应用于高精度LCR数字电桥的半埋嵌铜片高频板工艺研究.pdf

2024年3月第2期78张长明 陈少华 黄建国 唐成华 凌小康(深圳市博敏电子有限公司，广东 深圳 5 1 8 1 0 3)数字技术的发展，特别是高速运算、微处理器技术的发展，使数字电桥可用于计量测试部门对阻抗量具的检定与传递，以及在一般部门中对阻抗元件的常规测量。很多数字电桥带有标准接口，可根据被测值的准确度对被测元件进行自动分档；也可直接连接到自动测试系统，用于元件生产线上对产品自动检验，以实现生产过程的质量控制。高精度 LCR 数字电桥需要精LCR 数字电桥是一种以微处理器为基础的自动测量电感 L、电容 C、电阻 R、品质因数 Q、损耗角正切值 D 等参数的智能元件参数测量仪器。现代模拟和应用于高精度 LCR 数字电桥的半埋嵌铜片高频板工艺研究Research on Semi-Buried Copper Embedded High Frequency PCB Technology for High Precision LCR Digital BridgeZhang Changming,Chen Shaohua,Huang Jianguo,Tang Chenghua,Ling Xiaokang【摘要】L C R数字电桥是智能元件参数测量仪器。作为计量工具，对仪器的精度有较高要求，相应地所使用的 P C B也有更高要求。本文研究了 L C R数字电桥使用的半埋嵌铜片 P C B，包括半埋嵌铜片设计方式、半埋嵌铜片的定位、铜片焊接工艺、薄高频芯板焊接铜片后水平线过机方法等。重点分析了多层高频材料层压时的易出现的问题和解决方案，完成了高精度 L C R数字电桥多层高频板制作。A b s t r a c t L C R d i g i t a l b r i d g e i s a n i n t e l l i g e n t c o mp o n e n t p a r a me t e r me a s u r i n g i n s t r u me n t.A s a me a s u r i n g t o o l,t h e p r e c i s i o n o f t h e i n s t r u me n t h a s h i g h e r r e q u i r e me n t s,a n d t h e P C B u s e d a c c o r d i n g l y h a s h i g h e r r e q u i r e me n t s.T h i s e s s a y d i s c u s s t h e s e mi-e mb e d d e d c o p p e r P C B u s e d i n L C R d i g i t a l b r i d g e i s s t u d i e d,i n c l u d i n g t h e d e s i g n me t h o d o f s e mi-e mb e d d e d c o p p e r,t h e d e s i g n l o c a t i o n o f s e mi-e mb e d d e d c o p p e r,t h e we l d i n g p r o c e s s o f c o p p e r,t h e me t h o d o f h o r i z o n t a l l i n e p a s s i n g t h r o u g h t h e ma c h i n e a f t e r t h e t h i n h i g h-f r e q u e n c y c o r e b o a r d we l d i n g c o p p e r.I t i s f o c u s e s o n a n a l y z i n g t h e p r o b l e ms a n d s o l u t i o n s o f mu l t i l a y e r h i g h f r e q u e n c y ma t e r i a l l a mi n a t i o n,a n d c o mp l e t e s t h e f a b r i c a t i o n o f h i g h-p r e c i s i o n L C R d i g i t a l b r i d g e mu l t i l a y e r h i g h f r e q u e n c y P C B.【关键词】L C R；半埋嵌铜片；高频板；层压K e y Wo r d s L C R,S e mi -b u r i e d c o p p e r,H i g h F r e q u e n c y P C B,L a mi n a t i o n第一作者简介：张长明，深圳市博敏电子有限公司研发部经理、高级工程师，主要从事新技术研发及新产品的开发。0 前言79PCB InformationMAR.2024 NO.2确的量测精度，该仪器中的核心部件所需电路板的精度要求更高。本文就应用于高精度 LCR 数字电桥的半埋嵌铜片电路板的加工工艺做研究分析。半埋嵌铜条的多层高频板，用于高精度 LCR 数字电桥项目，材料为低介电常数 PTFE 材质，详细产品特性如表 1。该产品设计为两种不同的 PTFE 材质做混压，层压叠构图如图 1、三维模拟图如图 2。制作难点汇总如下：(1)半埋嵌铜片的定位与焊接工艺，条状铜片做半埋嵌设计，其定位精度是一个重要的制程难点；(2)薄芯板焊接铜片后水平线过机方法，0.135mm的高频芯板焊接铜片后平整度变差，水平线过机是制程难点；(3)多层薄芯板高频材料埋嵌铜片的层压也是制程难点。2.1 半埋嵌铜片的定位与焊接工艺半埋嵌铜片的定位技术主要包括：内层图形制作，按 Gerber 资料制作内层图形，蚀刻后连接铜条的线条宽度及公差为 0.56mm0.01mm，需确保足够的焊接接触面及高频带状线信号传输的一致性。将条形铜片表 1 半埋嵌铜条的多层高频板的产品特性序号项目要求1材料P T F E、介电常数 2.4-2.62铜厚内外层 1 O Z3成品尺寸长*宽 3 6.3 mm*1 2.6 mm4板厚板厚 1.7 9 mm1 0%5最小线宽0.5 6 mm0.0 1 mm6最小孔径2.2 mm7孔铜/8表面处理铜片镀软金、表面做 O S P2 制程难点解决方案1 产品解析做成为 U 形铜片，U 形两端定位的精度远高于直线单端固定，可以提高半埋嵌铜片的定位精度，保证产品的精度，埋嵌加工之前完成电镀软金流程，做到半埋嵌后内外铜条一致性1。焊接铜片，采用错位焊接。待焊接位置在每个单元同一面次上只有一个焊点，做错位焊接设计，即 U型铜片分别焊接在 L3、L4 上。将 U 型铜片放在特定的冶具内，以两点焊接保证其定位精度和准度。调节点焊机的各项参数,预点焊参数设置预热电压 0.2V0.4 V；预热时间为 1ms4 ms，点焊参数设置脉冲电压 1V2V；脉冲时间为 2ms19.9ms；压力：18OZ38OZ，焊头距点焊位约5mm，点焊完一个拼板，翻转高频芯板，将高频芯板放于相应工装内，如图 3 所示，用镊子夹取输入输出针使与印制线对齐，输入输出针一端在上一端在下；按相同的方法点焊印制板另一面的输入输出焊针。用点焊机将印制线与输入输出针点焊在一起，每端口点焊 2 处，视端口与高频芯板带状线连接长度，确定点焊位置，输入输出针应与印制线输出端平行。制作到最后成品时需做多余铜片去除。将待剪针的半埋嵌铜条多层高频成品板放置于剪针工装上并让一边紧靠工装，如图 4；用裁刀裁掉引脚多余的部分；用剪刀修剪掉引针残留部分。将修剪完成的产品用镊子夹取放入铜材光亮剂中清洗，待表面氧化层去掉后取出，用清水清洗掉铜材光亮剂，将产品放入托盘，将托盘放入到 5060的烘箱中烘烤 810 分钟后取出。图 2 半埋嵌铜片高频板的三维模拟图图 1 层压叠构图 图 4 U型铜片的剪切图片图 3已放入工装内的高频芯板图片2.2 薄高频芯板焊接铜片后水平线过机方法常规的薄板，即板厚 0.5mm 的板，一般采用板前端左右各一个三角护板，如图 5 载运薄板的三角护板，薄板交错放于护角的卡槽内，起到固定的作用。当然也可以采用载板贴胶纸运载，只是步骤更繁琐，影响批量生产效率。但是由于半埋嵌薄高频芯板焊接2024年3月第2期80铜片后其平整性差，芯板与铜片不一定在同一平面上，极易受水洗压力或滚轮的影响卷入机械中，造成卡板报废。为此，制作了一种两面网纱的冶具，用于载运已焊接铜片的芯板，如图 6。将待过水平线的薄高频芯板放入网纱冶具中过机，以此杜绝薄板的卡板问题，解决薄高频芯板焊接铜片后水平线过机问题。(2)芯板偏位控制。由于半固化片和芯板都需要开槽，压合对位时易发生偏位现象，一旦芯板或半固化片偏位，则槽边缘会出现一边缺胶、一边流胶现象2。芯板偏位优先通过压合参数调整改善，表 2、表 3、表4 为三种常用的多层 PTFE 高频板的层压程式，适用于多数 PTFE 高频板的生产。压合程式一(即表 2)升温速率慢(约 1.8/min)且压力较大，适用于多张半固化片搭配 PTFE 的空腔板；压合程式二(即表 3)升温速率快(约 2.7/min)且压力较大，是高温高压程式，一般用于全覆盖板型的压合，适用于单张半固化片搭配 PTFE 的厚铜空腔板；压合程式三(即表 4)升温速率快(约 2.7/min)且压力较小，适用于多张或流胶大半固化片搭配 PTFE 的空腔板。图 9 层压效果图图 6双面网纱冶具 图 7右 合拼图2.3 半埋嵌铜片的多层高频材料层压工艺(1)半埋嵌铜片的多层板的拼板设计半埋嵌铜片使用的高频板料是罗杰斯 CuClad 250 LX 和 Arlon 5278B。该芯板价格比常规 FR4 价格高1520 倍，为提升板料利用率，L12、L34、L56 皆采用倒扣方式做合拼，拆开如图 7 左所示，合在一起的如图 7 右所示，以实现材料利用率的最大化。两个芯板由四条工艺边设计变更为只有L型的两条工艺边制作，内层成型过程采用皮秒级激光机切割分板，分板后如图 8 所示。为了使层压过程芯板对位精准，需要在芯板顶端钻一排定位孔对位，层压效果如图 9 所示。表 2 压合程式一段数温度()时间(mi n)压力(K g/c m2)时间(mi n)11 4 01 071 021 8 041 7131 8 031 7942 2 042 5152 2 042 8962 4 052 84 072 4 06 02 83 082 4 05 52 84 591 8 051 751 01 4 01 01 71 01 11 2 02 01 02 0图 8 激光分板后图 5 载运薄板的三角护板图 7左 倒扣设计图表 3 压合程式二段数温度()时间(mi n)压力(K g/c m2)时间(mi n)11 4 01 071 022 0 052 1232 0 052 1842 5 052 6252 5 01 52 6862 5 09 03 5672 3 053 5982 3 05 53 59 091 4 02 03 01 01 01 4 01 02 07 51 11 2 02 02 02 081PCB InformationMAR.2024 NO.2表 4 压合程式三段数温度()时间(mi n)压力(K g/c m2)时间(mi n)11 4 01 081 022 0 058132 0 058942 5 051 0152 5 01 51 0962 5 09 01 04 072 3 051 03 082 3 05 51 04 591 4 02 01 051 01 4 01 081 01 11 2 02 082 0图 1 1 部分板件有错位不良图 1 0 板厚不均且溢胶明显通过对上述三种压合程式进行实验，得出结论：(1)压合程式一层压后半固化片流胶较大，局部厚度不符合要求，且溢胶明显如图 10 所示；压合程式二试压后部分板件有错位不良且溢胶明显如图 11 所示；压合程式三压合后板件无流胶或流胶小于 0.1mm，在可接受范围内，故压合程式三较优。(2)溢胶控制：溢胶是半埋嵌铜片的多层高频板常见的问题之一。半固化片开窗不恰当导流胶流到锣空位置边缘，但半固化片开窗过大会引起开裂、分层等问题。Arlon6700 的 PP 属于热塑性材料，PP 流动性强，需根据实验结果确定合适的开窗大小，层压时使用硅胶垫等作为缓冲材料，在层压时有更好的缓冲效果，避免失压、开裂、分层。PTFE 材料 PP 的热塑性，使其压合程式的高温段要远远高于 FR4 材料，达到245255，其高温段的时长也远长于FR4的压合程式。3 总结本文研究了 LCR 数字电桥使用的半埋嵌铜片PCB，包括半埋嵌铜片设计方式、半埋嵌铜片的定位、铜片焊接工艺、薄高频芯板焊接铜片后水平线过机方法等。重点分析了多层高频材料层压时的易出现的问题和解决方案，在完成此款高精度 LCR 数字电桥的电路板生产的同时，为同类型多层高频板的生产，提供技术参考。参考文献1 一种半埋嵌铜片电路板的定位方法，中国，专利号 20191139*2588.9P.2019 年 12 月 30 日。2 陈小明,廖润秋,张永谋,施世坤.埋嵌铜块高频板制作方式研究 J.印制电路信息,2018,26(11):18-21。3寻瑞平,张华勇,敖四超,汪广明.高频高速高多层印制板制作技术研究J.印制电路信息,2017,25(01):52-59。(责任编辑 李雪梅)