CN101605433B - 一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，其特征在于，采用激光钻孔机在蚀刻补偿的基础上进行激光切割来精确控制电阻的长宽尺寸。本发明可以有效提高由于侧蚀因素造成的阻值精度的偏差。通过本发明可控制隐埋电阻工艺中阻值的精度偏差不大于10％。本发明虽然不能将电阻控制的精度达到1％，但在不增加一般PCB厂家设备投入成本的情况下，可以大幅度地提高隐埋电阻的精度，有很大的实际使用优势。

Description

一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法

技术领域

本发明涉及一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，该加工方法能提高隐埋电阻阻值精度。本发明适用于印刷电路板(PCB)的隐埋电阻工艺。

背景技术

随着电子产品向短小轻薄以及多功能模块化集成方向发展，作为安装元器件的母板-PCB板也要求线路更精细、更密集，同时也要求能给主动芯片预留更多的贴装空间，因此隐埋无源器件，如隐埋电容、电阻和电感技术逐渐成为PCB发展的一种必然趋势。隐埋无源器件技术不仅可以减少贴装费用，而且相同设计条件下可缩小板面尺寸。由于无源器件被埋入PCB中，因此信号传输距离也得以缩短，这可以降低电磁干扰，提高信号完整性；与此同时器件焊点数减少也可大大提高产品可靠性。

隐埋电阻技术是隐埋无源器件工艺中的一种，即指安装电阻被全部或部分埋入PCB板内，这给主动芯片预留了更多的贴装空间。采用隐埋电阻技术后，电阻的可靠性与制造成本是考虑的主要因素，除此之外，电阻的精度也需要特别关注。一般贴片式的电阻精度可以达到1％，而当电阻起到限流和上拉的作用时，其阻值偏差要求小于10％，因此埋入的电阻偏差最好要小于该数值。

对隐埋电阻的设计主要有2种，一种是直线型电阻(参见图1)，另一种是蛇形电阻。对于10KΩ以上的电阻，其长宽比较大，为不影响其它线路的排布，通常将此类电阻设计成蛇形。其中蛇形电阻又有普通蛇形电阻(参见图2)和改良型蛇形电阻(参见图3)，由于普通蛇形电阻的线路拐角存在“拐角效应”，会造成电阻的理论计算比较复杂，所以通常将普通的蛇形电阻设计改变成多条精细小电阻的串联，此种方式也称为改良型蛇形电阻设计。

目前实现隐埋电阻的技术大致有两种：厚膜技术和薄膜技术。所谓厚膜技术就是使用电阻浆料在印刷电路板上形成电阻图形，其制作方法如下：

1、丝网印刷：将特殊配比的电阻浆料用网印的方式印在需要安置电阻的板面上；

2、烘干；

3、曝光、显影、蚀刻，形成电阻图形；

4、印刷绝缘层或电阻层；

5、重复1、2、3、4步骤直到得到要求的电阻厚度。

厚膜技术的优点是与PCB工厂现有设备兼容，制作简单快速，而且由于所选用的材料一般电阻率较大，因此适合制作阻值较大的电阻；缺点是由于电阻的大小完全受制于电阻的三维尺寸，加上丝网技术本身控制尺寸的精度不高，因此该厚膜技术形成的电阻阻值精度偏差一般小于20％左右。

所谓薄膜技术就是使用一种电阻层1与铜箔3组成的特殊电阻铜箔10(参见图4)来代替普通铜箔进行层压形成印刷电路板。其电阻层一般为镍磷、镍镉和镍镉铝硅等合金层。其隐埋电阻的制作方法如下(以制作1层隐埋电阻层为例)：

1、层压：将电阻铜箔10与普通介质材料构成的介质层4如FR4层压，形成内层具有电阻层的印刷电路板(参见图5)

2、第一次蚀刻：采用普通蚀刻方法将铜箔3与电阻层1一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层1上仍然覆盖着铜层。(参见图6)

3、第二次蚀刻：采用选择性蚀刻将电阻铜箔10上的铜箔3层蚀刻掉，露出电阻图形(参见图7)

在上述技术中，电阻的尺寸由以下公式(I)来计算：

R＝(b/a)×R_s                        (I)

其中；R_s＝ρ/H

以上计算公式中，ρ为材料电阻率，b为裸露的电阻层在两电极间的理论间隔尺寸，a为裸露的电阻层在垂直于b方向的理论尺寸，H为材料厚度，R_s一般称为材料方阻。采用蚀刻制作薄膜电阻的优点是工艺简单，只要利用PCB常规生产设备即可进行生产，无需其他投入。阻值精度较厚膜法比，有一定的提高。

为了进一步确保阻值的精度，常规的薄膜方法有蚀刻补偿法和激光修正法(LaserTrimming)。蚀刻补偿法是通过研究蚀刻液对电阻的侧蚀规律，得到电阻的补偿值。其根本原因是在蚀刻加工过程中，实际的材料方阻R_s，以及a与b的加工尺寸会和理论尺寸有一定的偏差，因此需要对设计值进行必要的修正。利用蚀刻补偿法，其精度偏差能达到小于15％。

激光修正法(Laser Trimming)是指在电阻图形形成后，利用特殊的激光修正设备来修正阻值。在该过程中，待修正电阻通过探针连接到一个高速测试系统上，同时利用激光切割来改变电阻的长宽数值。在激光烧蚀过程中，测试系统会实时监测电阻的变化，当电阻达到设定值时，激光系统自动停止修正，最终偏差可达1％。激光修正技术固然可实现高精度精细电阻的加工，但总体来讲操作较为繁琐、成本极其高昂，因此在隐埋电阻工艺中使用范围较窄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种精确且无需额外增加成本的实现稳定阻值的印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，即利用大部分PCB生产厂家拥有的激光钻孔机，在蚀刻补偿的基础上进行阻值修正。和激光修正技术(Laser Trimming Technology)相对应，本发明可以称之为激光制造技术(Laser Fabrication Technology)。和激光修正技术不同的是，激光修正技术是在电阻制造完成后对电阻的形状进行修正，而激光制造技术是指在电阻制造过程中控制电阻的形状，进而控制电阻的阻值精度。通过研究发现，如果利用激光制造技术来控制电阻a方向实际的加工尺寸，电阻的精度可以控制在10％以内；如果利用激光制造技术同时控制电阻的a和b的加工尺寸，电阻的精度可以进一步提高。该方法虽然不能将电阻控制的精度达到1％，但在不增加一般PCB厂家设备投入成本的情况下，可以大幅度地提高隐埋电阻的精度，有很大的实际使用优势。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，其特征在于，采用激光钻孔机在蚀刻补偿的基础上进行激光切割来精确控制电阻的长宽尺寸。

上述加工方法中，具体是指在经过第一次蚀刻和第二次蚀刻后，依据待激光加工的垂直于b方向上的尺寸a₂和裸露的电阻层在两电极间隔的实际测量尺寸b₂，使用UV或CO₂激光来加工电阻。

更进一步的是：上述待激光加工的垂直于b方向上的尺寸a₂的计算公式(VI)为：

$a_2=b_2\×\frac{R_S^{\′}}{R}---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中：R：为目标阻值；R′_S：为修正后的电阻层方块电阻。

上述修正后的电阻层方块电阻R′_S可以由以下公式(III)计算得到：

$R_S^{\′}=R_1\×\frac{a_1}{b_1}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中：R₁：为完成电阻制作后，实际测量的电阻值；

a₁：实际测量的电阻a方向的尺寸；

b₁：实际测量的电阻b方向的尺寸。

上述第一次蚀刻是按a’尺寸进行普通蚀刻，将铜箔与电阻层一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层1上仍然覆盖着铜箔3层。其中：a’尺寸由如下公式(V)计算而得：

a’＝a+Δa………………(V)

其中：a’：a修正后的蚀刻加工尺寸；

a：裸露的电阻层在垂直于b方向的理论尺寸；

Δa：a方向补偿量，根据工艺的不同而选择，一般在5um-300um。

上述第二次蚀刻是按b’尺寸进行选择性蚀刻，将电阻铜箔10上的铜箔3层蚀刻掉，露出电阻图形。其中：b’尺寸由如下公式(IV)计算而得：

b’＝b+Δb………………(IV)

其中：b’：b修正后的蚀刻加工尺寸；

b：裸露的电阻层在两电极间的理论间隔尺寸；

Δb：b方向补偿量，根据工艺的不同而选择，一般在5um-300um。

本发明可以有效提高由于侧蚀因素造成的阻值精度的偏差。通过本发明可控制隐埋电阻工艺中阻值的精度偏差不大于10％。

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

附图说明

图1为直线型隐埋电阻的结构示意图。

图2为普通的蛇形电阻的结构示意图。

图3为改良型的蛇形电阻结构示意图。

图4为现有薄膜技术所使用的电阻铜箔的结构示意图。

图5为现有薄膜技术中具有隐埋电阻层的印刷电路板结构示意图。

图6为现有薄膜技术第一次蚀刻后得到电阻图形示意图。

图7为现有薄膜技术第二次蚀刻得到电阻图形示意图。

图8为本发明的具有隐埋电阻层的印刷电路板结构示意图。

图9为本发明第一次蚀刻后得到电阻图形示意图。

图10为本发明第二次蚀刻得到电阻图形示意图。

图11为本发明使用UV或CO₂激光来加工电阻的切割轨迹图。

图12为本发明使用UV或CO₂激光来加工直线型电阻的切割示意图。

图13为本发明使用UV或CO₂激光来加工蛇形电阻蚀刻后的示意图

图14为本发明使用UV或CO₂激光来加工蛇形电阻的切割示意图。

图中：1-电阻层，2-电极，3-铜箔，4-介质层，10-电阻铜箔，20-印刷电路板，30-用于打断电气连接的激光切割轨迹，40-用于加工电阻尺寸的激光切割轨迹，50-蛇形电阻图形。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，利用大部分PCB生产厂家拥有的激光钻孔机，在蚀刻补偿的基础上进行激光切割来精确控制电阻的长宽尺寸，能有效提高由于侧蚀因素造成的阻值精度的偏差。通过本发明可控制隐埋电阻工艺中阻值的精度偏差不大于10％。

具体步骤如下：

第一步：理论计算确定蚀刻的加工尺寸b’与a’

首先根据公式(II)，确定隐埋电阻的尺寸a和b；

$R=\frac{b}{a}\×R_S^{\′}\·\·\·\left(\mathrm{II}\right)$

其中R为目标阻值，R′_S为修正后的隐埋电阻层的方块电阻，b为裸露的电阻层在两电极间的理论间隔尺寸，a为裸露的电阻层在垂直于b方向的理论尺寸；

公式(II)中的R′_S由预先进行的实验总结得到，计算方法为公式(III)：

$R_S^{\′}=R_1\×\frac{a_1}{b_1}\·\·\·\left(\mathrm{III}\right)$

公式(III)中：

R′_S：为修正后的电阻层方块电阻；

R₁：为完成电阻制作后，实际测量的电阻值；

a₁：实际测量的电阻a方向的尺寸；

b₁：实际测量的电阻b方向的尺寸；

其次，在实际加工过程中，由于侧蚀现象的发生，蚀刻会引入系统偏差。因此为了控制得到理论的a和b的尺寸，需要在公式(III)计算的基础上，加上或减去蚀刻的补偿量以得到b修正后的蚀刻加工尺寸b’和a修正后的蚀刻加工尺寸a’；其计算公式分别为公式(IV)和公式(V)：

b’＝b+Δb………………(IV)

a’＝a+Δa………………(V)

其中：

a’：a修正后的蚀刻加工尺寸；

b’：b修正后的蚀刻加工尺寸；

b：裸露的电阻层在两电极间的理论间隔尺寸；

a：裸露的电阻层在垂直于b方向的理论尺寸；

Δa：a方向补偿量，根据工艺的不同而选择，一般在5um-300um；

Δb：b方向补偿量，根据工艺的不同而选择，一般在5um-300um。

第二步：参见图8，层压：将电阻铜箔10与普通介质材料构成的介质层4如FR4层压，形成内层具有电阻层1的印刷电路板20；

第三步：参见图9，第一次蚀刻：按a’尺寸进行普通蚀刻，将铜箔3与电阻层1一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层1上仍然覆盖着铜箔3层；

第四步：参见图10，第二次蚀刻：按b’尺寸进行选择性蚀刻，将电阻铜箔10上的铜箔3层蚀刻掉，露出电阻图形。虽然在该步骤中采用了蚀刻补偿，但是完成后测量得到的尺寸(定义为b₂)仍然和理论尺寸b有偏差；

第五步：确定激光加工的尺寸：根据以下公式(VI)确定激光加工的a₂尺寸

$a_2=b_2\×\frac{R_S^{\′}}{R}---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中a₂：待激光加工的垂直于b方向上的尺寸；

R：为目标阻值；

R′_S：为修正后的电阻层方块电阻；

b₂：裸露的电阻层在两电极间隔的实际测量尺寸；

第六步：参见图11，使用UV或CO₂激光来加工电阻，沿着b尺寸方向，按照第五步所计算的待激光加工的尺寸a₂来切割电阻层。在垂直于b尺寸方向，至少要切割一次，以隔断边缘电阻层1的电气连接如30。图11中的粗实线部分为激光切割的轨迹40。

以下实施例仅是对本发明的进一步解释，并不构成对本发明的限制。

实施例1：

采用50欧姆方阻的材料，加工完成250欧姆的目标电阻。

计算：电阻宽度a设定为500um，根据经验，50欧姆方阻的材料经过修正工艺后方阻率R′_S为51.55，则电阻蚀刻长度b’为250/51.55*500-10＝2414.83um，其中250为目标电阻值，10为蚀刻补偿量。为了便于实验测试的需要，在该实施例中电阻蚀刻宽度的加放没有采用常规的加放值(5um-300um)，而是将a’定为a’＝500+3000＝3500um。

层压：参见图8，将电阻铜箔10与普通介质材料构成的介质层4如FR4层压，形成内层具有电阻层1的印刷电路板20。

第一次蚀刻：参见图9，按600um尺寸进行普通蚀刻，将铜箔3与电阻层1一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层上仍然覆盖着铜层。

第二次蚀刻：参见图10，按b’尺寸采用选择性蚀刻，将电阻铜箔10上的铜箔3层蚀刻掉，露出电阻图形。

参见图12，激光加工的尺寸：根据测量，实际电阻长度b₂平均值约为2424um，计算得到a₂为499.83um。采用UV激光按照a₂尺寸切割后的照片如图12所示。

实施例2：

采用25欧姆方阻的材料，加工完成2500欧姆的目标电阻。

1.计算：

a)采用蛇形电阻设计，共10根电阻条串联方式。设定电阻理论宽度a＝250um，间距为100um。

b)根据经验，25欧姆方阻的材料经过修正工艺后方阻率R′_S为25.25，拐角处的角顶电阻必须乘上系数0.559。在该设计中，共有10个纵向电阻，9个横向电阻和18个角顶电阻，则理论长度b可以有下式计算得到：b＝2133.70um

$\frac{b}{250}\×10+\frac{100}{250}\×9+18\×0.559=\frac{2500}{25.25}$

考虑到蚀刻补偿值300um，蚀刻加工尺寸b′＝b+Δb＝2433.70um

c)在该设计中，有10根电阻条串联，因此电阻蚀刻宽度a’定为250*10+100*9+300＝3700um，其中300um为蚀刻和对位补偿值(如图13所示)。

2.层压：参见图8，将电阻铜箔10与普通介质材料构成的介质层4如FR4层压，形成内层具有电阻层的印刷电路板20。

3.第一次蚀刻：参见图9，按计算尺寸进行普通蚀刻，将铜箔3与电阻层1一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层上仍然覆盖着铜层。

4.第二次蚀刻：按照图13所示的尺寸进行选择性蚀刻。

5.激光切割：按照图14所示激光切割轨迹40将电阻层上电阻材料1铣去，露出蛇形电阻图形50。同时也用激光切割30打断电气连接。在该实施例中激光加工的尺寸即为理论计算值，切割的每根电阻长度b为2133.70um，宽度250um。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种印刷电路板中隐埋电阻的加工方法，其特征在于，采用激光钻孔机在蚀刻补偿的基础上进行激光切割来精确控制电阻的长宽尺寸；

具体是指在经过第一次蚀刻和第二次蚀刻后，依据待激光加工的垂直于b方向上的尺寸a₂和裸露的电阻层在两电极间隔的实际测量尺寸b₂，使用UV或CO₂激光来加工电阻；

所述待激光加工的垂直于b方向上的尺寸a₂的计算公式(VI)为：

$a_2=b_2\×\frac{R_S^{\′}}{R}---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中：R：为目标阻值；R′_S：为修正后的电阻层方块电阻；

所述修正后的电阻层方块电阻R′_S可以由以下公式(III)计算得到：

$R_S^{\′}=R_1\×\frac{a_1}{b_1}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中：R₁：为完成电阻制作后，实际测量的电阻值；

a₁：实际测量的电阻a方向的尺寸；

b₁：实际测量的电阻b方向的尺寸；

上述第一次蚀刻是按a修正后的蚀刻加工尺寸a’尺寸进行普通蚀刻，将铜箔与电阻层一起蚀刻掉，形成电阻线路图形，但电阻层(1)上仍然覆盖着铜箔(3)层；其中：修正后的蚀刻加工尺寸a’由如下公式(V)计算而得：

a’＝a+Δa………………(V)

其中：a：裸露的电阻层在垂直于b方向的理论尺寸；

Δa：a方向补偿量；

所述第二次蚀刻是按b’尺寸采用选择性蚀刻，将电阻铜箔(10)上的铜箔(3)层蚀刻掉，露出电阻图形，其中：b修正后的蚀刻加工尺寸b’由如下公式(IV)计算而得：

b’＝b+Δb………………(IV)

其中：b：裸露的电阻层在两电极间的理论间隔尺寸；

Δb：b方向补偿量。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，Δa根据工艺的不同而选择在5um-300um之间。

3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，Δb根据工艺的不同而选择在5um-300um。

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