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）-基础电子

精品文档-下载后可编辑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）-基础电子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.

COREASSOCIATE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25Ω/米和100Ω/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ElectraPolymersChemicalLtd（表2）的电阻膏，黄色PET网版（77T）和25μm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（ElectrodagPF-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，1.5mm×4square,1.0mm×2squares,和0.5mm×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1.4mm、1mm和0.75mm.测试板T1,160mm×160mm,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T2,177mm×192mm,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FLIRA320热像仪测试（两个精密镜头、HMP2022HAMEG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（60μm）。

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