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）

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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.

　　CORE&ASSOCIATE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。

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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。