印制电路板内埋薄膜电阻和聚合厚膜电阻的可靠性初步评估(一)

出处:电子爱好者博客 发布于:2013-08-06 18:43:40

  摘 要 多层印制板内埋无源元件,可以节省有源元件安装面积,减小印制板尺寸,提高设备功能、提升安全性,并降低制造成本。由于制作完成后内埋式无源元件不可替换,元件是否拥有长期稳定性和可靠性是制造商关心的方面。文章给出了内埋NiP薄膜电阻和聚合厚膜电阻持续作业的可靠性测试结果,讨论了无铅焊接模拟和温度循环测试(-40℃~+85℃)的温度对阻值的影响。

  1 介绍

  无源元件(线状和非线状电阻,电容,线圈保险丝)是每个电子设备的基本组成部分,并占用印制板大量表面积。然而同时,小尺寸规格无源元件(如 0402和0201)自动电装难度大,且焊点质量难以保证。多层板内埋无源元件技术可以克服这些问题,在高端产品(比如手机)制造中可有广阔应用。

  随着元件越变越小,制造商和组装者在这类印制板的制造、组装、检验、操作和费用控制等方面面临着许多挑战。由于减少了焊点数量,内埋无源元件更加可靠。同时,内埋式元件增加了线路密度,提升了电子设备的电气性能和功能。

  虽然内埋无源元件有很多优势,但是依旧有一些问题,包括断裂分层及各种埋置元件的稳定性问题。因为内埋元件通常需要多层叠构设计,而不同材料的CTE不匹配将会产生较大的热应力。与分立式元件不同,有缺陷的内埋式元件无法替换,这意味着即使一个小元件出现问题也会造成整个线路板报废。所以,保持元件长期稳定和可靠,是制造商运用这一技术的关注点。

  内埋无源元件的概念在很多年前就已出现在线路板行业内。上世纪60年代末,次试验制作内埋电容;

  上世纪70年代初,开始应用NiP和NiCr层制作内埋薄层电阻;到目前为止,已开发了许多其他用于制作内埋式无源元件的材料。

  另外,上世纪90年代后期,CTS、3M、OakMitsui、Sanmina-SCI和其他公司也开始研发内埋无源元件和材料。目前,内埋薄膜电阻和材料已发展得较为成熟,代表公司有DuPont 电子技术、Ohmega、Ticer、Sheldahl、W.L.

  CORE&ASSOCIATE和Georgia 技术研究所。到本世纪,亚洲地区也开始了此项技术的研究。

  目前,内埋技术应用范围依旧很小,大多用于军事、航空、航天等电子产品领域。尽管如此,高度发达却不昂贵的民用电子产品对该技术的需求在不断增长,如手机、笔记本电脑和网络设备等,内埋无源元件技术由此受到广泛关注,并再成为焦点,被认为将是印制板发展的下一个关键技术[8].

  之前的研究都集中于单一材料,只是单独地研究薄膜电阻或是聚合厚膜电阻。结合薄膜和厚膜电阻技术,可以制造所有可用范围内的电阻值。电阻值范围小时使用薄膜电阻可大量减小面积,同时获得的阻值;使用厚膜电阻可获得较大阻值,公差相对较大。

  聚合厚膜(PTF)电阻通常是用聚合物电阻浆制作,适用于不同印制板基材。一般,电阻浆组成是碳(炭黑和石墨)和/或混合聚合树脂的银填料(含溶剂和稀释剂,有时加入绝缘粉末填料使之具有适当的流变性能)。印制板上PTF电阻浆固化温度不应超过180 ℃,但一些制造商可提供固化温度达到220 ℃的电阻膏。电阻浆和电阻膏的方阻范围远大于薄膜电阻材料,但阻值公差较大,稳定性有限。聚合物和铜层接触面间氧化层会引起阻值偏差,且更易发生CTE不匹配造成的分层和断裂。

  本文研究了无铅焊接过程和温度循环测试(-40 ℃到+85 ℃)高温冲击,对多层印制板内埋薄膜电阻和聚合厚膜电阻元件稳定性的影响。

  2 材料和电阻结构

  Ohmega-Ply薄膜电阻制造技术是使用NiP作为电阻材料,压合在FR-4层压片上。具体来说,该技术首先将镍(Ni)磷(P)合金薄层电镀于铜箔之上,制成被称作RCM的电阻/导体复合金属箔,然后将其压合在FR-4基材之上。使用减成法蚀刻出铜线路和平面电阻。

  本研究使用Ohmega-Ply 电阻材料制作内埋电阻,方阻值分别为25 Ω/米和100 Ω/米,压合在FR-4基材上。基本参数见表1.

  

  PTF电阻使用标准厚膜制造技术制造。所有都使用Electra Polymers & Chemical Ltd (表2)的电阻膏,黄色PET网版(77T)和25 μm的吸附水膜网印。

  

  调查了几种与导线连接的电阻的结构和材料,比如铜(Cu)(图1a),不对称设计的铜(图1b),镍金(图1c),和银(图1d)。不对称电阻导线连接设计是为了补偿机械应力(图1b),而化学镀镍金层或银层(Electrodag PF-050电阻膏)是用来保护铜面的。

  薄膜电阻和聚合厚膜条形电阻设计成三种结构,1.5 mm×4 square,1.0 mm×2 squares,和0.5 mm×1square.另外,薄膜电阻设计成三种基本形状,条状,多条状,和弯曲状,电阻线路宽度分别为1.4 mm、1 mm和0.75 mm.测试板T1,160 mm×160 mm,使用Ohmega-Ply材料,内含240个成形的薄膜电阻,电阻外部压合覆树脂铜箔(RCC)。测试板T2,177 mm×192 mm,在FR4层压板上网印189个厚膜电阻,外部压合RCC材料。

  

  3热效应实验

  内埋式电阻作业时的热稳定性是埋电阻技术是否成功的关键因素。电流通过电阻时产生热量,并且会迅速从印制板扩散至周边环境。该过程热扩散采用FLIR A320热像仪测试(两个精密镜头、HMP2020 HAMEG电源)。在温度测量前,当设定好电阻层辐射率、环境温度和相对湿度等相机参数后,相机会自动完成各种辐射源的补偿。

  本文研究了表面薄膜电阻和内埋式薄膜电阻(条状、多条状和弯曲状)及聚合厚膜条状电阻内部的温度分布热成像状况,后者以压合RCC(覆树脂铜箔)作为外层。

  图2为非内埋薄膜和厚膜条状电阻的热成像。

  

  观察薄膜电阻所有热成像记录,沿电阻周边温度分布并不完全相同。条状电阻的温度点通常出现在电阻的中心部位。而高热量区域和差距明显的低温区域会互相转换。连接铜导线区域的散热状况明显更好。薄膜电阻中的弯曲状的电阻,热量聚集在拐角内部,因此这些区域更易受到损伤。

  聚合厚膜电阻的热量分布更有规律(图2b)电阻中心部分是热量点。从电阻中心向边缘以及接触端,热量均匀递减。

  内埋电阻的热成像图形和非内埋电阻几乎相同,可能是因为压合在表面的树脂非常薄(60 μm)。

  图3展示了条状薄膜电阻表面的温度变化状况。

  运行时,电阻很快升至平均78 ℃±4 ℃,并在观测过程中一直保持该稳定温度。

  

  电阻超过额定功率运行时会导致温度过高,达到强度临界点后造成电阻损伤。温度过高受损电阻的热成像图形见图4,该类电阻温度变化见图5.电阻可以被超载电流加热至300 ℃以上,窄小部位容易积聚热量,是电阻热效应强的地方,进而造成其烧焦损伤。

  

  

  内埋电阻有各种不同的热损伤,取决于电阻种类和周边的树脂材料(通常为环氧树脂)。

  薄膜NiP电阻位于FR-4层压板表面,热损伤主要由FR-4层压板树脂分解引起的。高温下树脂分解产生气体,并造成电阻表面撕裂,如图6a所示,同时可以观测到被碳化的树脂材料。

  厚膜电阻在烘烤固化时,高分子聚合材料也出现了分解状况。电流通过电阻,电阻温度明显升高,聚合材料出现烧伤状况,该损伤在光效下表现为亮红色和亮黄色表面。聚合电阻材料的热衰解造成的裂纹,通常在电阻的中心部位(图6b)。

  

关键词:电路电路板电阻

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