印制電路板內(nèi)埋薄膜電阻和聚合厚膜電阻的可靠性初步評估（一）

摘 要 多層印制板內(nèi)埋無源元件，可以節(jié)省有源元件安裝面積，減小印制板尺寸，提高設備功能、提升安全性，并降低制造成本。由于制作完成后內(nèi)埋式無源元件不可替換，元件是否擁有長期穩(wěn)定性和可靠性是制造商最關(guān)心的方面。文章給出了內(nèi)埋NiP薄膜電阻和聚合厚膜電阻持續(xù)作業(yè)的可靠性測試結(jié)果，討論了無鉛焊接模擬和溫度循環(huán)測試（-40℃~+85℃）的溫度對阻值的影響。

1 介紹

無源元件（線狀和非線狀電阻，電容，線圈，保險絲）是每個電子設備的基本組成部分，并占用印制板大量表面積。然而同時，小尺寸規(guī)格無源元件（如 0402和0201）自動電裝難度大，且焊點質(zhì)量難以保證。多層板內(nèi)埋無源元件技術(shù)可以克服這些問題，在高端產(chǎn)品（比如手機）制造中可有廣闊應用。

隨著元件越變越小，制造商和組裝者在這類印制板的制造、組裝、檢驗、操作和費用控制等方面面臨著許多挑戰(zhàn)。由于減少了焊點數(shù)量，內(nèi)埋無源元件更加可靠。同時，內(nèi)埋式元件增加了線路密度，提升了電子設備的電氣性能和功能。

雖然內(nèi)埋無源元件有很多優(yōu)勢，但是依舊有一些問題，包括斷裂分層及各種埋置元件的穩(wěn)定性問題。因為內(nèi)埋元件通常需要多層疊構(gòu)設計，而不同材料的CTE不匹配將會產(chǎn)生較大的熱應力。與分立式元件不同，有缺陷的內(nèi)埋式元件無法替換，這意味著即使一個小元件出現(xiàn)問題也會造成整個線路板報廢。所以，保持元件長期穩(wěn)定和可靠，是制造商運用這一技術(shù)的關(guān)注點。

內(nèi)埋無源元件的概念在很多年前就已出現(xiàn)在線路板行業(yè)內(nèi)。上世紀60年代末，第一次試驗制作內(nèi)埋電容；

上世紀70年代初，開始應用NiP和NiCr層制作內(nèi)埋薄層電阻；到目前為止，已開發(fā)了許多其他用于制作內(nèi)埋式無源元件的材料。

另外，上世紀90年代后期，CTS、3M、OakMitsui、Sanmina-SCI和其他公司也開始研發(fā)內(nèi)埋無源元件和材料。目前，內(nèi)埋薄膜電阻和材料已發(fā)展得較為成熟，代表公司有DuPont 電子技術(shù)、Ohmega、Ticer、Sheldahl、W.L.

CORE&ASSOCIATE和Georgia 技術(shù)研究所。到本世紀，亞洲地區(qū)也開始了此項技術(shù)的研究。

目前，內(nèi)埋技術(shù)應用范圍依舊很小，大多用于軍事、航空、航天等電子產(chǎn)品領(lǐng)域。盡管如此，高度發(fā)達卻不昂貴的民用電子產(chǎn)品對該技術(shù)的需求在不斷增長，如手機、筆記本電腦和網(wǎng)絡設備等，內(nèi)埋無源元件技術(shù)由此受到廣泛關(guān)注，并再一次成為焦點，被認為將是印制板發(fā)展的下一個關(guān)鍵技術(shù)[8].

之前的研究都集中于單一材料，只是單獨地研究薄膜電阻或是聚合厚膜電阻。結(jié)合薄膜和厚膜電阻技術(shù)，可以制造所有可用范圍內(nèi)的電阻值。電阻值范圍小時使用薄膜電阻可大量減小面積，同時獲得精確的阻值；使用厚膜電阻可獲得較大阻值，公差相對較大。

聚合厚膜（PTF）電阻通常是用聚合物電阻漿制作，適用于不同印制板基材。一般，電阻漿組成是碳（炭黑和石墨）和/或混合聚合樹脂的銀填料（含溶劑和稀釋劑，有時加入絕緣粉末填料使之具有適當?shù)牧髯冃阅埽?。印制板上PTF電阻漿固化溫度不應超過180 ℃，但一些制造商可提供固化溫度達到220 ℃的電阻膏。電阻漿和電阻膏的方阻范圍遠大于薄膜電阻材料，但阻值公差較大，穩(wěn)定性有限。聚合物和銅層接觸面間氧化層會引起阻值偏差，且更易發(fā)生CTE不匹配造成的分層和斷裂。

本文研究了無鉛焊接過程和溫度循環(huán)測試（-40 ℃到+85 ℃）高溫沖擊，對多層印制板內(nèi)埋薄膜電阻和聚合厚膜電阻元件穩(wěn)定性的影響。

2 材料和電阻結(jié)構(gòu)

Ohmega-Ply薄膜電阻制造技術(shù)是使用NiP作為電阻材料，壓合在FR-4層壓片上。具體來說，該技術(shù)首先將鎳（Ni）磷（P）合金薄層電鍍于銅箔之上，制成被稱作RCM的電阻/導體復合金屬箔，然后將其壓合在FR-4基材之上。最后使用減成法蝕刻出銅線路和平面電阻。

本研究使用Ohmega-Ply 電阻材料制作內(nèi)埋電阻，方阻值分別為25 Ω/米和100 Ω/米，壓合在FR-4基材上。基本參數(shù)見表1.

PTF電阻使用標準厚膜制造技術(shù)制造。所有都使用Electra Polymers & Chemical Ltd （表2）的電阻膏，黃色PET網(wǎng)版（77T）和25 μm的吸附水膜網(wǎng)印。

調(diào)查了幾種與導線連接的電阻的結(jié)構(gòu)和材料，比如銅（Cu）（圖1a），不對稱設計的銅（圖1b），鎳金（圖1c），和銀（圖1d）。不對稱電阻導線連接設計是為了補償機械應力（圖1b），而化學鍍鎳金層或銀層（Electrodag PF-050電阻膏）是用來保護銅面的。

薄膜電阻和聚合厚膜條形電阻設計成三種結(jié)構(gòu)，1.5 mm×4 square,1.0 mm×2 squares,和0.5 mm×1square.另外，薄膜電阻設計成三種基本形狀，條狀，多條狀，和彎曲狀，電阻線路寬度分別為1.4 mm、1 mm和0.75 mm.測試板T1,160 mm×160 mm,使用Ohmega-Ply材料，內(nèi)含240個成形的薄膜電阻，電阻外部壓合覆樹脂銅箔（RCC）。測試板T2,177 mm×192 mm,在FR4層壓板上網(wǎng)印189個厚膜電阻，外部壓合RCC材料。

3熱效應實驗

內(nèi)埋式電阻作業(yè)時的熱穩(wěn)定性是埋電阻技術(shù)是否成功的關(guān)鍵因素。電流通過電阻時產(chǎn)生熱量，并且會迅速從印制板擴散至周邊環(huán)境。該過程熱擴散采用FLIR A320熱像儀測試（兩個精密鏡頭、HMP2020 HAMEG電源）。在溫度測量前，當設定好電阻層輻射率、環(huán)境溫度和相對濕度等相機參數(shù)后，相機會自動完成各種輻射源的補償。

本文研究了表面薄膜電阻和內(nèi)埋式薄膜電阻（條狀、多條狀和彎曲狀）及聚合厚膜條狀電阻內(nèi)部的溫度分布熱成像狀況，后者以壓合RCC（覆樹脂銅箔）作為最外層。

圖2為非內(nèi)埋薄膜和厚膜條狀電阻的熱成像。

觀察薄膜電阻所有熱成像記錄，沿電阻周邊溫度分布并不完全相同。條狀電阻的溫度最高點通常出現(xiàn)在電阻的中心部位。而高熱量區(qū)域和差距明顯的低溫區(qū)域會互相轉(zhuǎn)換。連接銅導線區(qū)域的散熱狀況明顯更好。薄膜電阻中的彎曲狀的電阻，熱量聚集在拐角內(nèi)部，因此這些區(qū)域更易受到損傷。

聚合厚膜電阻的熱量分布更有規(guī)律（圖2b）電阻中心部分是熱量最高點。從電阻中心向邊緣以及接觸端，熱量均勻遞減。

內(nèi)埋電阻的熱成像圖形和非內(nèi)埋電阻幾乎相同，可能是因為壓合在表面的樹脂非常?。?0 μm）。

圖3展示了條狀薄膜電阻表面的溫度變化狀況。

運行時，電阻很快升至平均78 ℃±4 ℃，并在觀測過程中一直保持該穩(wěn)定溫度。

電阻超過額定功率運行時會導致溫度過高，達到強度臨界點后造成電阻損傷。溫度過高受損電阻的熱成像圖形見圖4,該類電阻溫度變化見圖5.電阻可以被超載電流加熱至300 ℃以上，窄小部位最容易積聚熱量，是電阻熱效應最強的地方，進而造成其燒焦損傷。

內(nèi)埋電阻有各種不同的熱損傷，取決于電阻種類和周邊的樹脂材料（通常為環(huán)氧樹脂）。

薄膜NiP電阻位于FR-4層壓板表面，熱損傷主要由FR-4層壓板樹脂分解引起的。高溫下樹脂分解產(chǎn)生氣體，并造成電阻表面撕裂，如圖6a所示，同時可以觀測到被碳化的樹脂材料。

厚膜電阻在烘烤固化時，高分子聚合材料也出現(xiàn)了分解狀況。電流通過電阻，電阻溫度明顯升高，聚合材料出現(xiàn)燒傷狀況，該損傷在光效下表現(xiàn)為亮紅色和亮黃色表面。聚合電阻材料的熱衰解造成的裂紋，通常在電阻的中心部位（圖6b）。