多層板工藝流程
開料(銅塊、FR4基板、半固化片)→內層線路→內層AOI →OPE沖孔 →內層芯板及半固化片銑槽→ 棕化→鉚合→ 壓合(放置銅塊)→ 削溢膠(磨板)→ 銑盲槽(控深銑床)→機械鉆孔(含鉆盲孔)→化學鍍銅→板電 →外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI→ 防焊 →文字→ 成型 →電測 →化學鍍錫→成品檢驗

埋嵌銅塊高頻混壓板工藝流程
開料(銅塊、FR-4基板、高頻基板、半固化片)→內層線路(含高頻板)→內層AOI→OPE沖孔→內層芯板及半固化片銑槽 → 棕化→鉚合→ 壓合(放置銅塊)→ 削溢膠(磨板)→ 機械鉆孔(含鉆盲孔)→化學鍍銅→板電→ 外層線路→圖形電鍍→外層蝕刻→外層AOI → 防焊 →文字→成型銑槽 →化學鍍鎳/金→成型→電測 →成品檢驗

在FR4芯板和半固化片的埋銅區域銑出埋銅槽,然后將銅塊棕化后壓合制作,使銅塊與FR4芯板組合在一起。高頻材料局部混壓嵌埋銅塊PCB的加工方法,首先是在內層芯板和半固化片埋銅塊混壓區域銑出埋銅槽、局部混壓槽,然后疊合和熱熔,銅塊嵌入槽內,再進行壓合,使銅塊與FR4基板、高頻基板混壓在一起,實現散熱功能。

銅塊壓合
銅塊壓合前,先要對銅塊進行水平棕化處理,并使用棕化輔助工具(如網紗拖板),防止銅塊尺寸過小導致機器卡板或掉入缸內,確保銅塊的微蝕效果。為提高銅塊與板(或混壓區)的平整度和可靠性,除需考慮銅塊厚度與板厚之間的匹配性,還要選用離型膜、鋁片、緩沖墊等合適的緩沖材料,壓合排版順序。疊層結構設計進一步優化,選用高樹脂含量的半固化片,設定埋銅塊PCB的專用壓合程式,使樹脂充分填充和材料完全固化,確保壓合后的耐熱性和絕緣性。

銅塊成型
銅塊成型主要有三種方法:第一種是通過專用銑床直接銑出所需尺寸的銅塊,但需要配備金屬基板銑床、專用銑刀,成本較高;第二種是通過銑床二次加工,具有控深銑功能的銑床,使用鉆尖形的雙刃銑刀先粗銑一遍,再精銑一遍,但需配備控深銑功能的銑床、專用銑刀,成本較高;第三種是使用沖床沖切,雖然生產效率高,但模具制作成本高,生產靈活性差,不適合樣板或小批量生產。為解決以上問題,研制出圖形蝕刻和銑床加工工藝,先對銅塊圖形轉移,然后通過蝕刻機蝕刻出銅塊外形,再用常規銑刀、銑床對銅塊外形進行二次加工,因此生產效率較高、生產成本相對較低。

內層芯板和半固化片銑槽
根據疊合結構,對內層芯板和半固化片銑內槽測試,結果表明對內層芯板和半固化片先銑內槽,再鉚合,其品質可靠性高。

參考標準
IPC-TM-650,2.6.8鍍覆孔的熱應力試驗;IPC-6012C剛性印制板的鑒定及性能規范。

試驗方法
烘烤條件:121 ℃~149 ℃,至少6 h;熱應力試驗條件:288 ℃±5 ℃,10 s,3次。試驗后樣品的判定:銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象。

試驗結果
樣品按以上試驗方法測試后,銅塊與板的縫隙無空洞、裂縫、分層等現象,耐熱性良好。

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