楊維生

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

據(jù)報(bào)道，在典型的印制電路板（PCB）裝配中，總價(jià)格不到3%的電阻、電容等元器件會(huì)占據(jù)印制電路板面40%的空間。

內(nèi)置電容，是利用PCB在壓合過(guò)程中，將電容制作、封裝于電路板中，從而節(jié)省電路板空間，提高電學(xué)性能。尤其，當(dāng)電子器件向小型化、多功能化方向發(fā)展，電子封裝技術(shù)已進(jìn)入高密度封裝階段，而高密度封裝要求內(nèi)置電容具有較高的比埋容值（即單位面積的電容值），以及優(yōu)良的可靠性，并且工藝簡(jiǎn)單、成本低。

隨著當(dāng)今電子電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，埋容材料為獲得高電容密度，趨向選擇高介電常數(shù)（Dk）陶瓷填料、超薄介質(zhì)厚度埋容基板。因此，埋置電容在制作過(guò)程中，具有相當(dāng)?shù)碾y度和風(fēng)險(xiǎn)。

例如，目前，主要采用單面圖形轉(zhuǎn)移和雙面圖形轉(zhuǎn)移兩種方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)埋置電容的圖形，而由于制作埋容電路的電路層的厚度較薄，為了增加電容層的剛性，在圖形轉(zhuǎn)移時(shí)，需要先將電容層與剛性板連接，通過(guò)剛性板帶動(dòng)電容層進(jìn)行埋置電容圖形的制作；此外，由于電容層厚度太薄，導(dǎo)致其尺寸穩(wěn)定性較差，使其在進(jìn)行前處理、貼膜、曝光、顯影、蝕刻等不同工藝過(guò)程中，由于熱膨脹系數(shù)的不同，以及電容層內(nèi)的殘余應(yīng)力等因素，使電容層產(chǎn)生漲縮，造成PCB出現(xiàn)板翹、褶皺、變形等現(xiàn)象，降低了合格率、以及產(chǎn)品可靠性，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。

此外，將無(wú)源器件置入印制電路板內(nèi)部帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)約了寶貴的電路板表面空間，縮小了電路板尺寸并減少了其重量和厚度，同時(shí)由于消除了焊接點(diǎn)，可靠性也得到了提高（焊接點(diǎn)是電路板上最容易引入故障的部分）。

追溯歷史，最早商用的埋置電容基材是BC 2000（Sanmina-SCI 公司），其電容量很低，大約為0.5～0.9 nF/in2，可以作為很好的濾波電容。之后，一些公司也在努力開發(fā)新的具有更高電容量的產(chǎn)品。OAK-MITSUI公司、3M公司和DuPont公司，各自開發(fā)不同樹脂體系的分布式電容產(chǎn)品，通過(guò)在絕緣層中填充鈦酸鋇（高Dk材料）來(lái)獲得更高的電容量。圖1為各公司不同樹脂體系的埋容材料。

2 電容基板材料介紹

2.1 OAK-MITSUI（三井）公司電容基板材料

平面電容基板材料的構(gòu)成，將決定了該型號(hào)基板材料的設(shè)計(jì)性能要求滿足性及制造的可實(shí)現(xiàn)性。

對(duì)于OAK-MITSUI公司（三井公司）的電容基板材料，其埋容技術(shù)運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)總結(jié)：（1）電源總線噪聲最小化；（2）降低電磁干擾（EMI）；（3）改善熱耗散；（4）釋放板空間；（5）PCB板薄型化；（6）低成本。

圖1 各公司埋容材料產(chǎn)品特性對(duì)比

上述的成本節(jié)省方面，三井公司也給予了具體分析和解釋：（1）去除成千上萬(wàn)的SMT電容；（2）減少裝聯(lián)成本和節(jié)省了時(shí)間；（3）改善與裝聯(lián)相關(guān)的缺陷從而提高質(zhì)量；（4）減少板子尺寸。

此外，還必須考慮到選擇電容基板所增加的成本支出。

2012年10月，三井公司對(duì)于其公司屬下的相關(guān)電容基板材料，從最初的FaradFlex? BC系列（BC24、BC16……）統(tǒng)一為FaradFlex? MC系列電容基板材料。

對(duì)于三井公司的電容基板材料，從客戶應(yīng)用選擇的角度，可以更進(jìn)一步的劃分為“標(biāo)準(zhǔn)Dk系列電容基板材料”、以及“高Dk系列電容基板材料”。兩大系列電容基板的相關(guān)性能參數(shù)（見圖2、圖3）。上述兩表中，最右側(cè)的MC25L、以及MC25LD，分屬兩大系列中各自的低介電損耗電容基板材料，給現(xiàn)代通訊的高端需求提供了保障。

2.2 3M公司電容基板材料

一般情況下，PCB中的無(wú)源元件和有源元件的數(shù)量之比大約為20:1，將大量的無(wú)源元件埋置于PCB中，從尺寸方面來(lái)說(shuō)，可使PCB的面積比原表面貼裝縮小40%左右。

通常，埋容材料一般要滿足以下三個(gè)條件：高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗、兼容PCB的加工過(guò)程。基于此點(diǎn)，3M公司研發(fā)并推向市場(chǎng)的主要是環(huán)氧樹脂基高介電常數(shù)覆銅板平面電容材料。

圖2 新版三井“標(biāo)準(zhǔn)Dk系列電容基板材料”性能

圖3 新版三井“高Dk系列電容基板材料”性能

由于需要得到較高的介電常數(shù)，通常會(huì)在樹脂中加入鈣鈦礦粉末，鈣鈦礦的構(gòu)造在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致有高介電常數(shù)的特性。但是，加入鈣鈦礦后會(huì)有電容分層，不穩(wěn)定的電子性能等問(wèn)題，而鈦酸鋇是一種鐵電體材料，在結(jié)晶相時(shí)，其介電常數(shù)高達(dá)15000，當(dāng)粒子尺寸在140 nm時(shí)，它的介電常數(shù)達(dá)到最高值，所以，常用鈦酸鋇的納米粒子作為填充物。通常，采用陶瓷和聚合物的合成物作為介質(zhì)材料，可滿足PCB多層化加工溫度要求。

3M公司埋電容材料（ECM）屬于超薄芯板，主要由上述介電層結(jié)合銅箔壓合實(shí)現(xiàn)。ECM系列基板材料的性能指標(biāo)參（見圖4）。

3M公司埋置電容材料能夠嵌入到剛性PCB和柔性PCB層間。由于材料具有很高的電容密度，能起到電源供電系統(tǒng)去耦和濾波的作用，從而減少表面分離電容。該類型材料特別適合應(yīng)用于通訊、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，以及手持式電子產(chǎn)品行業(yè)，理由主要有以下幾方面：

（1）埋容材料的應(yīng)用可降低電源噪聲；（2）縮減設(shè)計(jì)時(shí)間，避免重復(fù)設(shè)計(jì)；（3）減少分離電容數(shù)量；（4）降低PCB層數(shù)；（5）改變雙面貼裝為單面貼裝；（6）減少過(guò)孔數(shù)量設(shè)計(jì)和加工；（7）宜于SMT返工；（8）降低班的額尺寸和厚度；（9）縮短裝配時(shí)間；（10）增強(qiáng)散熱性能（去耦方面）；（11）減輕PCBA重量；（12）降低板其他器件損壞的幾率；（13）增加PCB板的利用率；（14）降低電磁干擾和電磁輻射。

圖4 ECM埋電容系列基板材料性能

2.3 杜邦公司InterraTM埋容基板材料

杜邦公司的InterraTM HK 04J埋容基板材料，屬于薄型層壓基板，采用了聚酰亞胺介質(zhì)，發(fā)揮其作為PCB基底層設(shè)計(jì)功能。選擇了聚酰亞胺作為絕緣介質(zhì)層，還根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，混入了鈦酸鋇，作為其中的組成之一。

InterraTM HK 04J埋容基板材料，適用于高頻條件下，電源總線去耦、減少電磁干擾、以及電源層阻抗降低。此外，InterraTM HK 04J基板材料，是埋容技術(shù)運(yùn)用于PCB或半導(dǎo)體封裝的理想選擇，對(duì)于高速數(shù)字應(yīng)用可降低阻抗。

InterraTM HK 04J埋容基板材料，兼容于現(xiàn)有的PCB制程設(shè)置，包括有雙面加工制程。并且其薄型設(shè)計(jì)最大化電容密度、減少電感、以及減少PCB尺寸或總裝件厚度。標(biāo)準(zhǔn)的InterraTM HK 04J埋容基板材料，其規(guī)格如圖5所示，共計(jì)有介質(zhì)厚度12 μm和25 μm兩類產(chǎn)品。所有產(chǎn)品均可提供雙面層壓基板，采用的是反轉(zhuǎn)處理的電解銅箔，可根據(jù)客戶要求，提供壓延銅箔。

InterraTM HK 04J埋容基板材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)（見圖6）。

2.4 塞米納（Sanmina-SCI）公司BC2000埋容基板材料

通常，使用埋置電容的方法，包括有一種分布式電容或平面電容的概念。在銅層的基礎(chǔ)上，壓上非常薄的絕緣層。并且，通常以“電源層/地層”的形式成對(duì)出現(xiàn)。非常薄的絕緣層，使得電源層與地層之間的距離非常小，這樣的電容量也可以通過(guò)傳統(tǒng)的金屬化孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7顯示出一個(gè)傳統(tǒng)的電路板（6層），通過(guò)重新設(shè)計(jì)使用埋置電容技術(shù)，在電路板（8層）建立了一個(gè)大的平行板極電容。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)的InterraTM HK 04J埋容基板規(guī)格

圖6 InterraTM HK 04J埋容基板材料性能

圖7 薄介質(zhì)電源/地層平面電容埋入示意

在埋容技術(shù)運(yùn)用的發(fā)展中，和3M公司一樣，塞米納（Sanmina）公司平面埋置電容基板材料，也是選擇了環(huán)氧樹脂基高介電常數(shù)覆銅板（如圖8）。

作為第一代的、具有代表性的聚合物埋容材料，是Sanmina-SCI公司的有玻璃布增強(qiáng)的BC2000和BC1000。其專利主要是玻璃布增強(qiáng)的25 μm和50 μm、100 μmFR-4材料的應(yīng)用，保護(hù)范圍幾乎囊括了這三種規(guī)格材料，在埋容PCB方面的所有應(yīng)用。

BC2000介電常數(shù)值低，之所以可被做埋置電容，主要是籍由降低基板的厚度（50 μm）來(lái)提升電容值，在工藝上則大致與傳統(tǒng)的PCB工藝相同。BC1000，則是進(jìn)一步降低基板的厚度（25 μm），電容值更大的一款材料如圖9。

如圖9所示，列出了三家公司埋容材料的PCB加工特點(diǎn)，都是選擇了傳統(tǒng)FR-4加工的雙面圖形蝕刻制程。BC2000和BC1000能有效減少寄生電感、縮短傳輸距離、提高信號(hào)品質(zhì)，現(xiàn)在的應(yīng)用大多以手機(jī)為主。

圖8 埋容材料類別及主要性能對(duì)比

圖9 埋容材料BC2000/ BC1000與其他

3 PCB埋容制造技術(shù)研究

由于國(guó)外壟斷了原材料的加工技術(shù)，埋置薄膜電容產(chǎn)品的制作必須依賴相應(yīng)的超薄埋容芯板。目前，芯板材料生產(chǎn)技術(shù)主要被三井、3M、杜邦等國(guó)外公司壟斷。

隨著電子產(chǎn)品高頻高速化的飛速發(fā)展，在電子產(chǎn)品中埋置電容技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是非常大的。國(guó)內(nèi)一些較大終端用戶，對(duì)埋容技術(shù)運(yùn)用需求的日漸強(qiáng)烈，將會(huì)有效刺激PCB企業(yè)對(duì)埋容技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，越來(lái)越多的企業(yè)都在加大埋容技術(shù)的研究與開發(fā)力度。

當(dāng)今國(guó)內(nèi)最常用的制作埋容PCB的材料，大多是介質(zhì)層含有填充物、厚度極薄的芯板材料。相較于普通覆銅板而言，此類芯板材料超薄許多，因此，在加工中難度非常大。例如，層壓過(guò)程中的漲縮較大、蝕刻過(guò)程中易出現(xiàn)破損、材料吸水率較大導(dǎo)致層間分離等，需要工藝設(shè)計(jì)師針對(duì)材料特點(diǎn)和設(shè)備能力進(jìn)行工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3.1 OAK-MITSUI（三井）公司電容基板材料加工技術(shù)

作為三井公司的電容基板材料，推薦采用雙面圖形蝕刻制作的加工流程，無(wú)需順序?qū)訅海⊿equential Lamination）來(lái)實(shí)施如圖10。

圖10流程可見，框線內(nèi)需要關(guān)注外，前序制程考慮較薄芯板處理即可，前處理制程需認(rèn)真對(duì)待。

針對(duì)于薄芯板的圖形蝕刻，需要關(guān)注下述幾點(diǎn)：選用薄芯板兼容制程能力強(qiáng)勁的蝕刻線；如果不那么有信心，可采用導(dǎo)引板輔助；薄芯板需要小心持取。

至于黑化處理或其他替代氧化處理制程，需注意下述幾方面：選用適合于薄芯板加工的生產(chǎn)線設(shè)置；如果需要，可選擇導(dǎo)引板；優(yōu)選水平處理線制程；注意薄芯板在制件的小心取放。

三井公司給出了圖11所示的24層埋容多層PCB成功案例，包括有埋容芯板設(shè)計(jì)疊板位置、以及產(chǎn)品金屬化孔切片圖。

圖10 三井公司電容基板材料加工示意

圖11 埋容產(chǎn)品多層PCB疊構(gòu)及切片

3.2 3M公司電容基板材料加工技術(shù)

區(qū)別于前述介紹的三井公司埋容基板材料的加工方式，3M公司埋容基板材料的多層化PCB應(yīng)用，必須采取順序?qū)訅旱姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)。兩家公司材料加工方式的對(duì)比，另外，所謂導(dǎo)引板的示意也一并可出（如圖12）。

為了更好的完成埋容基板材料的加工，3M公司推薦給出了相關(guān)的內(nèi)層及外層加工工藝流程，（如圖13）。

相關(guān)制程控制要點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下：

（1）表面處理方式：選擇化學(xué)前處理，忌用機(jī)械研磨；

（2）DES流程：優(yōu)先選擇適合加工薄芯板水平傳輸線，如果有異常，可添加導(dǎo)引板輔助進(jìn)行；

（3）棕化處理：微蝕時(shí)間較通用電解銅延長(zhǎng)1/3；

（4）烘板1：推薦參數(shù)100 ℃條件下，60 min；

（5）烘板2：推薦參數(shù)125 ℃條件下，60 min或100 ℃條件下，100 min；

（6）膨脹系數(shù)：C-PLY的介電層，不含有玻璃纖維的支撐層，相對(duì)于FR-4材料，它的收縮率要相對(duì)大一些，并且受外界條件的影響很大，不同的條件，收縮率會(huì)各不相同；

（7）推薦的壓合參數(shù)見圖14所示。

（8）除膠渣：使用等離子體方法；

（9）濕制程后烘板除濕氣很關(guān)鍵，另外，在熱風(fēng)整平、回流焊、釬焊、熱循環(huán)等熱處理前，也需要進(jìn)行烤板處理，條件是125 ℃、4～6 h；

（10）材料存放：平置于干凈環(huán)境下，溫度7～26 ℃、相對(duì)濕度不超過(guò)60%，保質(zhì)期為一年。

圖12 3M公司/三井公司埋容基板制程對(duì)比

圖13 3M公司埋容基板內(nèi)/外層加工流程示意

圖14 3M公司C-PLY多層壓合參數(shù)推薦

4 結(jié)束語(yǔ)

本文較為全面介紹了埋入式電容基板材料的種類及型號(hào)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)三井、3M、杜邦等幾家公司相關(guān)之埋容基板材料進(jìn)行了性能對(duì)比。此外，對(duì)埋置電容材料PCB多層化制造技術(shù)進(jìn)行了闡述。隨著終端電子產(chǎn)品要求的提升，對(duì)日漸增多的埋容基板設(shè)計(jì)運(yùn)用，具有一定的借鑒意義。