埋容板的开发和制作
东莞⽣益电⼦有限公司⼯艺部杜红兵袁继旺
摘要：根据客户埋容量产需求，开发3M的C-Ply埋容⼯艺，根据该⼯艺/材料特殊性进⾏理论研究和批量 ⽣产实践，重点分析与C-Ply匹配的FR4板材对埋容分层的改良，总结出适合我司的埋容⼯艺，形成“埋容
板⽣产控制规范”，成功⼤批量制作埋容⽣产板，形成完善的、成熟埋容⼯艺，具备批量⽣产能⼒。
Abstract:To meet the need of mass production of Embedded-Capacitance PCB, we developed C-ply Embedded-Capacitance ways of 3M. We researched it in theory and practice according to the characters
of this method and material. We put more energy on the analysis and solution of the delamination
of selected FR4 material to match with C-ply. Then we drew the proper Embedded-Capacitance method
for our company and established rules of production control. And we can now produce Embedded-Capacitance PCB in massive quantity.
关键词：埋容板 C-Ply埋容层分层对准度菲林补偿标准⼯艺规范批量⽣产
Keyword:Embedded-CapacitancePCB C-Ply Embedded-Capacitance layer delamination perfectest film compensate-standard technics rules mass-yield
1.前⾔
电⼦产品的⾼频、⾼性能、⼩型化的发展趋势，在保证功能前提下，表⾯分⽴电容数量不断增加，鉴于此 原因，埋⼊式电容⼯艺迅速发展起来。埋⼊式电容⼯艺之确⽴距今已有⼗⼏年的历史，但在中国之发展也就
是最近两三年的事。
1.1埋⼊式电容发展必然性
◆电⼦产品⾼频、⾼性能化的加剧，内部⼲扰⽇益严重，要求更多的电容器
◆电⼦产品的⼩型化，电容的集成化，使埋⼊式电容成为必要
◆埋⼊式电容PCB是集成元件板（ICB）的⼀种；
1.2埋⼊式电容优点
◆埋⼊式电容可以有效的减⼩PCB的尺⼨，降低成品成本(但从PCB讲成本上升）
◆由于电容为埋⼊式使表⾯焊点的数量⼤⼤减少因⽽增加了产品的可靠性
◆埋⼊式电容能增强电路的电器性能，减少电信号传输的噪⾳及⾼频震荡等
1.3 外置电容与埋⼊式电容之设计区别
两者之差异主要表现在PCB设计之差异，表⾯电容与埋⼊式电容设计⽰意图见图1、图2：
图1 表⾯贴装电容⽰意图
图2 埋⼊式电容⽰意图
2.当前主要埋容材料
当前市场上主要是采⽤层压⽅式之埋容材料，材料主要有两种：⼀种是DUPONT 公司的InterraTM HK 4，另⼀种是3M 公司的
C-Ply 埋电容材料，以下是两种材料之特性。 2.1材料1——DUPONT 公司的InterraTM HK 4
⽣益采⽤的层压材料是DUPONT 公司的InterraTM HK 4 Series of Embedded Planar Capacitor Laminates 埋电容材料。该材料为聚酰亚胺电解质的电解铜覆铜板。聚酰亚胺电解质具有优良的耐热性和良好的⼒学性能、耐湿热性、抗辐射性等特点，⼴泛的应⽤于⾼性能材料领域及军事科研领域。HK4使⽤的聚酰亚胺电解质厚度仅为1mil ，且电解质层中未填加任何增强材料，极易产⽣折痕或铜⾯凹痕，在某些⽣产线⽣产时必须使⽤导引板（Leader Board ）或边框（Frame ）辅助⽣产。 1）材料结构（图3）
图3 InterraTM HK 4材料结构铝合金去毛刺机
2）材料特性参数
表1 InterraTM HK 4材料特性参数表
2.2材料2——3M公司的C-Ply
采⽤的层压材料是3M公司的C-Ply埋电容材料。该材料为陶瓷/环氧的压延铜覆铜板。陶瓷/环氧电解质具有优良的耐热性和良好的⾼频性、抗辐射性等特点，⼴泛的应⽤于⾼性能材料领域及军事科研领域。C-Ply使⽤的陶瓷/环氧电解质厚度仅为
0.55mil，且电解质层中未填加任何增强材料，极易产⽣折痕或铜⾯凹痕，在某些⽣产线⽣产时必须使⽤导引板（Leader Board）或边框（Frame）辅助⽣产。
1）材料结构（图4）
2）材料特性参数
表2 3M公司的C-Ply材料特性参数表
说明：由于3M 的C-Ply埋容材料电容密度⼤,⽬前市场占有率较⾼。
3.⼯艺流程设计
3.1普通多层埋容板流程设计
1）⼦板流程：开料→内层⼲膜→AOI →⿊化→层压I（⼦板）→锣板边→磨板→转⼊母板流程
喷墨纸2）母板流程：→内层⼲膜→AOI→⿊化→层压II（母板）→锣板边→减薄铜→钻孔→烘板→去钻污→沉铜→外层⼲膜→图形电镀→碱性蚀刻→铝⽚塞孔→阻焊→（铣板1）→烘板→HAL/或其他表⾯处理→正常流程→FQC（含测电容）→烘板。 3.2 HDI埋容板流程设计
1）⼦板I流程：开料→内层⼲膜→AOI →⿊化→层压I（⼦板1）（X-RAY：钻孔）→锣板边→磨板→
转⼊⼦板II流程
2）⼦板II流程：→内层⼲膜→AOI →⿊化→层压II（⼦板2）→锣板边→减薄铜→钻孔→烘板→去钻污→沉铜→加厚铜→微蚀→树脂油墨塞孔→陶瓷磨板→转⼊母板流程
3）母板流程
mjpg次外层图形制作→AOI→⿊化→层压III（母板）→锣板边→减薄铜→盲孔蚀铜1→盲孔蚀铜2→激光钻孔→钻孔→烘板→去钻污→沉铜→外层⼲膜→图形电镀→碱性蚀刻→铝⽚塞孔→阻焊→(铣板1)→烘板→HAL/或其他表⾯处理→正常流程→FQC（含测电容）→烘板。
4．埋⼊式电容板制作难点分析与相关因素研究
对于3M C-Ply埋电容材料，PCB制作时主要有以下难点：
材料较薄，⽣产时易折板，材料伸缩较难控制
◆由于不能按正常芯板两⾯图形同时制作，重合度较难控制
◆由于使⽤压延铜箔，蚀铜速率与正常电解铜箔有差异
◆压延铜箔的使⽤，加上树脂中陶瓷填料的使⽤，铜箔与树脂结合⼒差，加上吸潮率⾼，易出现分层问题对于以上⼏个难点，要成功制作埋⼊式电容PCB，必须进⾏研究并解决。
4.1电容容值精度研究
3M C-Ply电容值理论计算⽅法:C（nF）=0.2247D k·A/t==6.4A（Inch2），
（C —电容值，单位nF；D k—介电常数；A—电极⾯积，单位in2；t—埋电容介质厚度，单位mil），由公式可见，要达到电容精度必须控制好PCB的电容有效相对⾯积，进⽽要求控制好重合度和线宽补偿。⽽实际⽣产中电容容值偏差主要来源于C-Ply埋容材料电容密度偏差、埋容图形尺⼨偏差、埋容两⾯重合度引起的相对⾯积的偏差、测试仪器精度的偏差以及PCB流程热影响带来的偏差等⽅⾯。 4.1.1重合度偏差引起电容偏差改良
通过在设计图形时⼀⾯⽐另⼀⾯⼤6mil的⽅法（对于⼤电容设计来讲），消除图形偏移之影响。等⾯积设计与单边⼤6mil设计之对容值变化情况之影响参见图5和图6。
图5埋容两层等⾯积设计时容值偏差趋势图
由以上数据图看出，其中单⾯埋容图形⾯积偏差为2%以内，⽽由于埋容两⾯重合度引起的相对⾯积的偏差为6%以内，（由于L1埋容图形相对于L2的长边偏移3.5mil，宽边偏移为0mil，引起相对⾯积的偏差为6%。）所有尺⼨的图形容值偏差在9%以内。
图6 L1⾯图形加⼤6mil时容值偏差分析
说明：其中单⾯埋容图形⾯积偏差为1%以内，⽽由于埋容两⾯重合度引起的相对⾯积的偏差为3%以内（由于L1埋容图形相对于L2的长边偏移5mil，宽边偏移为0mil，引起相对⾯积的偏差为8%，(因为设计单⾯图形加
⼤6mil来缓冲，偏差从8%降低到3%）。
4.1.2 C-Ply菲林补偿标准分析
C-Ply使⽤RA压延铜箔⽽FR4使⽤ED电解铜箔，原始来料由于铜箔制作⼯艺的不同导致其粗糙度也不同，Cu的微观晶粒结构也不同，对PCB制作流程的影响也不同于常规使⽤的ED电解铜箔，对此我们重点分析其
对蚀刻因⼦、蚀刻量、微蚀量及粗糙度导致的结合⼒进⾏研究。
1）蚀刻因⼦⽐较
双活接球阀
表3 蚀刻因⼦⽐较数据表
⽑边⼩。分析认为RA压延铜箔晶粒结构呈竖状且松软，易咬蚀且咬蚀竖状笔直，从⽽蚀刻因⼦⼤，⽑边⼩。
表4 蚀刻线路表观图表
2）线路的蚀刻量分析
设计不同图形：
线路设计：线宽3--10，10--50mil，每种线宽数量6根，间距S6、S5、S4分别为6.0mil，
5.0mil，4.0mil。
Clearance设计:Clearance的直径从10-100、120、150mil共12种，间隔0.85″，所有图形均按照内层芯板1OZ补偿1.8 mil，采⽤相同条件制作. 测试菲林CAD全图：含线路、PAD（埋容coupon）、Clearance
3类图形。设计图形参见图7
不同线宽/
线路的蚀刻量研究设计图形
图8 间距6mil蚀刻量变化趋势图
图9 间距5mil蚀刻量变化趋势图
图10 间距4mil蚀刻量变化趋势图
由以上数据看：
◆随着线宽的增加蚀刻量增加，对于3mil-50mil的线宽来讲，变化在0.2-2.3mil.
◆相同条件下, C-Ply蚀刻量⽐FR-4⼤，对于3mil-50mil的线宽来讲,⼤0.1-0.7mil.
3）Clearance边的⼤铜⾯菲林补偿量分析
由于埋容⽣产板实际图形主要为带Clearance的⼤铜⾯设计，1OZ Cu的CAD补偿标准为客户原稿+0.5mil，不同材料蚀刻量变化参见 9、10。
图11 C-Ply材料Clearance蚀刻量变化
图12 FR-4材料Clearance蚀刻量变化
结论：对以上数据看，对于C-Ply来讲,Clearance制作时整体上不⽤对铜⾯进⾏补偿，但是对于⼩尺⼨（10-50mil）的常⽤Clearance铜⾯补偿+0.5mil。
4）埋容 coupon补偿
L1=L2+0mil即L1图形整体加⼤0mil.L1=L2+6mil即L1图形整体加⼤6mil.数据见表5
表5
注：对于C-Ply来讲, coupon制作时加⼤0.8mil补偿.
4.1.4埋容层重合度控制
（1）T/C FA设计为保证预给补偿系数之准确性，进⾏T/C FA，通过T/C FA修正预给补偿，改善了层间涨缩⼀致性，有利于提⾼层间对准度。
（2）埋容层L3/4与L15/16层间层间对准度要求为+/-5mil。
设计：由于C-Ply材料的特殊性，导致曝光机和⼈⼯均不能识别次外层标靶，故L3/4，L15/16采⽤板边
孔对位⽅式，同时为减少传统钻房钻对位孔的误差，改为X-RAY/打对位孔：L3/16⼦板增加X-RAY/钻孔。⽣产过程中X-RAY打对位孔时按照理论值打，在制作L3/16菲林时根据板实际伸缩数据来拉伸，⽽对位孔的标靶需要根据板宽向的伸缩对分平移。埋容材料预补偿为：2次压板--经向1.25‰，纬向1.0‰；3 次压板--经向1.40‰，纬向1.10‰。
（3）Pin-Lam预排设计：埋容层L3/4，L15/16菲林板边Pin-Lam孔边加⼤20mil，防⽌Pin-Lam孔破损；阻流块设计：针对埋容层，防⽌Pin-Lam孔破损，Film板边阻流块由普通圆形PAD改为条状的⽅形。（4）钻孔：新钻嘴，5孔定位，分步钻，孔位精度控制±2mil，须16万转速铝台板钻机。
按以上制作控制⽅法，⽣产板重合度数据如表6。
注：层间对准度符合客户要求。
4.1.5电容测试仪器分析（图13）
图13 不同测试仪器对⽐
注：仪器victor VC6013精度差于仪器Agilent 4284A precision LCR meter，尤其在⼩电容区域偏差更⼤，在nF级偏差相对较⼩为1%；选择Agilent 4284A precision LCR meter测试电容。
4.1.6埋容容值公差能⼒
⽬前SYE在埋容制作⽅⾯，具备如下能⼒：
注：⽆铅回流5次后容值变化率为1.0%以内。
4.2两种铜箔（RA、ED）之特性
由于埋容材料使⽤铜箔为压延铜箔，由于与电解铜箔⼯艺本⾝之区别，所以特性必然有所差异，原始表⾯、⿊化微蚀后、⿊化后SEM对⽐（放⼤2000倍）参见表7。
由以上晶体结构看，两者粗糙度不同，微蚀、⿊化后变化规律不同，因为RA铜箔的晶粒结构相对于ED铜箔松软，易咬蚀从⽽粗糙度⼤，所以棕/⿊化正常微蚀、⿊化即可满⾜抗剥离强度要求。在层压
后RA铜箔与常规P⽚的结合⼒反⽽⽐ED铜箔与常规P⽚的结合⼒⼤，更不易分层，从下⾯的蒸汽吸潮后浮锡3次的结果可以证明。
4.3 C-Ply Desmear咬蚀及孔壁回蚀
1）C-Ply Desmear咬蚀量
149aa采⽤PTH正常⽣产条件制作Desmear咬蚀量测试，S1141、S1170、C-P ly数据为（单位：mg/cm2）：三者之间的差异参见表8。
结论：Desmear咬蚀量排序为C-P ly ＞S1141＞S1170，因为C-P ly埋容材料⽆玻纤，仅含树脂和⾼DK的BaTiO3，易于咬蚀。
2）C-Ply孔壁回蚀
结论:C-Ply Desmear回蚀深度⼤到6-8um，考虑到PCB内FR4咬蚀量的匹配.同时⼜⽆孔壁剥离缺陷，仍然采⽤FR4的Desmear参数.
5．埋容主要问题——分层之分析与改良
对于埋电容PCB来讲，最重要的问题就是分层问题，分层位置主要在埋容层，具体参见表9。
测试结果：从客户测试及SYE内部测试验证表明：埋容板在BGA位置，烘板后进⾏288℃浮锡10秒3次及260℃浮锡10秒5次测试均易发⽣埋容层分层.
5.1 原因分析
1）埋容材料本⾝缺陷
C-Ply介质层较薄仅0.55mil，为保证其均匀性不发⽣短路，只能使⽤具有相对光滑的压延铜箔，结合⼒⼤⼤降低仅仅
3.5Lb/inch（此正是埋容材料⽬前⽆法攻克的缺点）；为增强D K，添加填料BaTiO3，吸⽔率增⼤达到0.48%。
2）板材匹配性影响
>水貂笼
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