CN110913579B - 一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法，属于线路板制造领域，一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法，包括线路板体，线路板体包括通过压合方式压合为一体的电介质层、磁性材料层和两个铜层，电介质层位于磁性材料层的上侧，两个铜层分别位于电介质层的上侧和磁性材料层的下侧，磁性材料层通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层底端相连接，磁性材料层的厚度为10‑40um，可以通过对磁性浆料进行优化并结合印刷工艺，得到埋嵌于线路板体内厚度均匀且性能稳定的磁性材料层，操作简单、易实现且成本较低，同时对部分生产工艺流程进行优化和调整，实现内埋磁性材料线路板的样品制作和大规模量产。

Description

一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法

技术领域

本发明涉及线路板制造领域，更具体地说，涉及一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法。

背景技术

无源器件，是指本身不能产生能量，但通常有分流、减少IC震荡以及电路保护等功能的器件，通常指电阻，电容，电感以及它们的一些结合元件。当前无源器件有三种封装方式，分别是SMT(表面贴装)，PTH(通孔直插式元件)和内嵌技术。从上世纪80年代起，SMT技术正式取代PTH技术。然而，更快的放大速度的需求，电子设备尺寸不断减小的趋势以及PCBA可靠性要求的日益严格，使得内嵌式元件技术的出现成为必然。

与电阻和电容相比，电感的研究方向偏少，但是由于在一些电路中如过滤电路有嵌入元件的要求，因而嵌入式电感的研究并非不重要。特别是在电磁感应式无线充电日益风靡的当下，嵌入式电感的研究和开发变得尤为紧要。

对于内嵌电感型线路板，电感的主要结构为磁芯和线圈，磁芯材料的体积和形状限制着内嵌电感线路板的大小。在线路板高密度化及小型化的发展趋势中，磁芯材料的开发，磁芯体积的减小成为当务之急。

现有的内嵌电感型电路板加工过程中，将磁性材料嵌入线路板内的方法有：直接嵌入法和薄膜沉积法，直接嵌入法的优势是磁性材料的选择范围广，但由于材料脆性问题，压合时磁性材料容易破碎，影响产品的性能，因而直接埋入法一般用于埋嵌较厚的磁性材料，薄膜沉积法是通过溅射的方式在线路板上沉积所需嵌入材料的方法，因使用的溅射流程比较昂贵，因而薄膜沉积法制作成本较高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种内嵌磁性材料印刷线路板及其加工方法，它可以通过对磁性浆料进行优化并结合印刷工艺，得到埋嵌于线路板体内厚度均匀且性能稳定的磁性材料层，操作简单、易实现且成本较低，同时对部分生产工艺流程进行优化和调整，实现内埋磁性材料线路板的样品制作和大规模量产。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种内嵌磁性材料印刷线路板，包括线路板体，所述线路板体包括通过压合方式压合为一体的电介质层、磁性材料层和两个铜层，所述电介质层位于磁性材料层的上侧，两个所述铜层分别位于电介质层的上侧和磁性材料层的下侧，所述磁性材料层通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层底端相连接，所述磁性材料层的厚度为10-40um，所述铜层表面蚀刻有至少一个感应线圈，可以通过对磁性浆料进行优化并结合印刷工艺，得到埋嵌于线路板体内厚度均匀且性能稳定的磁性材料层，操作简单、易实现且成本较低，同时对部分生产工艺流程进行优化和调整，实现内埋磁性材料线路板的样品制作和大规模量产。

一种内嵌磁性材料印刷线路板，其加工方法为：

S1、磁性浆料配制，取合适量的树脂、磁粉、辅助性填料和有机溶剂按照一定的配比进行称量，称量后进行混合，将混合后的材料倒入三辊研磨机中进行搅拌和研磨，得到磁性浆料；

S2、磁性浆料印刷，对S1中所得磁性浆料进行丝网印刷工艺，使磁性浆料均匀地落在电介质层上并成膜，得到磁性材料层；

S3、压合，将电介质层、磁性材料层和两个铜层进行叠层排版，采用压合方式使电介质层、磁性材料层和两个铜层形成一体式的线路板体；

S4、钻孔，通过CO₂激光钻孔机对S3中的线路板体进行钻孔操作，使线路板体上得到一定深度和形状良好，残渣少的盲孔；

S5、除胶，通过膨胀流程使孔内树脂和胶渣软化，再通过除胶流程将树脂和胶渣咬蚀去除，在去除胶渣的同时，咬蚀孔壁，使孔壁粗糙以利于化学铜附着；

S6、改善板翘曲，通过调整对应两个铜层间的残铜率来平衡总体应力，抵消因磁性材料造成的板翘曲，达到产品的平整性要求。

进一步的，所述树脂的主要成分为环氧树脂、醇酸树脂和酸酐类固化剂，且三者的比例为3-4：0.5-1：0.2-0.4，环氧树脂和醇酸树脂的配合使用可有效解决环氧树脂体系韧性差的问题，酸酐类固化剂的添加使得树脂体系能够在150-200℃下实现固化，所述磁粉为铁氧体粉、铁粉和铁磁金属合金粉中的一种或多种，磁粉是决定浆料磁性的重要因素，其组成成分、粒径及粒径分布以及初始磁导率对浆料的磁性起着关键性的作用，所述辅助性填料包括抗氧化剂、分散剂、触变剂、流平剂和消泡剂，使值得的磁性浆料具有触变性、流平性和温度性等特点，利于其后续进行印刷操作。

进一步的，在S3中形成线路板体后的铜层表面均匀涂抹有强化药水，所述强化药水主要由硫酸、双氧水和有机化合物组成，硫酸和双氧水将铜层表面咬蚀成微观上的凹凸不平的表面形状，从而增大了铜层与磁性材料层之间的接触面积，同时，强化药水中含有氮元素、氧元素和硫元素的杂环有机化合物在铜层表面形成一层有机金属膜，进而可以增强磁性材料层与铜层之间的结合力。

进一步的，所述S5中除胶流程使用除胶溶液，所述除胶溶液的主要成份为高锰酸钾与氢氧化钠，其中氢氧化钠为催化剂，高锰酸钾为强氧化剂，高锰酸钾可实现咬蚀孔壁的作用，咬蚀能力和溶液浓度及温度成正比，生产过程中通过优化相应参数，使得咬蚀程度更佳。

进一步的，所述线路板体还包括通过压合方式压合为一体的电介质层、磁性材料层、环氧半固化片和两个铜层，所述电介质层、磁性材料层和环氧半固化片从上至下依次排列，两个所述铜层分别位于电介质层的上侧和环氧半固化片的下侧，所述磁性材料层通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层底端相连接，所述磁性材料层的厚度为10-40um，所述铜层表面蚀刻有至少一个感应线圈，通过增设电介质层，使得在压合形成线路板体的过程中，电介质层先由固体被加热成为可流动的液体，在压力作用下，液体与磁性材料层充分接触，经过一段时间的高温后，环氧树脂中的活性官能团一方面发生交联反应，另一方面与磁性材料层表面的极性基团发生化学反应，从而产生结合力。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案可以通过对磁性浆料进行优化并结合印刷工艺，得到埋嵌于线路板体内厚度均匀且性能稳定的磁性材料层，操作简单、易实现且成本较低，同时对部分生产工艺流程进行优化和调整，实现内埋磁性材料线路板的样品制作和大规模量产。

(2)树脂的主要成分为环氧树脂、醇酸树脂和酸酐类固化剂，且三者的比例为3-4：0.5-1：0.2-0.4，环氧树脂和醇酸树脂的配合使用可有效解决环氧树脂体系韧性差的问题，酸酐类固化剂的添加使得树脂体系能够在150-200℃下实现固化，磁粉为铁氧体粉、铁粉和铁磁金属合金粉中的一种或多种，磁粉是决定浆料磁性的重要因素，其组成成分、粒径及粒径分布以及初始磁导率对浆料的磁性起着关键性的作用，辅助性填料包括抗氧化剂、分散剂、触变剂、流平剂和消泡剂，使值得的磁性浆料具有触变性、流平性和温度性等特点，利于其后续进行印刷操作。

(3)在S3中形成线路板体后的铜层表面均匀涂抹有强化药水，强化药水主要由硫酸、双氧水和有机化合物组成，硫酸和双氧水将铜层表面咬蚀成微观上的凹凸不平的表面形状，从而增大了铜层与磁性材料层之间的接触面积，同时，强化药水中含有氮元素、氧元素和硫元素的杂环有机化合物在铜层表面形成一层有机金属膜，进而可以增强磁性材料层与铜层之间的结合力。

(4)S5中除胶流程使用除胶溶液，除胶溶液的主要成份为高锰酸钾与氢氧化钠，其中氢氧化钠为催化剂，高锰酸钾为强氧化剂，高锰酸钾可实现咬蚀孔壁的作用，咬蚀能力和溶液浓度及温度成正比，生产过程中通过优化相应参数，使得咬蚀程度更佳。

(5)线路板体还包括通过压合方式压合为一体的电介质层、磁性材料层、环氧半固化片和两个铜层，电介质层、磁性材料层和环氧半固化片从上至下依次排列，两个铜层分别位于电介质层的上侧和环氧半固化片的下侧，磁性材料层通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层底端相连接，磁性材料层的厚度为10-40um，铜层表面蚀刻有至少一个感应线圈，通过增设电介质层，使得在压合形成线路板体的过程中，电介质层先由固体被加热成为可流动的液体，在压力作用下，液体与磁性材料层充分接触，经过一段时间的高温后，环氧树脂中的活性官能团一方面发生交联反应，另一方面与磁性材料层表面的极性基团发生化学反应，从而产生结合力。

附图说明

图1为本发明的铜层、电介质层和磁性材料层部分的爆炸图；

图2为本发明的铜层、电介质层、磁性材料层和环氧半固化片部分的爆炸图；

图3为本发明的主要的流程图；

图4为本发明的强化药水处理前后铜层表面形貌的对比结构示意图；

图5为本发明的不同残铜率对应板翘曲的结构示意图。

图中标号说明：

1铜层、2电介质层、3磁性材料层、4环氧半固化片、5线路板体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1，一种内嵌磁性材料印刷线路板，包括线路板体5，线路板体5包括通过压合方式压合为一体的电介质层2、磁性材料层3和两个铜层1，电介质层2位于磁性材料层3的上侧，两个铜层1分别位于电介质层2的上侧和磁性材料层3的下侧，磁性材料层3通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层2底端相连接，磁性材料层3的厚度为10-40um，铜层1表面蚀刻有至少一个感应线圈。

请参阅图3，一种内嵌磁性材料印刷线路板，其加工方法为：

S1、磁性浆料配制，取合适量的树脂、磁粉、辅助性填料和有机溶剂按照一定的配比进行称量，称量后进行混合，将混合后的材料倒入三辊研磨机中进行搅拌和研磨，得到磁性浆料；

S2、磁性浆料印刷，对S1中所得磁性浆料进行丝网印刷工艺，使磁性浆料均匀地落在电介质层2上并成膜，得到磁性材料层3；

S3、压合，将电介质层2、磁性材料层3和两个铜层1进行叠层排版，采用压合方式使电介质层2、磁性材料层3和两个铜层1形成一体式的线路板体5；

S4、钻孔，通过CO₂激光钻孔机对S3中的线路板体5进行钻孔操作，使线路板体5上得到一定深度和形状良好，残渣少的盲孔；

S5、除胶，通过膨胀流程使孔内树脂和胶渣软化，再通过除胶流程将树脂和胶渣咬蚀去除，在去除胶渣的同时，咬蚀孔壁，使孔壁粗糙以利于化学铜附着；

S6、改善板翘曲，通过调整对应两个铜层1间的残铜率来平衡总体应力，抵消因磁性材料造成的板翘曲，达到产品的平整性要求。

树脂的主要成分为环氧树脂、醇酸树脂和酸酐类固化剂，且三者的比例为3-4：0.5-1：0.2-0.4，环氧树脂和醇酸树脂的配合使用可有效解决环氧树脂体系韧性差的问题，酸酐类固化剂的添加使得树脂体系能够在150-200℃下实现固化，磁粉为铁氧体粉、铁粉和铁磁金属合金粉中的一种或多种，磁粉是决定浆料磁性的重要因素，其组成成分、粒径及粒径分布以及初始磁导率对浆料的磁性起着关键性的作用，辅助性填料包括抗氧化剂、分散剂、触变剂、流平剂和消泡剂，使值得的磁性浆料具有触变性、流平性和温度性等特点，利于其后续进行印刷操作。

磁性浆料的特殊组成成分使得其具有功能性(磁性)、可印刷特性(粘度、流平性、触变性、稳定性等)、干燥特性、与基材的附着性、耐高温特性以及可靠性等。

磁粉和填料需要以固体颗粒的形式分散在树脂中，两者在树脂中的分散形式为：一是通过机械搅拌或研磨将粉料聚集体在树脂中破碎成所需细小颗粒而分散于树脂中；二是保持分散体系的稳定性，防止固体颗粒在分散体系中絮凝、结固等现象。

三辊研磨机是通过三根辊筒的表面相互挤压及不同速度的摩擦而达到研磨效果，浆料搅拌完成后，浆料需要在三辊研磨机上进行多次研磨才可以达到印刷所要求的细度，每次研磨完成后，浆料的粘度和颗粒分散度(细度)等均有变化，因此在操作过程中，工作人员需要每次对三根辊筒间距和转速比进行优化调整，这样可以保证研磨的效率以及效果，使浆料达到所需要求。

在压合操作中，由于磁性材料层3表面的管能团及形貌不同于通常FR-4的表面，而且其脆性也高于印刷线路板，因此压合过程中的升温速率、加压时机、压力大小、压合温度及其持续时间都需要重新调整，以满足磁性材料压合的要求。

在S3中形成线路板体5后的铜层1表面均匀涂抹有强化药水，强化药水主要由硫酸、双氧水和有机化合物组成，请参阅图4，硫酸和双氧水将铜层1表面咬蚀成微观上的凹凸不平的表面形状，从而增大了铜层1与磁性材料层3之间的接触面积，同时，强化药水中含有氮元素、氧元素和硫元素的杂环有机化合物在铜层1表面形成一层有机金属膜，进而可以增强磁性材料层3与铜层1之间的结合力。

S5中除胶流程使用除胶溶液，除胶溶液的主要成份为高锰酸钾与氢氧化钠，其中氢氧化钠为催化剂，高锰酸钾为强氧化剂，高锰酸钾可实现咬蚀孔壁的作用，咬蚀能力和溶液浓度及温度成正比，生产过程中通过优化相应参数，使得咬蚀程度更佳。

除胶过程中，因胶渣在孔内，且存在部分孔的孔径很小如盲孔的孔径仅约为100μm，除化学手段外，还可通过物理方法辅助溶液进入孔内，帮助孔内溶液交换以达到良好除胶的目的，如在膨胀槽和除胶槽加装振动和摇摆，并优化作业参数，以期达到孔内液体和槽液的充分循环交换；在膨胀槽加装过滤及超声波振动，加强孔内不溶性废物的清理；在除胶槽加装打气，使氧化反应产生的氧气得以及时带出，使氧气不易附着在槽内而影响除胶效果。

请参阅图5，由于磁性材料层3与电介质层2或铜层1的膨胀系数不同，进而导致线路板体5应力大小不一，容易引起成品线路板体5的翘曲，当线路板体5上的两个铜层1相同时，铜层1和电介质层2之间由于热膨胀系数不同而产生的应力可以互相抵消，线路板体5的外观表现为平整，无翘曲，当在线路板体5上下两边蚀刻出线路后，线路板体5两边所留下的铜面积不一残铜率不同，当线路板体5上表面残铜率为10％，下表面为80％，该种情况下线路板体5将弯向残铜率大的一面，因此，在确定了嵌入磁性材料板翘曲的方向和程度后，即可在操作前就调整好不同线路层的残铜率，来抵消因磁性材料造成的板翘曲，达到产品的平整性要求。

请参阅图2，线路板体5还包括通过压合方式压合为一体的电介质层2、磁性材料层3、环氧半固化片4和两个铜层1，电介质层2、磁性材料层3和环氧半固化片4从上至下依次排列，两个铜层1分别位于电介质层2的上侧和环氧半固化片4的下侧，磁性材料层3通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层2底端相连接，磁性材料层3的厚度为10-40um，铜层1表面蚀刻有至少一个感应线圈，通过增设电介质层2，使得在压合形成线路板体5的过程中，电介质层2先由固体被加热成为可流动的液体，在压力作用下，液体与磁性材料层3充分接触，经过一段时间的高温后，环氧树脂中的活性官能团一方面发生交联反应，另一方面与磁性材料层3表面的极性基团发生化学反应，从而产生结合力；线路板体5中增设了电介质层2后，其后续加工流程同上。

可以通过对磁性浆料进行优化并结合印刷工艺，得到埋嵌于线路板体5内厚度均匀且性能稳定的磁性材料层，操作简单、易实现且成本较低，同时对部分生产工艺流程进行优化和调整，实现内埋磁性材料线路板的样品制作和大规模量产。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种内嵌磁性材料印刷线路板，包括线路板体(5)，其特征在于：所述线路板体(5)包括通过压合方式压合为一体的电介质层(2)、磁性材料层(3)和两个铜层(1)，所述电介质层(2)位于磁性材料层(3)的上侧，两个所述铜层(1)分别位于电介质层(2)的上侧和磁性材料层(3)的下侧，所述磁性材料层(3)通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层(2)底端相连接，所述磁性材料层(3)的厚度为10-40um，所述铜层(1)表面蚀刻有至少一个感应线圈；

其加工方法为：

S1、磁性浆料配制，取合适量的树脂、磁粉、辅助性填料和有机溶剂按照一定的配比进行称量，称量后进行混合，将混合后的材料倒入三辊研磨机中进行搅拌和研磨，得到磁性浆料；

S2、磁性浆料印刷，对S1中所得磁性浆料进行丝网印刷工艺，使磁性浆料均匀地落在电介质层(2)上并成膜，得到磁性材料层(3)；

S3、压合，将电介质层(2)、磁性材料层(3)和两个铜层(1)进行叠层排版，采用压合方式使电介质层(2)、磁性材料层(3)和两个铜层(1)形成一体式的线路板体(5)；

S4、钻孔，通过CO 2 激光钻孔机对S3中的线路板体(5)进行钻孔操作，使线路板体(5)上得到一定深度和形状良好，残渣少的盲孔；

S5、除胶，通过膨胀流程使孔内树脂和胶渣软化，再通过除胶流程将树脂和胶渣咬蚀去除，在去除胶渣的同时，咬蚀孔壁，使孔壁粗糙以利于化学铜附着；

S6、改善板翘曲，通过调整对应两个铜层(1)间的残铜率来平衡总体应力，抵消因磁性材料造成的板翘曲，达到产品的平整性要求；

所述树脂的主要成分为环氧树脂、醇酸树脂和酸酐类固化剂，且三者的比例为3-4：0.5-1：0.2-0.4，所述磁粉为铁氧体粉、铁粉和铁磁金属合金粉中的一种或多种，所述辅助性填料包括抗氧化剂、分散剂、触变剂、流平剂和消泡剂；

在S3中形成线路板体(5)后的铜层(1)表面均匀涂抹有强化药水，所述强化药水主要由硫酸、双氧水和有机化合物组成；

所述S5中除胶流程使用除胶溶液，所述除胶溶液的主要成份为高锰酸钾与氢氧化钠；

所述线路板体(5)还包括通过压合方式压合为一体的电介质层(2)、磁性材料层(3)、环氧半固化片(4)和两个铜层(1)，所述电介质层(2)、磁性材料层(3)和环氧半固化片(4)从上至下依次排列，两个所述铜层(1)分别位于电介质层(2)的上侧和环氧半固化片(4)的下侧，所述磁性材料层(3)通过丝网印刷方式印刷磁性浆料成膜与电介质层(2)底端相连接，所述磁性材料层(3)的厚度为10-40um，所述铜层(1)表面蚀刻有至少一个感应线圈。

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