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                    埋阻銅箔性能的影響因素分析及對PCB加工準確性影響

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                    摘要

                    隨著5G通訊技術應用以及高速高性能電子產品的驟增,印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)發展傾向于小型化、易封裝、高頻高速特點。傳統無源器件貼裝使PCB表面焊盤增多、PCB可用表面積減少、焊盤元件間的寄生效應增加,造成高頻信號傳輸不穩定。采用埋入式技術實現無源器件如電阻等一體化集成替代常規的表面貼裝電阻,成為解決該問題的重要手段。在印制電路板封裝的電子器件中,無源器件占比較高。埋阻銅箔是電阻與銅箔一體化的內置無源器件,屬戰略性先進電子材料,在軍事、航天、通訊、芯片等軍工和民用領域都具有廣泛的應用。埋阻銅箔的主要性能包括方阻值、抗剝離強度,其直接影響著電路板的性能穩定性及加工準確性。在PCB設計和制造過程中,埋阻銅箔的阻值設計和監測是關鍵步驟之一。本文討論分析了生箔、表面處理、電沉積電阻層等工藝對埋阻銅箔性能(方阻值、抗剝離強度)的影響以及埋阻銅箔的阻值設計和監測方法,并探討了埋阻銅箔對PCB加工準確性的影響。目前,花園新能源通過自主研發采用最新的電沉積加工工藝,精準管控埋阻銅箔各項因素和品質,可確保埋阻銅箔方阻值均一穩定和較高的抗剝離強度。

                    關鍵詞:埋阻銅箔;方阻;抗剝離強度;阻值設計監測;PCB




                    1.引言



                    埋阻銅箔廣泛應用于智能手機、平板電腦、可穿戴設備等領域,在埋阻銅箔的生產工藝中,在銅箔表面沉積電阻材料,制作方阻值均勻穩定的埋阻銅箔是一項關鍵技術[1]。PCB對電阻材料有著嚴格的要求:高性能埋阻銅箔需要做到方阻值范圍大、電阻溫度系數小、與基材的抗剝離強度高、性能穩定。因此,分析影響埋阻銅箔方阻值和抗剝離強度的因素,對生產高性能埋阻銅箔具有重要的指導意義。埋阻銅箔作為一種特殊的內埋電阻材料,可以通過系統研究埋阻銅箔的阻值設計及監測,PCB設計和制造中可以提高電路板的性能穩定性、布線準確性以及實現加工工藝的精準控制,從而保證終端產品質量的可靠性。


                    2.銅箔埋阻工藝介紹



                    生箔經粗固化處理后在表面電沉積一層粗糙度均勻的電阻層,即埋阻銅箔[2]。
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                    圖1 電阻銅箔結構示意圖
                    生箔及粗固化處理決定最終成品埋阻銅箔的粗糙度及電沉積電阻合金層的穩定性與均一性。埋阻銅箔在生箔進行粗固化處理,形成粗固化層,以保證絕緣材料壓合后的結合力,增加比表面積,進一步提升與基材結合的抗剝離強度。此外,還需在銅箔表面電沉積一層電阻合金材料,從而獲得埋阻銅箔成品。


                    3.埋阻銅箔方阻值及

                    抗剝離強度影響因素分析



                    3.1方阻值影響因素:
                    方阻的計算公式可表達為: R=ρL / S=ρ L / L d,R= ρ / d,ρ:材料的電阻率;L: 正方形長度;S:橫截面積;d: 截面厚度。

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                    圖2 正方形電阻層示意圖

                    根據方阻計算公式可知,方阻僅與電阻率ρ和電阻層厚度d有關,與正方形面積無關,即任意大小正方形電阻層的電阻都是一樣的。

                    若不考慮PCB加工過程中對埋阻銅箔的影響,在埋阻銅箔的生產過程中,電阻材料電阻率??與電阻層厚度d影響埋阻銅箔方阻值的大小,即電阻層合金含量比例和厚度的均一性是影響方阻值的關鍵因素。電沉積電阻層工藝中電鍍液濃度、電流大小與線速(電鍍時間)可直接調控方阻值的大小。

                    電阻層合金含量比例(即電阻層的電阻率ρ)主要由電鍍液濃度決定,電阻層的厚度可以通過改變電流大小和線速來控制,在電解槽中通以直流電,在陰極(銅箔)上沉積上一層均勻、致密的合金電阻層。電阻合金層由金屬和非金屬元素組成,隨著電阻層中非金屬含量比例的增大,電阻率ρ也會隨著升高,與方阻值呈正相關的關系。

                    在PCB設計中,根據電路板設計的需求,確定埋阻銅箔的阻值范圍。常見的電阻值從幾歐姆到幾百歐姆不等。根據需要選擇合適的電阻值范圍,以滿足電路板的性能要求。


                    (1)控制埋阻銅箔的厚度


                    埋阻銅箔的厚度直接決定了其單位長度上的電阻值。通過控制埋阻銅箔的厚度,可以實現所需的阻值。在埋阻銅箔的制造過程中,應嚴格控制其厚度的公差,以確保埋阻銅箔的阻值符合設計要求。


                    (2)考慮埋阻銅箔的寬度和長度


                    埋阻銅箔的寬度和長度也會對其阻值產生影響。設計時需綜合考慮電路板的尺寸、布線要求以及所需的阻值范圍。通常情況下,對于確定的埋阻銅箔,寬度增加電阻值變??;長度增加電阻值變大。


                    (3)選擇合適的埋阻銅箔材料


                    不同的埋阻銅箔材料具有不同的電阻率,選擇合適的材料可以滿足設計要求。通常情況下,埋阻銅箔的電阻率越高,其阻值也會相應增加。


                    3.2抗剝離強度影響因素:


                    在埋阻銅箔生產過程中影響銅箔的抗剝離強度因素較多,但主要與生箔、表處粗化固化層、硅烷工藝最為密切[3]。


                    (1)生箔影響


                    生箔結晶狀況的好壞直接影響銅箔的抗剝離強度。生箔晶粒致密、大小均勻,其抗剝離強度就越高;經生產實際證明,影響生箔結晶狀況的因素主要有兩個方面,一是陰極輥表面狀況,二是電解液中的添加劑。

                    陰極輥是生產銅箔的重要設備,目前陰極輥表面的材質大多數為鈦。其表面品質對銅箔的形貌有著重要的影響。電解液中的銅離子在外加電場的作用下電沉積在鈦陰極輥表面而生長成銅箔,陰極輥表面是什么形態,銅箔光面就是什么形態,而生箔光面的結晶形態對毛面的粗糙狀態有重要影響。鈦陰極輥在電解制造生箔過程中,受到電化學過程的腐蝕,尤其是液溫偏高,電流密度偏大,酸濃度高、銅低時,陰極輥腐蝕加快。當表面腐蝕層增厚到一定程度時,銅箔表面就會發烏,不光亮,此時陰極輥就應該研磨拋光。拋光能保證陰極輥表面的光潔度,當陰極輥表面拋光的十分細膩時,實際電流密度達到銅的析出電位,銅離子在陰極上均勻地析出,獲得良好的山形生箔形貌[4]。

                    電解液中添加劑能改善電解液陰極極化,細化晶粒,使生箔鍍層均勻細致。目前生箔添加劑的配方很多,不同的配方可以調整出不同的產品晶粒結構。合理地調整添加劑配方,且添加劑加入方式持續均勻,才能保證生箔晶粒細致、均勻。添加劑種類也有很多,常見的主要為明膠(骨膠和皮膠)、羥乙基纖維素。


                    (2)表面處理粗化固化層影響


                    粗化固化層是為了保證銅箔與基材之間具有較高的結合力。粗化處理時,電解液應控制較低的含銅量及較高的含酸量,通過電解作用,在生箔表面發生銅沉積,形成均勻的晶核,獲得較高展開度的粗糙面,達到高比表面積,提高粗糙度,進而提升電阻銅箔的抗剝離強度。固化是在粗化的基礎上,電鍍一層極薄銅,以固定粗化銅瘤,防止出現掉銅粉。在粗固化處理后,可提升粗糙度,有效提高抗剝離強度,但粗糙度高時會影響電阻銅箔方阻值穩定性。因此,在實際粗固化處理過程中需同時兼顧方阻值穩定性和抗剝離強度,找到平衡點。


                    (3)硅烷影響


                    硅烷主要以涂覆在電阻銅箔毛面的方式提高銅箔的抗剝離強度,一般電阻銅箔使用硅烷后其抗剝離強度可得到提高,因此硅烷經常用于電阻銅箔生產工藝中。硅烷使用過程中會考慮三個因素:一是硅烷與固定基材的匹配使用;二是硅烷的水解條件;三是硅烷的涂覆方式。由于硅烷偶聯劑的水解程度直接影響硅醇與金屬粒子表面的作用效果,水解過程又是硅醇與金屬粒子表面發生作用的前提,因此找到最佳的水解條件(溶劑類型、水解方式、硅烷偶聯劑與溶劑的配比、水解時間以及水解溶液 pH 的影響規律),才能提升電阻銅箔的抗剝離強度[5,6]。

                    硅烷的涂覆方式有噴淋式和浸泡式兩種,噴淋式是通過噴淋管將硅烷液直接噴涂在銅箔的毛面,浸泡式是通過輥軸將硅烷液涂覆在銅箔毛面。噴淋式能保證硅烷液涂覆均勻,減少因硅烷影響抗剝離強度的穩定性,浸泡式容易出現水漬,影響外觀,因此生產中一般采用噴淋式。

                    在實際生產中,調控生箔工藝、表面處理粗固化工藝及硅烷工藝,埋阻銅箔可達到較高的抗剝離強度,以滿足下游客戶需求。




                    4.埋阻銅箔阻值的監測方法




                    在電子工程和電路設計中,電阻是一個重要的參數。不同的電路要求特定的電阻值,而埋阻銅箔作為一種特殊的導電材料,具有較高的電阻率,可提供特定的電阻值。因此,測量埋阻銅箔的電阻值對于驗證其符合設計要求、確保電路的正常運行至關重要。在實際應用中,常用的埋阻銅箔測量方法為四探針測量法,待蝕刻工藝結束后,使用四探針測試不同位置方阻值,能更加精確判斷埋阻銅箔本身方阻值的均勻性[7]。

                    四探針測量原理:將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測樣品表面上[8],在 1、4 探針間通以電流 I(mA),2、3 探針間就產生一定的電壓 V(mV)(如圖3)。

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                    圖3 直線四探針法測試原理圖


                    測量此電壓并根據測量方式和樣品的尺寸不同,以方塊電阻為例,可按以下公式計算樣品的電阻值:
                    R□= V/I×F(D/S)×F(W/S)×Fsp
                    其中:
                    D—樣品直徑,單位:cm或mm;
                    S—平均探針間距,單位:cm或mm,注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值);
                    W—樣品厚度,單位:cm,在 F(W/S)中注意與S單位一致;
                    Fsp—探針間距修正系數(四探針頭合格證上的S值);
                    F(D/S)—樣品直徑修正因子;
                    F(W/S—樣品厚度修正因子。
                    相比傳統的兩探針測試方法,四探針測試具有以下幾個優勢:


                    (1)由于四探針測試中電流和電壓的測量是獨立進行的,可以減小電極接觸對測量結果的影響,提高測量精度。

                    (2)四探針測試可以測量低電阻值的材料,因為它可以避免電極接觸電阻對測量結果的影響。

                    (3)四探針測試可以測量非均質材料的電阻分布,從而獲得更詳細的材料信息。




                    5.埋阻銅箔阻值

                    穩定性對PCB的影響




                    5.1 電路性能穩定性


                    埋阻銅箔的阻值直接關系到電路板的電性能穩定性。阻值偏離設計要求可能導致電路板在工作時出現不穩定的情況[9]。因此,在PCB設計和制造中,應嚴格控制埋阻銅箔的阻值,以保證電路板的性能穩定性。


                    5.2 布線準確性


                    埋阻銅箔的阻值不準確會導致電路板上的信號傳輸出現問題,如干擾、衰減等,從而影響整體的布線準確性。因此,在PCB設計和制造中,應確保埋阻銅箔的阻值準確,以提高布線的準確性。


                    5.3 加工工藝控制


                    埋阻銅箔的阻值設計和監測是PCB加工過程中的重要環節。準確的埋阻銅箔阻值可以幫助制造商更好地控制加工工藝,提高PCB加工的準確性[10]。因此,在PCB生產過程中,應注重埋阻銅箔的阻值設計和監測工作。


                    6.結論



                    本文分析了電沉積電阻層工藝中電鍍溶液濃度、電流大小、線速(電鍍時間)對埋阻銅箔方阻值的影響,從生箔、表面處理(粗化固化處理)、硅烷工藝分析了提升抗剝離強度的有效途徑。在PCB設計和制造中,應高度重視埋阻銅箔阻值的設計和監測工作,以確保最終產品的質量和可靠性。因此,正確選擇埋阻銅箔的電阻材料、控制厚度、寬度和長度等參數,并采用合適蝕刻工藝、監測方法,可以保證電路板的性能穩定性、布線準確性以及加工工藝的控制。實際生產中,花園新能源采用的電沉積工藝,具有精度高、均勻性好、對加工溫度的依賴性低等優點,可以制備出品質可控均一的埋阻銅箔滿足下游客戶的需求。


                    參考文獻

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