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2023春季国际PCB技术/信息论坛174特种印制板制造技术 Special PCB technology埋置元件PCB加工方案探讨 Paper Code:S-075 马点成 吴军权（深圳市金百泽电子科技股份有限公司，广东 深圳 518000）（惠州市金百泽电路科技有限公司，广东 惠州 516083）摘 要 埋置元件PCB技术具有小型化，缩短线路长度，减少印制电路板封装面积和焊接点等优点。平面埋容埋阻技术目前已经较为成熟，但分立式器件埋入技术受限于设备、材料，只适用于埋入小尺寸封装的无源器件，其它类型器件埋入加工仍存在许多问题。文章就分立器件的两种埋入PCB方式进行分析，针对埋置分立器件的定位偏移和填胶空洞等问题，从器件的选型，埋入结构的设计等方面进行优化，提出相应的解决方案，提升埋置元件PCB的可靠性。关键词 埋置元件PCB；定位偏移；填胶空洞 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0174-07 Discussion on PCB processing scheme of embedded componentsMa Diancheng Wu Junquan Abstract Embedded component PCB technology has the advantages of miniaturization,shortening circuit length,reduced PCB packaging area and solder joints.The planar buried capacitor and resistor technology is relatively mature at present,but the embedded technology of discrete devices is limited by equipment and materials,and is only suitable for embedding passive devices in small size packages.There are still many problems in the embedded processing of other types of devices.This paper analyzes two embedded PCB methods of discrete components.Aiming at the problems of positioning offset and glue filling cavity of embedded discrete components,it optimizes the selection of components and the design of embedded structure,and puts forward corresponding solutions to improve the reliability of embedded component PCB.Key words Embedded Component PCB;Positioning Offset;Resin Filled Cavity0 前言埋入器件技术可以带来许多优点，例如PCB小型化，器件埋入到印刷电路板，可以缩短元件之间的线路长度，减少印制电路板封装面积，减少大量的印制电路板板面的焊接点，从而提高封装的可靠性。目前埋入器件技术主要分为分立器件埋入和平面器件埋入，分立器件的埋入又分为埋入无源器件（Embedded Passive Devices，EPD）和埋入有源器件（Embedded Active Devices，EAD）1。平面器件埋入，即将电阻、电容等薄膜式材料再通过图形转移、蚀刻等一系列工艺做出相应电阻或电容图形，再通过PCB工艺压合入板内。分立式埋入，主要是将01005、0201等小型封装规格的电阻电容通过SMT工艺进行焊接导通，再叠加PP流胶填充，将整个器件压合进基板里面。得益于和PCB加工制程相匹配，平面埋入技术目前已经较为成熟，只需要对电阻、电容的图形蚀刻，与PCB板材混175特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛压进行重点管控即可确保制作的器件精度以及产品的可靠性。分立式器件埋入则需要根据器件的封装规格来进行埋置方案设计，确保器件埋入的可靠性以及功能，文章主要针对分立式器件埋入方案及制作流程进行研究。1 埋置元件PCB加工技术埋置元件PCB加工中需要满足可靠性要求，并且确保分立器件在埋入后可以与线路正常导通，目前主要有两种方式，分别为器件焊盘连接与导通孔连接。1.1 焊盘连接方式焊盘连接的思路是将常规焊接在表层的器件整体下沉至内层，将焊盘设计在内层，通过SMT工艺在内层加工时将器件焊接形成导通。内层芯板焊接完成后，根据器件厚度匹配流胶PP与支撑芯板的厚度，将PP与芯板开槽后叠板压合。通过PP流胶或者额外增加树脂体系热固性胶来填充器件开槽的空洞，确保压合可靠性。此方法适用于较小尺寸的器件埋入。图1 SMT贴片铣槽压合流程1.2 导通孔连接方式焊盘连接埋入方式存在局限性，当器件尺寸较大时底部容易产生填胶空洞，且直接埋入焊接锡膏、阻焊剂等存在可靠性风险。为此放弃锡膏焊接导通，采用现有PCB加工中精度较高的激光钻孔进行连接。激光钻孔加工需要先将器件背置埋入板内，目前主要采用芯板铣槽的方式将器件埋入，焊盘朝上并叠加PP压合。后续进行激光盲孔加工，孔金属化连接器件焊盘与线路。图2 器件铣槽埋入激光加工流程2 埋置元件PCB加工制造分析埋置元件PCB加工重点在于可靠性以及器件的完整性，在加工中主要出现以下问题。2.1 器件压合问题焊盘连接方式采用SMT焊接后压合，而内层芯板在压合前需要进行棕化处理以增强结合力。在焊接前棕化，棕化层会经过回流焊，影响棕化层而降低PP与线路的结合力；在焊接后棕化，板上有贴器件，需要治具过水平的棕化线，同时器件底部的药水难以清洗，容易导致离子污染度不达标。2常规PCB外层会印刷阻焊层以避免回流焊时锡膏融化流动，2023春季国际PCB技术/信息论坛176特种印制板制造技术 Special PCB technology但内层并没有阻焊层，当焊盘间距较小时锡膏容易流动连接导致短路，为此焊盘连接方式需要解决内层芯板棕化处理与焊接短路的问题。焊盘连接与导通孔连接在压合时受限于PP含胶量，流胶难以完全填满铣槽槽孔。并且焊接器件时，器件底部与基板之间的缝隙较小，流胶难以填充器件底部，容易造成填胶空洞问题。图3 器件底部填胶空洞器件压合时要合理设计叠层结构，避免器件受力过大导致碎裂，同时需要对层压参数进行优化，调整层压时的升温速率、高压时间等参数，避免升温过快导致锡膏融化流动等问题。12.2 器件定位问题器件定位影响其能否和线路正常导通，如果发生偏移则可能导致开路。焊盘连接方式中，由于SMT贴片机精度高，达到0.05 mm左右，器件定位效果非常好。相比之下，导通孔连接方式较容易产生器件偏移问题，因为PCB铣槽槽孔加工精度在0.10 m左右，且在器件层压时会被流胶挤压移位导致埋置器件偏移增大。常规激光盲孔直径0.15 mm，偏移较大时非常容易造成激光盲孔无法准确钻到器件的焊盘上。图4 器件埋入偏移焊盘 图5 激光盲孔偏移，锡球侵蚀此外带有锡球的BGA焊盘在电镀时，锡球会被酸碱等溶液侵蚀，无法加工，所以需选择平整焊盘的器件进行激光盲孔加工。177特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛3 埋置元件PCB加工解决方案3.1 焊盘连接埋置方案3.1.1 结构及器件选择图6 焊盘连接结构图焊盘连接结构主要是将器件埋置在中间PP层，下方底板为器件贴片层，上下芯板对称分布，避免压合后板翘。器件较厚时可增加芯板做器件支撑层。贴片焊接后器件底部与基材之间必然会存在较小缝隙。为避免出现填胶空洞，需要采用较小尺寸、引脚较少的器件，减少底部缝隙的面积并且防止引脚阻碍树脂胶的流动。其次可以在叠板时额外添加热固性树脂胶，增加器件槽孔的填胶量。树脂胶沿器件四周向底部进行填充，短边流胶距离短，流胶优先达到器件中心，所以器件最短边为影响底部填充效果的主要因素。选用不同尺寸的贴片器件，采用常规塞孔树脂进行器件槽孔填充测试。通过测试，建议焊盘连接埋置器件宽度小于3 mm，底部填胶无空洞。如果需要埋置更大尺寸的器件，建议使用粘度更低的热固性树脂胶测试。表1 器件底部填胶测试3.1.2 内层焊接与压合焊盘连接需要在压合前进行贴片焊接。棕化与焊接的处理方案是进行分区处理，线路层进行棕化，焊盘不进行棕化，可以采用选择性化金对焊盘表面进行化金处理，规避棕化药水的同时便于焊接。对于0402及更小尺寸的器件，内层无阻焊层容易造成连锡短路，处理方案为额外进行油墨类的阻焊印刷，可采用喷印油墨等方式在焊盘四周印制“堤坝”防止回流焊时锡膏流动。图8 焊盘选择性化金 图9 焊盘喷印油墨表 器件底部填胶测试器件 封装 长度 宽度 效果 贴片电容 0603 1.6 mm 0.8 mm 无空洞 二极管 SOD-323 1.9 mm 1.3 mm 无空洞 三极管 SOT-23 3.2 mm 1.6 mm 无空洞 贴片电阻 2010 5.00 mm 2.5 mm 无空洞 贴片电阻 2512 6.30 mm 3.1 mm 无空洞 IC TSSOP 4.9 mm 3.9 mm 中心空洞 图7 器件底部填胶示意图 2023春季国际PCB技术/信息论坛178特种印制板制造技术 Special PCB technology内层芯板在完成焊接准备后，可使用清洗机清洗芯板，并使用离子污染仪器检测板面离子污染程度。清洗后进行烘烤，避免元器件与芯板之间的缝隙藏留水分，保证压合可靠性。焊盘连接方式其中一种可行加工步骤如下：贴片芯板线路制作选择性化金*棕化SMT贴片*内层线路制作铣扩孔PP铣槽叠板压合树脂胶填充钻孔电镀线路制作表面处理E-TEST外形3.2 导通孔连接埋置方案3.2.1 器件选型与定位焊盘焊接适合小尺寸的无源器件，但对于多数有源器件其尺寸较大且引脚数较多，焊接后压合底部非常容易出现填胶空洞，对于此类器件焊盘焊接并不适用。为此将器件底部朝上进行埋置，采用激光盲孔进行导通连接。为便于器件的固定以及后续激光盲孔加工，需要选择外观为规则矩形，焊盘平整无锡球的器件类型，例如QFN方形扁平无引脚封装。图10 QFN方形扁平无引脚封装导通孔连接结构中间主要为固定层芯板加底板，上下叠加PP进行压合，压合结构对称，且便于后续激光盲孔加工。图11 导通孔连接结构图器件固定可以采用铣槽的方式，同时器件与槽孔壁之间需保留一定的距离，便于填胶。铣槽固定可以对槽孔进行圆角处理，利用器件自身的直角卡住槽孔圆角进行固定。不便于采用铣槽圆角时可将器件下方PP铣槽进行预固定。铣槽固定方案固定效果较差，在设计焊盘偏差时需要预留足够的偏移，使得激光盲孔仍可以落在器件焊盘上。图12 器件固定示意图179特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛此外可采用背胶固定，使用设备均匀涂覆背胶并将器件水平放置背胶上，其要求在于器件的识别放置精度以及背胶材料在固化时不能产生气泡，器件不能发生移动等。3.2.2 压合及盲孔加工将器件固定层叠板后向槽孔底部添加少量树脂胶，再放置器件固定，继续添加热固性树脂胶至稍溢出槽孔以增加填胶量，上层叠加PP、铜箔或超薄芯板压合。由于器件底部直接叠加PP压合，所以不存在填胶空洞问题。图13 PP铣槽固定器件激光盲孔加工需要控制激光钻的能量参数，如果能量过大，会造成焊盘浮离，更严重会导致的焊盘会被熔化。但如果能量太小，就会出现孔未钻穿的情况。所以进行微孔加工的时候要通过多次试验来调节能量，来寻找合适的参数。1器件背置导通孔连接的常规加工流程为：内层线路制作铣扩孔PP铣槽叠板填充树脂胶，放置器件压合激光钻孔钻孔电镀线路制作阻焊印刷表面处理E-TEST外形3.3 埋置元件PCB示例采用焊接连接方式加工，将0603封装贴片电容、贴片电阻，SOT23封装三极管，0805封装贴片LED贴片焊接在内层芯板上，再经压合埋入PCB内。经过热冲击实验（288，10 s，3次）、切片观察无填胶空洞，无爆板分层。图14 埋置器件切片图对埋入电阻电容无源器件进行测试，在压合后以及回流焊测试后，电阻精度在5%以内，电容精度在10%以内，电阻电容无源器件压合后未失效。图15 埋置器件PCB产品展示采用焊盘连接，将贴片电阻、电容、三极管、LED埋入板内，外层仅焊接电源接头，通电后LED等正常闪烁，器件正常工作。2023春季国际PCB技术/信息论坛180特种印制板制造技术 Special PCB technology4 总结埋入器件技术主要作用是使电子产品小型化，同时缩短布线长度，满足高频高速传输的信号完整性要求。就目前相关的PCB加工技术可以看出埋置元件PCB加工仍存在一定的局限性。随着PCB加工能力的提升，产品也朝着高精细度的方向发展，后续将会有越来越多的封装载板、器件封装等精细化的产品加工技术相结合，使得产品制造的集成化程度越来越高。参考文献1 彭勤卫,丁鲲鹏.埋入分立元件技术开发J.印制电路信息,2013,000(005):104-108.2 赵丕然,赵锋.一种埋置元器件印制板的制作J.印制电路信息,2020,28(12):5.3 黄立湘,罗斌.基于埋入元器件基板技术的功率模块浅析J.印制电路信息,2016,24(A02):6.4 蔡积庆译.埋嵌元件PCB的技术J.印制电路信息,2013(6):7.5 林金堵,吴梅珠.在PCB中埋置有源元件J.印制电路信息,2010(1):23-31.第一作者简介马点成，现任金百泽研究院研发工程师，从事PCB技术研究相关工作。