王紅月

（上海美維電子有限公司，上海 201100）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）高密度化與埋置有源、無源元器件，促進(jìn)了電子產(chǎn)品的小型化與多功能化；同時(shí)封裝體積縮小與組裝密度增加容易造成電子產(chǎn)品熱量聚集，因此，局部埋銅塊的熱管理方法得到了廣泛的應(yīng)用［1］。板載芯片封裝（chip on board packaging，COB）是為了解決散熱問題而誕生的一種技術(shù)，將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠黏附在互連基板上，然后進(jìn)行引線鍵合實(shí)現(xiàn)其電氣連接。其中PCB 埋入異形銅塊又含有階梯空腔的設(shè)計(jì)，使基板呈現(xiàn)立體化，優(yōu)化裝配空間，保證COB 封裝芯片與埋嵌的銅塊有更大的接觸面積，從而有更好的散熱效果。但異形銅塊的埋嵌與階梯空腔的加工對(duì)PCB 制作屬于不同的工藝制程，彼此的結(jié)構(gòu)與工藝方法都不同。本文對(duì)一款含嵌入式異形銅塊與階梯空腔的COB 模塊板，在異形銅塊的埋銅層疊構(gòu)設(shè)計(jì)與階梯空腔的加工工藝方面進(jìn)行探索，以便更好地滿足此類產(chǎn)品的需求。

1 產(chǎn)品信息及加工難點(diǎn)

該產(chǎn)品的基本信息見表1，疊構(gòu)設(shè)計(jì)及異形銅塊如圖1所示。

圖1 疊構(gòu)設(shè)計(jì)及異形銅塊示意

表1 產(chǎn)品的基本信息

如何同時(shí)滿足異形銅塊的埋嵌與階梯空腔的加工，是該產(chǎn)品加工制作中的工藝難點(diǎn)，因此其工藝流程較長。下文從異形銅塊的層壓疊構(gòu)設(shè)計(jì)及品質(zhì)管控、階梯空腔的加工方法及品質(zhì)管控 2部分進(jìn)行重點(diǎn)分析與闡述。

2 層壓疊構(gòu)設(shè)計(jì)及品質(zhì)管控

2.1 埋銅層的壓合疊構(gòu)及流程

目前含銅塊的PCB 主要可分為埋置或嵌入銅塊2類。此異形銅塊總厚度1.2 mm，L3～L7層局部含有臺(tái)階厚度0.5 mm，整體在L3～L10層埋銅，屬于嵌入銅塊板。因此可將埋銅層（L3～L10 層）的貫穿疊構(gòu)分為L3～L6層與L7～L10層2個(gè)子板制作。其中2個(gè)子板板厚與嵌入異形銅塊對(duì)應(yīng)部分的厚度匹配性一致，通過L6/L7 層之間的PP 壓合流膠填充銅塊與子板間隙，使銅塊與板結(jié)合為一體。為保證流膠充足，在滿足阻抗及板厚要求的前提下，L6/L7 層PP 優(yōu)先選擇2116-RC 53%高含膠量規(guī)格的雙層PP疊合，疊構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2（a）所示。

圖2 埋銅層的疊構(gòu)及流程設(shè)計(jì)

埋銅層（L3～L10 層）除子板的制作外，還包括PP 與異形銅塊的預(yù)處理，關(guān)鍵流程為：2 子板圖形制作（L6、L7 分別單面圖形，壓合完成后再制作L3～L10 層圖形）→埋銅區(qū)域銑槽→L6/L7 之間PP 埋銅區(qū)域銑槽→子板及異形銅塊棕化處理→疊板/鉚合/放置銅塊/壓合→溢膠樹脂清潔→鉆孔/電鍍/圖形等常規(guī)流程，如圖2（b）所示。

埋銅區(qū)域銑槽與銅塊尺寸的匹配性一致，是保證嵌入銅塊可靠性的關(guān)鍵因素。根據(jù)疊構(gòu)可知，埋銅區(qū)域的子板與PP 都要經(jīng)過銑槽制作，子板、PP 與銅塊尺寸的匹配性決定了銅塊在槽內(nèi)的偏移程度，進(jìn)而決定間隙的流膠填充情況。如果間隙過大，銅塊向一側(cè)偏移過多，會(huì)出現(xiàn)間隙填膠不良而產(chǎn)生不同程度的凹陷；如果間隙過小，則放置銅塊困難，不但易損傷子板槽邊緣，而且溢膠過多導(dǎo)致層壓后除膠困難。根據(jù)加工精度進(jìn)行管控，具體設(shè)計(jì)見表2。此外，PP 比子板銑槽尺寸單邊小25 μm 的設(shè)計(jì)，在滿足加工精度的同時(shí)可確保樹脂流動(dòng)填充充足，并且2 個(gè)子板的漲縮控制在100 μm 內(nèi)，確保子板鉚合的匹配性良好，銅塊可順利放置。

表2 埋銅區(qū)域尺寸設(shè)計(jì)

2.2 關(guān)鍵制程的制作及管控結(jié)果

2.2.1 埋銅層壓合

埋銅層壓合主要分為銅塊預(yù)處理、鉚合疊板及埋嵌銅塊等關(guān)鍵步驟。

（1）銅塊預(yù)處理。壓合前需對(duì)銅塊進(jìn)行棕化處理，采用專用輔助框架進(jìn)行棕化，確保銅塊表面及側(cè)壁棕化層完好；完成后再對(duì)銅塊進(jìn)行烘烤處理（烘烤參數(shù)：120 ℃、2 h），去除水蒸氣，保證銅塊干燥并及時(shí)真空包裝避免氧化，使用時(shí)保證銅塊與PP有良好的結(jié)合力。

（2）鉚合疊板：層壓前同樣需對(duì)2 子板進(jìn)行烘板處理（烘烤參數(shù)：120 ℃、2 h），去除水蒸氣，保證子板與PP 有良好的結(jié)合力；然后按照生產(chǎn)指示疊構(gòu)對(duì)埋銅層子板及PP進(jìn)行預(yù)先鉚合。

（3）埋嵌銅塊：因異形銅塊的臺(tái)階形狀，與常規(guī)的順序疊板不同，需將L10 面向上、L3 面向下，方可保證銅塊的順利嵌入；此外使用鋁片/銅箔作為壓合緩沖材料，保證PP 樹脂流膠充分，同時(shí)也可避免壓合后拆板對(duì)銅塊與板混壓縫隙樹脂的損傷。銅層疊板及嵌入銅塊如圖3所示。

圖3 埋銅層疊板及嵌入銅塊

2.2.2 混壓縫隙的溢膠處理

層壓完成后的板去除緩沖材料后，需通過砂帶研磨處理板表面，以便除去銅塊與板面開槽間隙的溢膠。其中，需注意研磨次數(shù)控制，不可返工處理，應(yīng)使用較溫和的磨板參數(shù)［參數(shù)為1 200 目（約12 μm），1.2 A，2.0 m/min］。如圖4 所示，在完全去除溢膠的情況下，避免銅塊與板縫隙的損傷或下凹，盡可能保證混壓區(qū)域的平整性。

圖4 混壓縫隙的溢膠處理

2.2.3 混壓縫隙的尺寸及銅厚管控

根據(jù)銅塊與板縫隙的溢膠程度，可初步判斷間隙的填充情況，進(jìn)一步切片確認(rèn)混壓縫隙與空腔內(nèi)填膠飽滿，無空洞和裂縫，銅塊與板的結(jié)合力良好，且縫隙尺寸為100～150 μm，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖5（a）所示。

此外，混壓縫隙需通過電鍍的方式，實(shí)現(xiàn)L3～L10 層的圖形線路與異形銅塊的導(dǎo)通，電鍍后混壓縫隙處銅厚≥15 μm，滿足圖形制作要求，同時(shí)也可避免后續(xù)階梯空腔制作時(shí)，因異形銅塊偏移，加工到混壓縫隙處造成擊穿的問題，如 圖5（b）所示。

綜上，通過異形銅塊埋銅層的疊構(gòu)設(shè)計(jì)及壓合、溢膠處理等關(guān)鍵工序的管控，完成L3～L10層埋銅層的制作，滿足品質(zhì)管控要求。后續(xù)2 層的積層為常規(guī)HDI工藝制作。

3 階梯空腔的加工方法及品質(zhì)管控

3.1 階梯空腔的加工方法及流程

異形銅塊上方的階梯空腔包括2部分，上半部分L1～L3 層，深度0.15 mm，下半部分L1～L7 層，槽深0.85 mm。目前CO2激光銑深度范圍 ≤0.3 mm，若超出0.3 mm，不但加工困難而且空腔側(cè)壁的斜坡增大，品質(zhì)無法保證，因此需采用CCD 控深銑與CO2激光銑組合的方式［2］。首先通過控深銑L1～L7層，深度控制（0.70±0.05 ）mm，然后通過CO2激光銑L1/3 層及L1～L7 層剩余部分至銅塊表面，深度控制（0.15±0.05）mm。為保證階梯槽底部平整性符合要求，CO2激光銑后，需要通過等離子與水平除膠渣清潔，加工方法及流程如圖6 所示。此外，通過L10～L12層兩階密集激光盲孔陣列（孔徑125 μm/孔距100 μm），使內(nèi)層的異形銅塊連接到外層，達(dá)到縱向?qū)ㄉ岬臒峁芾硪蟆?/p>

3.2 關(guān)鍵制程的制作及管控結(jié)果

3.2.1 階梯空腔的加工與清潔效果

外層圖形制作階梯空腔時(shí)，CCD 控深銑與CO2激光銑的對(duì)位標(biāo)靶一致，均采用單元集合板內(nèi)圖形制作的直徑1.0 mm 銅盤對(duì)位，避免對(duì)位系統(tǒng)不一致引起的精度偏差。CO2激光銑程序使用125 μm 孔徑光圈、75 μm 孔間距疊孔布陣，完全覆蓋空腔底部，最外圍增加2 圈路徑，采用 100 μm 孔徑光圈、50 μm 孔間距設(shè)計(jì)，減小腔體側(cè)壁加工的斜坡，保證尺寸精度。激光銑程序設(shè)計(jì)為分刀跳鉆制作，避免密集疊孔區(qū)域熱量聚集造成空腔底部平整性不良。進(jìn)一步對(duì)完成的空腔進(jìn)行等離子與水平去膠渣處理，清潔腔體側(cè)壁與底部。加工與清潔過程如圖7所示。

圖7 階梯空腔的加工與清潔

3.2.2 階梯空腔的尺寸

階梯空腔的關(guān)鍵尺寸管控，通過激光共焦顯微鏡收集CCD 深度銑后的深度及CO2激光銑清潔后的尺寸結(jié)果，見表3，滿足尺寸公差要求。

表3 階梯空腔的尺寸 單位：mm

3.2.3 階梯空腔底部平整度

因階梯空腔需要貼裝芯片，對(duì)階梯空腔底部平整度有較高要求。通過激光共焦顯微鏡收集鎳鈀金表面處理后的階梯空腔底部平整度結(jié)果，見表4，空腔底部與臺(tái)階均滿足要求。

表4 階梯空腔底部平整度 單位：mm

綜上，通過CCD 深度銑與CO2激光銑的組合方式，完成0.15 mm 與0.85 mm 階梯空腔的制作，空腔尺寸及底部平整度滿足要求。

4 相關(guān)可靠性測試

產(chǎn)品制作完成進(jìn)行回流焊及熱應(yīng)力可靠性測試，埋銅層銅塊與板間隙樹脂填充無分層、無開裂，結(jié)合力良好，滿足品質(zhì)管控要求，見表5。

表5 相關(guān)可靠性測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文對(duì)一款含嵌入式異形銅塊與階梯空腔的12 層COB 模塊板進(jìn)行研究與制作，根據(jù)異形銅塊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的埋銅層壓合疊構(gòu)，保證異形銅塊的順利嵌入。通過CCD 控深銑與CO2激光銑組合的方式實(shí)現(xiàn)銅塊上方0.15 mm 與0.85 mm 2 種深度階梯空腔的加工。最終產(chǎn)品埋銅區(qū)域的可靠性、階梯空腔尺寸及平整性等關(guān)鍵指標(biāo)均滿足客戶的設(shè)計(jì)要求。