CN117794053A - 一种埋嵌金刚石铜高散热pcb及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋嵌金刚石铜高散热PCB及其制作工艺，PCB包括多层电路板，所述多层电路板的相邻芯板之间设置有介质层A，所述多层电路板上至少设置有一处贯穿多层芯板和介质层A的PTH孔，所述多层电路板内嵌有金刚石铜散热器，所述金刚石铜散热器的侧面与多层电路板之间设置有粘接层；本发明通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，不仅解决高散热PCB产品整板使用金属基设计所带来的高昂材料成本的问题，且解决使用金属基产品无法实现高密、多层互联设计的问题，同时还解决高散热PCB埋嵌产品散热器选用铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)制作过程中由于散热器粗糙度差导致压合后结合力差的问题。

Description

一种埋嵌金刚石铜高散热PCB及其制作工艺

技术领域

本发明属于印制电路板相关技术领域，具体涉及一种埋嵌金刚石铜高散热PCB及其制作工艺。

背景技术

电子通讯行业及车载电子不断发展，相关的线路板产品要求也越来越高，都趋向于微型化，多功能化，因此对线路板散热性能要求越来越高。

现行业内高散热性能的产品主要分布以下制作工艺：

1:金属基产品，此类产品原材料成本高，很难实现多高层产品的制作；

2:厚铜产品，此类产品散热效果良好，主要劣势在于无法制作精密布线，产品存在局限性；

3:埋铜块，埋陶瓷(氮化铝、氧化铝)产品热导率不足以满足行业内超高散热要求的产品，产品存在局限性；

主要表现为：(1)铜块及陶瓷块(氮化铝、氧化铝)作为散热器的产品因散热器自身的导热率有限，此类产品分层爆板风险较大，产品使用寿命有限；

(2)铜块和陶瓷块(氮化铝、氧化铝)散热器表面粗糙度较小，压合后与介质层结合能力不够，同时散热器表面粗糙度较小与防焊及其他镀层结合能力不够，在长时间的苛刻环境下产品失效风险较大。

(3)铜块和陶瓷块(氮化铝、氧化铝)其热膨胀系数都是固定的，无法匹配与散热器热膨胀系数差距较大的半固化片及树脂油墨及其他的绝缘材料，热膨胀系数差距过大时产品极易出现开裂分层等品质异常，所以埋嵌产品选材存在一定程度的限制。

现有工艺的问题：

以上行业内高散热性能的产品除了成本高、布线局线以及制作工艺存在一系列问题以外，对于散热要求极高的电子元器件，也无法满足其导热的需求，特别是5G射频芯片，在高发热的元器件工作时，金属基板、厚铜板、嵌铜块及嵌陶瓷块(氮化铝、氧化铝)产品已经不能满足其散热需求。

因此，目前散热PCB产品有待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种埋嵌金刚石铜高散热PCB及其制作工艺，以解决上述背景技术中提出的解决高散热PCB产品使用金属基设计所带来的高昂材料成本的问题；同时解决使用金属基产品无法实现高密、多层互联设计的问题；

解决高散热PCB埋嵌产品散热器选用铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)制作过程中由于散热器粗糙度差导致压合后结合力差的问题；

解决高散热PCB埋嵌产品散热器选用铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)散热性能不够的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，包括所述多层电路板的相邻芯板之间设置有介质层A，所述多层电路板上至少设置有一处贯穿多层芯板和介质层A的PTH孔，所述多层电路板内嵌有金刚石铜散热器，所述金刚石铜散热器的侧面与多层电路板之间设置有粘接层。

优选的，所述多层电路板最外侧两芯板背离介质层A的一侧均设置有介质层B，所述介质层B的外侧均设置有铜箔，所述介质层B和铜箔的内部设置有镭射孔。

优选的，所述多层电路板最外侧其中一个芯板背离介质层A的一侧设置有介质层B，所述介质层B的外侧设置有铜箔，所述介质层B和铜箔的内部设置有镭射孔。

优选的，所述粘结层的材质为树脂或铜浆。

优选的，所述金刚石铜散热器的侧壁及表面结构呈蜂窝结构。

优选的，所述金刚石铜散热器的导热系数达到700-800W/m·K。

本发明还公开了一种埋嵌金刚石铜高散热PCB的制作工艺，包含以下步骤：

S1：制作多层电路板；

S2：在多层电路板上锣出嵌金刚石铜槽；

S3：制作金刚石铜；

S4：将金刚石铜通过压合嵌入多层电路板内；

S5：在金刚石铜和多层电路板之间采用粘接层进行固定。

优选的，所述金刚石铜散热器(6)为金刚石颗粒与金属粉的混合均匀后烧结成型。

优选的，所述金钢石铜的埋嵌结构包括贯穿式埋嵌、内埋式埋嵌和半埋式埋嵌。

优选的，所述金钢石铜的埋嵌方法可以采用压合后塞树脂或塞铜浆，或者采用半固化片压合流胶固定。

与现有技术相比，本发明提供了一种埋嵌金刚石铜高散热PCB及其制作工艺，具备以下有益效果：

1、通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，解决高散热PCB产品整板使用金属基设计所带来的高昂材料成本的问题；同时解决使用金属基产品无法实现高密、多层互联设计的问题。

2、通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，解决高散热PCB埋嵌产品散热器选用铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)制作过程中由于散热器粗糙度差导致压合后结合力差的问题。

3、通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，解决高散热PCB埋嵌产品散热器选用铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)散热性能不够的问题。

4、通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，其金刚石铜具备硬度大，耐磨性能极佳的特点，在生产过程中可有效的降低产品生产过程中擦花，压伤报废的问题。

5、通过在PCB内采用埋嵌金刚石铜散热器，由于散热器材料热膨胀系数可调节，可匹配行业内多种半固化片，树脂油墨及绝缘材料，产品选材上更加的多样性，解决产品选材上限制。

附图说明

图1为本发明中贯穿型叠构的结构示意图。

图2为本发明中内埋型叠构的结构示意图。

图3为本发明中半埋型叠构的结构示意图。

图4为本发明中后嵌式叠构的结构示意图。

图5为本发明中金刚石铜散热器内部的结构示意图。

图中：1、介质层A；2、芯板；3、介质层B；4、树脂；5、镭射孔；6、金刚石铜；7、铜箔；8、PTH孔；9、电镀铜。

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。

本发明主要采用多张芯板与半固化片及散热块压合的技术方案，可根据客户的要求选择不同层数的PCB产品，同时可根据客户需要选择不同厚度的金刚石铜，厚度规格可以根据PCB厚度选择，例如0.5-4.0mm。平面尺寸及外形可根据产品设计尺寸形状的金刚石铜，形状包括但不限于正方形，长方形，圆形、菱形、多边形等。

其中一种埋嵌金钢石铜高散热PCB制作工艺，其特征在于散热器材料为金钢石铜，金钢石铜其结构为采用金钢石颗粒与金属粉混合均匀后烧结而成。

进一步地，金钢石铜烧结前其金钢石颗粒及金属粉配比可以根据PCB板材料的热膨胀系数要求进行调节，(即根据PCB热膨胀系数来确定金钢石铜材料中的金钢石颗粒与金属粉的配比)，在将金钢石铜压合进PCB结构中时，由于金钢石铜的热膨胀系数与PCB板压合的半固化片一致性高，进而压合后由于金钢石铜与半固化片热膨胀系数极差小，压合后金钢石铜与PCB整板的平整度更好，以及压合固定的结合力更好。(注：热膨胀系数极差越大，压合后分层及开裂的问题越严重)。

进一步地，金钢石铜其材料采用金钢石颗粒与金属粉混合均匀后烧结而成，烧结成型后的金钢石铜内部结构因存在金钢石颗粒的原因，其侧壁及表面结构呈类似于蜂窝结构(如图5所示)，以使得金铜石铜表面粗糙度更高，在将金钢石铜嵌入PCB板内压合时，由于金钢石铜表面粗糙度更高，可以更好的让散热器与树脂及其他材料的介质层趋于一体化，大幅提高了散热器与的半固化片，树脂及其他材料的介质层结合效果，进而压合后金钢石铜散热器与PCB板材结合力更好。

进一步地，金钢石铜采用金钢石颗粒与金属粉烧结而成，其金钢石铜表面粗糙度较高，有助于后续元器件焊接的稳定性，(其粗糙度越高，焊接稳定性越好)。

注：由于金钢石铜其热膨胀系数可调整，配合金钢石铜表面粗糙较高，在PCB板内埋嵌金铜散热器后，其散热器与PCB结合力更好，可以解决行业中在PCB板内埋嵌铜块或陶瓷块(氮化铝、氧化铝)因其热膨胀系数固定以及表面粗糙度较低造成的压合后分层开裂，甚至使散热器脱落的问题。

进一步地，金钢石铜中的金刚石颗粒材料是热导率最高的材料之一(各种材料导热系数情况如表1)，其导热系数达到2000-2200W/m·K，其热导率值是铜的5倍。金刚石原子由简单的碳主链组成，这是一种能有效传热的理想分子结构。本方案采用金钢石颗粒与金属粉混合后烧结的金钢石铜其导热系数也能达到700-800W/m·K，在PCB板内埋嵌散热器的应用中，行业内使用的铜及陶瓷(氮化铝、氧化铝)的导热系数都不如铜的导热系数，具体差异如表1所列。本方案将PCB板内埋嵌散热器采用金钢石铜，对于发热大的元器件的应用过程中能够更好的将元器件热量通过金钢石铜从元器件中吸走，从而可以更好的提高热量元器件的使用寿命。

表1导热材料导热系数对比表

进一步地，金钢石铜中的金刚石颗粒材料其硬度远大于铜和陶瓷(氮化铝、氧化铝)的硬度，在完成PCB板内埋嵌散热器后，由于金刚石铜散热器其硬度大，耐磨性能好，生产过程相较于铜和陶瓷(氮化铝、氧化铝)而言，更不易造成擦花及压痕的问题，可以更好的减少产品生产过程中对散热器压痕或擦花造成的报废。

其中一种埋嵌金钢石铜高散热PCB制作工艺，其埋嵌金钢石铜散热器的结构可以根据产品需要设计埋嵌结构，包括但不限于贯穿式埋嵌(如图1所示)，内埋式埋嵌(如图2所示)，半埋式埋嵌(如图3所示)。

其中一种埋嵌金钢石铜高散热PCB制作工艺，其制作工艺可以根据埋嵌结构设计不同的埋嵌方法，如压合后塞树脂、塞铜浆、或其他材料固定(如图4所示)，以及采用半固化片压合流胶固定，具体可以根据各种压合材料与金钢石铜的热膨胀系数的匹配来决定埋嵌工艺。

本实施例中，介质层A1，作为PCB的底层；

芯板2，作为PCB的主体结构，提供机械支撑和电气连接；

介质层B3，作为PCB的绝缘层；

粘接层4层，材料不作限定，可为树脂，也可以是铜浆、电镀铜9等连接材料，用于连接及固定PCB与金刚石铜散热器6；

镭射孔5，用于实现PCB结构中不同层之间与金刚石铜散热器6的连接；

当金刚石铜散热器埋嵌方式为半埋或全埋式时，PCB焊接的发热元件通过镭射孔5导热至金刚石铜散热器中；

金刚石铜散热器6，作为高散热层，采用金刚石颗粒与金属粉混合均匀后烧结而成，具有蜂窝结构的表面，热导率可调，适应于高要求散热的应用；

铜箔7，作为导电层，用于传导电流和连接电子元器件；

PTH孔8，用于连接不同层之间的电气信号；

电镀铜9，作为导电层，用于传导电流和连接电子元器件。

以贯穿型叠构为例，制作工艺流程如下：

芯板制作流程

开料→内层线路→芯板锣槽→棕化铆合→单面贴高温保护膜→嵌金刚石铜→贴高温保护膜→压合

具体流程如下：

1：开料：根据开料图，选用正确板材后使用自动裁切机出规定尺寸。

2：内层线路：湿膜涂布按照要求曝光参数曝光，酸性蚀刻的工艺生产，根据表铜厚度设定蚀刻参数，蚀刻后AOI全检是否完成蚀刻干净。

3：芯板锣槽：根据金刚石尺寸锣出对应位置的嵌金刚石铜槽，槽尺寸整体比金刚石铜尺寸大0.1mm。首件三次元尺寸合格后批量生产，槽边缘不允许有披锋。

3：棕化铆合：芯板按正常生产参数棕化，棕化后根据产品叠构图铆合，不能少放、多放、错放半固化片。

4：单面贴高温保护膜：铆合后随机选取一面贴高温保护膜。

5：嵌金刚石铜：将金刚石铜垂直嵌入槽内，金刚石铜需完全嵌入槽内，不允许倾斜，漏嵌，嵌完后全部检查金刚石铜嵌入后的平整性。

6：贴高温保护膜：将另外一面贴上高温保护膜。

7：压合：根据材料型号设定合适的压合程式进行压合。

金刚石铜制作流程

选料→成型→检验→棕化→嵌金刚石铜

具体流程如下：

1：选料：根据客户所需材料匹配对应热膨胀系数的金刚石铜

2：成型：根据叠构选择对应厚度的金刚石铜，根据客户所需散热面积裁切出对应的成型尺寸。

3：检验：检验金刚石铜热膨胀系数，厚度，尺寸等。

4：棕化：按正常生产参数棕化。

5：嵌金刚石铜：垂直嵌入半成品PCB对应的嵌金刚石槽内。

介质层制作流程

开料→介质层锣槽→铆合

具体流程如下：

1：开料：根据开料图，选用正确型号后使用自动裁切机出规定尺寸。

2：介质层锣槽：根据金刚石尺寸锣出对应位置的嵌金刚石铜槽，槽尺寸整体比金刚石铜尺寸大0.15mm。首件三次元尺寸合格后批量生产，槽边缘不允许有残胶。

3：铆合：根据叠构图与各层芯板铆合，铆合过程中不能少放、多放、错放半固化片。

主流程

打靶锣边→撕膜→削溢胶→钻孔→沉铜板电→整板电镀→外层线路→外层蚀刻→防焊→文字→锣板→电测→FQC→OSP→FQC→FQA→包装

具体流程如下：

1：打靶锣边：根据靶位距打出靶孔，打靶后用锣机锣边，首件确认铣边后尺寸，首件尺寸无异常后批量生产。

2：撕膜：撕除两面的高温保护膜。

3：削溢胶：打磨PCB板面及金刚石铜面残留的溢胶，采用陶瓷加不织布磨板，需将残胶完全打磨干净，不允许PCB板面露基材。

4：钻孔：钻孔首件确认钻带系数是否与PCB板匹配，首件检查是否有孔偏，孔位精度是否满足客户要求，有无外观异常，首件无异常后批量生产。

5：沉铜板电：按常规PCB多层板沉铜板电要求制作。

6：整板电镀：按常规PCB多层板沉铜板电要求制作，电镀后切片检测PCB表铜及孔铜数据。

7：外层线路：按常规PCB多层板要求制作，不允许干膜起皱，曝光不良，显影不净等不良现象。

8：外层蚀刻：酸性蚀刻工艺制作，首件线宽线距按15％公差管控，阻抗线宽按±15um管控，首件合格后批量生产，蚀刻后AOI全检开路，短路及其他不良现象。

9：防焊：按常规PCB多层板要求制作，使用36T白网印刷一次，注意管控油墨厚度。

10：文字：按常规PCB多层板要求制作。

11：锣板：按常规PCB多层板要求制作，根据客户提供的外形尺寸做首件，首件合格后批量生产，注意板与板之间需隔白纸。

12：电测：按常规PCB多层板要求制作。

13：FQC：按客户要求全检外观。

14：OSP：按常规PCB多层板要求制作，注意管控OSP膜厚。

15：FQA：按客户要求检查外观，抽测金刚石铜与PCB板面的平面度是否满足客户要求。

16：包装：按客户要求包装。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，包括多层电路板，其特征在于：所述多层电路板的相邻芯板(2)之间设置有介质层A(1)，所述多层电路板上至少设置有一处贯穿多层芯板(2)和介质层A(1)的PTH孔(8)，所述多层电路板内嵌有金刚石铜散热器(6)，所述金刚石铜散热器(6)的侧面与多层电路板之间设置有粘接层(4)。

2.根据权利要求1所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，其特征在于：所述多层电路板最外侧两芯板(2)背离介质层A(1)的一侧均设置有介质层B(3)，所述介质层B(3)的外侧均设置有铜箔(7)，所述介质层B(3)和铜箔(7)的内部设置有镭射孔(5)。

3.根据权利要求1所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，其特征在于：所述多层电路板最外侧其中一个芯板(2)背离介质层A(1)的一侧设置有介质层B(3)，所述介质层B(3)的外侧设置有铜箔(7)，所述介质层B(3)和铜箔(7)的内部设置有镭射孔(5)。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，其特征在于：所述粘结层(4)的材质为树脂或铜浆。

5.根据权利要求4所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，其特征在于：所述金刚石铜散热器(6)的侧壁及表面结构呈蜂窝结构。

6.根据权利要求5所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB，其特征在于：所述金刚石铜散热器(6)的导热系数达到700-800W/m·K。

7.一种埋嵌金刚石铜高散热PCB的制作工艺，其特征在于：包含以下步骤：

S1：制作多层电路板；

S2：在多层电路板上锣出嵌金刚石铜槽；

S3：制作金刚石铜；

S4：将金刚石铜通过压合嵌入多层电路板内；

S5：在金刚石铜和多层电路板之间采用粘接层进行固定。

8.根据权利要求7所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB的制作工艺，其特征在于：所述金刚石铜散热器(6)为金刚石颗粒与金属粉的混合均匀后烧结成型。

9.根据权利要求8所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB的制作工艺，其特征在于：所述金钢石铜的埋嵌结构包括贯穿式埋嵌、内埋式埋嵌和半埋式埋嵌。

10.根据权利要求9所述的一种埋嵌金刚石铜高散热PCB的制作工艺，其特征在于：所述金钢石铜的埋嵌方法可以采用压合后塞树脂或塞铜浆，或者采用半固化片压合流胶固定。