CN107222983B - 一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板及制作方法，方法包括步骤：A、对FR4芯板和PP片进行开窗处理；B、将FR4芯板、PP片、FR4芯板按顺序进行预叠；C、将AlN陶瓷块放入FR4芯板和PP片的开窗部位；D、按照钢板、铝片、阻胶离型膜、PCB板、阻胶离型膜、铝片、钢板顺序进行压合。本发明解决了现有埋铜技术中，表面不可制作图形的技术问题；同时降低了具有散热功能的PCB板的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及PCB制造领域，尤其涉及一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板及制作方法。
背景技术
AlN是近年发展起来的新型材料，其具有耐高温、抗腐蚀、导热性好、热膨胀系数低等优点，同时也具有很高的抗热震性和电绝缘性，是集成电路基片材料和电子元件的封装材料，同时也是高温结构部件的候选材料之一。
目前印刷电路板市场上，具有散热设计的PCB类型主要有铜基板、铝基板、陶瓷基板以及局部散热的埋铜块电路板。金属基板的金属耗量大成本高。陶瓷基板价格昂贵，机加工钻孔和成外形难度大，不能采用电路板行业常用的数控设备加工，需采用激光钻孔和切割。埋铜块可以实现将尺寸设计好的散热模块直接埋入板内，能很好地解决多层PCB板上大功率半导体局部散热的问题，但铜块具有导电性能，铜块上无法制作图形，若要求模块绝缘和制作图形，则需完全内埋在电路板中，同时电路板外表需使用到FR4材料，按此设计可满足绝缘和制作图形要求，但散热效果大打折扣，且占用电路板空间较多。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板及制作方法，旨在解决现有的散热PCB板成本高、不方便制作图形等问题。
本发明的技术方案如下：
一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，包括步骤：
A、对FR4芯板和PP片进行开窗处理；
B、将FR4芯板、PP片、FR4芯板按顺序进行预叠；
C、将AlN陶瓷块放入FR4芯板和PP片的开窗部位；
D、按照钢板、铝片、阻胶离型膜、PCB板、阻胶离型膜、铝片、钢板顺序进行压合。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，FR4芯板和PP片的开窗部位尺寸比AlN陶瓷块单边大25~300μm。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤D之后还包括：
E、将压合后的PCB板进行钻孔和沉铜处理。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤E之后还包括：
F、将PCB板经贴膜、曝光、显影、蚀刻处理制作出L1和L4层图形。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤F之后还包括：
G、将PCB板浸泡到除钛药水中。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤G中，通过浸泡处理，除去AlN陶瓷块底部的100~200 nm厚的钛层。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤G之后还包括：
H、将PCB板依次进行防焊、文字、表面处理、成型处理，形成最终PCB板成品。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述AlN陶瓷块与FR4芯板等厚。
所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其中，所述步骤A之前还包括：
利用X-RAY机在FR4芯板及PP片上钻出开窗用的定位孔。
一种PCB板，其中，采用如上任一项所述的PCB板制作方法制成。
有益效果：本发明解决了现有埋铜技术中，表面不可制作图形的技术问题；同时降低了具有散热功能的PCB板的制作成本。
附图说明
图1为本发明一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明中的开窗部位结构示意图。
图3为本发明中的AlN陶瓷块的结构示意图。
图4为本发明中的预叠结构示意图。
图5为本发明中的压合结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板及制作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S1、对FR4芯板和PP片进行开窗处理；
S2、将FR4芯板、PP片、FR4芯板按顺序进行预叠；
S3、将AlN陶瓷块放入FR4芯板和PP片的开窗部位；
S4、按照钢板、铝片、阻胶离型膜、PCB板、阻胶离型膜、铝片、钢板顺序进行压合。
本发明中，在PCB板中内嵌AlN陶瓷块（即AlN陶瓷绝缘散热模块），这样PCB板便具备了散热功能，同时AlN陶瓷块表面具有绝缘效果，可制作金属图形，所以占用PCB板空间少，适合高功率小尺寸的局部传热应用。本发明的PCB板加工制作简单，减低了制作成本，且可在AlN陶瓷块表面上制作图形，占用PCB空间小。
具体来说，在步骤S1中，先对FR4芯板和PP片进行开窗处理。
其中开窗处理是指在FR4芯板和PP片上制作出开窗部位，以便嵌入AlN陶瓷块。并且FR4芯板和PP片的开窗部位需要对应，以便将AlN陶瓷块正确安装到开窗部位。
进一步，如图2所示，FR4芯板和PP片的开窗部位1尺寸比AlN陶瓷块30单边大25~300μm，也就是说，以宽度为例，FR4芯板和PP片的开窗部位1的宽度比AlN陶瓷块30的宽度大50~600μm，从而使AlN陶瓷块30具有足够的嵌入空间。
为确保内嵌AlN陶瓷块30与FR4芯板的结合可靠性，FR4芯板和PP片开窗部位1的四个角优选设置成圆弧状，R角为0.8mm。
进一步，所述AlN陶瓷块30与FR4芯板等厚。也就是说，所述AlN陶瓷块30与FR4芯板的厚度相同。另外，所述AlN陶瓷块30与FR4芯板其两面的铜层与FR4芯板两面的铜层厚度相同。这样在后续进行图形制作等处理过程中，就能保持一致性。
所述的AlN陶瓷块30，其结构如图3所示，其依次包括：铜层12、钛层11、氮化铝层10、钛层11、铜层12。也就是说，AlN陶瓷块30的两面为铜层12，且厚度相同，其中心部分为氮化铝层10。
其中，所述AlN陶瓷块30优选为DPC型陶瓷块，所述DPC（直接镀铜）型陶瓷块，其适合于本发明中的PCB板的散热场景，具有散热性能好，制作成本低等优点。
而FR4芯板（双面）其结构则依次包括：第一铜层、PP、第二铜层，其中的第一铜层和第二铜层厚度相同，且与AlN陶瓷块30的两面铜层厚度对应相同。所述FR4芯板具有高Tg（玻璃化温度），具体地，Tg≥170℃，其具有足够的稳定性。
所述的FR4芯板其可先进行内层图形制作，即将上述FR4芯板按照设计参数，经涂膜、曝光、显影、蚀刻等流程制作出L2、L3层图形。内层图形制作过程中要保护好L1、L4层铜层，避免蚀刻时L1、L4层铜层被蚀刻。
本发明中的PP片是指含胶量大于68%的PP片；其可以有效结合两块FR4芯板，粘合力强。
进一步，所述步骤S1之前还包括：
利用X-RAY机在FR4芯板及PP片上钻出开窗用的定位孔。
利用所述定位孔可以对FR4芯板及PP片进行定位，从而方便进行后续的压合，避免在压合过程中，各层定位不准。
在所述步骤S2中，如图4所示，将FR4芯板20、PP片、FR4芯板20按顺序进行预叠。
本发明中，不采用常规的铜箔+PP叠层法，而是采用两张FR4芯板结合PP片进行叠合。这是因为采用常规叠层法（铜箔、PP、FR4芯板、PP、铜箔），需要对铜箔开窗，而铜箔非常薄（厚度仅为12~35μm），在开窗的过程很容易造成铜箔折皱，且在压合过程中铜箔也容易滑动造成偏位。而采用本发明的芯板叠层法（FR4芯板+PP片+FR4芯板）可以解决上述问题。
在所述步骤S3中，由于之前在FR4芯板和PP片上已经进行开窗处理，所以本步骤可将AlN陶瓷块30嵌入到FR4芯板和PP片的开窗部位。
在所述步骤S4中，如图5所示，按照钢板33、铝片32、阻胶离型膜31、PCB板34、阻胶离型膜31、铝片32、钢板33的顺序进行压合。其中的PCB板34即指步骤S3中嵌入了AlN陶瓷块30的FR4芯板和PP片的组合结构。
其中的阻胶离型膜31是指耐高温的树脂阻挡离型膜，可用于阻挡树脂溢出，避免污染板面。
另外，在压合之后，还优选用800~1200目（例如1000目）的砂纸对PCB板进行打磨，以打磨掉AlN陶瓷块与FR4板结合处多余溢流出的胶。
进一步，所述步骤S4之后还包括：
S5、将压合后的PCB板进行钻孔和沉铜处理。
进一步，所述步骤S5之后还包括：
S6、将PCB板经贴膜、曝光、显影、蚀刻处理制作出L1和L4层图形。
即，在步骤S6中，是进行外层图形制作，具体是将上述PCB板按照设计参数，经贴膜、曝光、显影、蚀刻等流程制作出L1、L4层图形。
进一步，所述步骤S6之后还包括：
S7、将PCB板浸泡到除钛药水中。
本步骤将PCB板浸泡到除钛药水中，其是为了除去AlN陶瓷块底部的钛层。
优选的，所述步骤S7中，通过浸泡处理，除去AlN陶瓷块底部（即上下两面）的100~200 nm厚的钛层，以避免其残留导致短路。
本发明中的浸泡时间优选保持在5~20s之间，从而除去AlN陶瓷块100～200 nm钛层，避免因钛金属的残留导致短路。所述除钛药水是指选择性的蚀刻钛、抑制铜的蚀刻速率的化学研磨液，其主要成分为过氧化氢和无机酸的混合物。具体的，按质量百分比计，所述除钛药水含有：10~19%双氧水、4~25%酸性氟化铵（氟化氢铵和二氟化铵）、10%以下硫酸，剩余部分为水。
进一步，所述步骤S7之后还包括：
S8、将PCB板依次进行防焊、文字、表面处理、成型处理，形成最终PCB板成品。
下面通过一具体实施例来对本发明的方法进行详细说明。
步骤1：开料：选用一种高Tg(Tg≥170℃)的双面FR4芯板、PP片，按照设计尺寸切割；选用一种DPC型AlN陶瓷块，陶瓷块的厚度与FR4芯板厚度一致，陶瓷块的铜厚与FR4芯板铜厚一致，尺寸7mm×7mm。
步骤2：内层图形制作：将上述FR4芯板按照设计参数，经涂膜、曝光、显影、蚀刻等流程制作出L2、L3层图形。内层图形制作过程中需保护好L1、L4层铜层，避免蚀刻时L1、L4层铜层被蚀刻。
步骤3：X-RAY钻靶：利用X-RAY机钻出FR-4芯板及PP片开窗用的定位孔。
步骤4：FR4芯板及PP片开窗：将上述FR4芯板及PP片利用锣机锣出需要嵌入AlN陶瓷块的外形。FR4芯板和PP片设计开窗尺寸比内埋的AlN陶瓷块单边大75μm。为确保内嵌AlN陶瓷块与FR4芯板的结合可靠性，FR4芯板和PP片开窗的四个角设计成弧状，R角为0.8mm。
步骤5：压合：将上述FR4芯板按照FR4芯板、PP片、FR4芯板顺序预叠，再将AlN陶瓷块放入FR4芯板及PP片开窗部位。预叠后，再按照钢板、铝片、阻胶离型膜、PCB板、阻胶离型膜、铝片、钢板顺序放入压机进行压合。压合后用1000目的砂纸打磨掉AlN陶瓷块与FR4板结合处多余溢流出的胶。为使流胶更充分，保证开窗缝隙填满，压合的压力比常规压力大30psi。
压合的参数如下表一所示：
表一
| 段序 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 温度(℃) | 140 | 160 | 180 | 200 | 200 | 160 |
| 时间(min) | 10 | 10 | 10 | 10 | 135 | 10 |
| 压力(psi) | 100 | 150 | 380 | 380 | 380 | 2000 |
具体的压合程式如下：第一段：从常温升至140℃，升温时间10min，压力从常压升至100psi；第二段：从140℃升至160℃，升温时间10min，压力从100psi升至150psi；第三段：从160℃升至180℃，升温时间10min，压力从150psi升至380psi；第四段：从180℃升至200℃，升温时间10min，压力380psi；第五段： 200℃恒温保持135min，压力380psi；第六段：从200℃降至160℃，降温时间10min，压力从380psi降至200psi。
步骤6：将上述压合后的PCB板按照设计参数经钻孔、沉铜处理。
步骤7：外层图形制作：上述PCB板按照设计参数，经贴膜、曝光、显影、蚀刻等流程制作出L1、L4层图形。蚀刻后，将PCB板浸泡到除钛药水中，浸泡时间保持10s，除去AlN陶瓷块底部150 nm的钛层，避免因钛金属的残留导致短路。
步骤8：将上述PCB板经防焊、文字、表面处理、成型，形成最终PCB板成品。
本发明还提供一种PCB板，其采用如上所述的PCB板制作方法制成。
综上所述，本发明解决了现有埋铜技术中，表面不可制作图形的技术问题；同时降低了具有散热功能的PCB板的制作成本。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，包括步骤：
A、对FR4芯板和PP片进行开窗处理；
B、将FR4芯板、PP片、FR4芯板按顺序进行预叠；
C、将AlN陶瓷块放入FR4芯板和PP片的开窗部位；
D、按照钢板、铝片、阻胶离型膜、PCB板、阻胶离型膜、铝片、钢板顺序进行压合；
所述开窗部位的四个角设置成圆弧状；
所述AlN陶瓷块两面的铜层与FR4芯板两面的铜厚度相同；
所述AlN陶瓷块为DPC型陶瓷块。
2.根据权利要求1所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，FR4芯板和PP片的开窗部位尺寸比AlN陶瓷块单边大25~300μm。
3.根据权利要求1所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括：
E、将压合后的PCB板进行钻孔和沉铜处理。
4.根据权利要求3所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤E之后还包括：
F、将PCB板经贴膜、曝光、显影、蚀刻处理制作出L1和L4层图形。
5.根据权利要求4所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤F之后还包括：
G、将PCB板浸泡到除钛药水中。
6.根据权利要求5所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤G中，通过浸泡处理，除去AlN陶瓷块底部的100~200 nm厚的钛层。
7.根据权利要求5所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤G之后还包括：
H、将PCB板依次进行防焊、文字、表面处理、成型处理，形成最终PCB板成品。
8.根据权利要求1所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述AlN陶瓷块与FR4芯板等厚。
9.根据权利要求1所述的内嵌AlN陶瓷绝缘散热模块的PCB板制作方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：
利用X-RAY机在FR4芯板及PP片上钻出开窗用的定位孔。
10.一种PCB板，其特征在于，采用如权利要求1~9任一项所述的PCB板制作方法制成。
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