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）

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最关心的方面。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，第一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，并再一次成为焦点，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，同时获得精确的阻值；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。最后使用减成法蚀刻出铜线路和平面电阻。

本研究使用Ohmega-Ply 电阻材料制作内埋电阻，方阻值分别为25 Ω/米和100 Ω/米，压合在FR-4基材上。基本参数见表1.

PTF电阻使用标准厚膜制造技术制造。所有都使用Electra Polymers & Chemical Ltd （表2）的电阻膏，黄色PET网版（77T）和25 μm的吸附水膜网印。

调查了几种与导线连接的电阻的结构和材料，比如铜（Cu）（图1a），不对称设计的铜（图1b），镍金（图1c），和银（图1d）。不对称电阻导线连接设计是为了补偿机械应力（图1b），而化学镀镍金层或银层（Electrodag PF-050电阻膏）是用来保护铜面的。

薄膜电阻和聚合厚膜条形电阻设计成三种结构，1.5 mm×4 square,1.0 mm×2 squares,和0.5 mm×1square.另外，薄膜电阻设计成三种基本形状，条状，多条状，和弯曲状，电阻线路宽度分别为1.4 mm、1 mm和0.75 mm.测试板T1,160 mm×160 mm,使用Ohmega-Ply材料，内含240个成形的薄膜电阻，电阻外部压合覆树脂铜箔（RCC）。测试板T2,177 mm×192 mm,在FR4层压板上网印189个厚膜电阻，外部压合RCC材料。

3热效应实验

内埋式电阻作业时的热稳定性是埋电阻技术是否成功的关键因素。电流通过电阻时产生热量，并且会迅速从印制板扩散至周边环境。该过程热扩散采用FLIR A320热像仪测试（两个精密镜头、HMP2020 HAMEG电源）。在温度测量前，当设定好电阻层辐射率、环境温度和相对湿度等相机参数后，相机会自动完成各种辐射源的补偿。

本文研究了表面薄膜电阻和内埋式薄膜电阻（条状、多条状和弯曲状）及聚合厚膜条状电阻内部的温度分布热成像状况，后者以压合RCC（覆树脂铜箔）作为最外层。

图2为非内埋薄膜和厚膜条状电阻的热成像。

观察薄膜电阻所有热成像记录，沿电阻周边温度分布并不完全相同。条状电阻的温度最高点通常出现在电阻的中心部位。而高热量区域和差距明显的低温区域会互相转换。连接铜导线区域的散热状况明显更好。薄膜电阻中的弯曲状的电阻，热量聚集在拐角内部，因此这些区域更易受到损伤。

聚合厚膜电阻的热量分布更有规律（图2b）电阻中心部分是热量最高点。从电阻中心向边缘以及接触端，热量均匀递减。

内埋电阻的热成像图形和非内埋电阻几乎相同，可能是因为压合在表面的树脂非常薄（60 μm）。

图3展示了条状薄膜电阻表面的温度变化状况。

运行时，电阻很快升至平均78 ℃±4 ℃，并在观测过程中一直保持该稳定温度。

电阻超过额定功率运行时会导致温度过高，达到强度临界点后造成电阻损伤。温度过高受损电阻的热成像图形见图4,该类电阻温度变化见图5.电阻可以被超载电流加热至300 ℃以上，窄小部位最容易积聚热量，是电阻热效应最强的地方，进而造成其烧焦损伤。

内埋电阻有各种不同的热损伤，取决于电阻种类和周边的树脂材料（通常为环氧树脂）。

薄膜NiP电阻位于FR-4层压板表面，热损伤主要由FR-4层压板树脂分解引起的。高温下树脂分解产生气体，并造成电阻表面撕裂，如图6a所示，同时可以观测到被碳化的树脂材料。

厚膜电阻在烘烤固化时，高分子聚合材料也出现了分解状况。电流通过电阻，电阻温度明显升高，聚合材料出现烧伤状况，该损伤在光效下表现为亮红色和亮黄色表面。聚合电阻材料的热衰解造成的裂纹，通常在电阻的中心部位（图6b）。