具有隐埋电阻器的印刷电路板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及具有隐埋电阻器或埋入式电阻器的印刷电路板(PCB)及其制造方法。更具体地说，本发明涉及其中埋入了电阻器的PCB及其制造方法，此电阻器的电阻均匀，不受外界环境影响。背景技术
PCB是为在其上安装电路部件而提供，具有通过印刷法形成的布线。根据一定的电路设计排列这些部件并使它们彼此连接。构成电路的大部分部件是芯片式的，为了实现部件之间的信号连接(例如ICs中的信号传输、外部信号输入/输出等)，在PCB的表面上直接安装分立的芯片电阻器。然而，采用分立芯片电阻器不满足随着高速信号处理而产生的高密度集成的需要，另外，会引起可靠性问题。
为了克服此缺点，研究了可以代替分立芯片电阻器的新材料、物质和工艺。
隐埋或埋入式电阻器就是研究的结果。不考虑PCB自身地尺寸，将作为一种无源元件的电阻器隐埋或埋入PCB的内部或外侧。即，无源元件至少部分被集成到PCB内。因此，具有隐埋或埋入式电阻器的PCB的特征在于：由于无源元件部分包含在板内，因此在PCB的表面上没有安装或连接的分立芯片电阻器。可以为其它部件提供由分立无源元件占用的空间，实现板上的高密度集成。这样，采用埋入式电阻器减小了板的尺寸，使电子设备更趋向于袖珍和小巧。此外，由于不需要焊接点和不受热或机械冲击或震动的影响，隐埋或埋入式电阻器适于用在需要高可靠性的设备中。
为了制造隐埋电阻器，已经研究了各种工艺，一些已商业化使用如下。
第一例是陶瓷厚膜型电阻器。它的制造通常从在基片上涂覆陶瓷电阻器浆糊开始。此后，在850-900℃的温度下烧结涂覆的浆糊，并用保护玻璃层覆盖，接着再烧结。这种厚膜型电阻器的详细制造过程在美国专利No.5,510,594中公开了。根据此专利，通过印刷在电绝缘基片例如氧化铝上形成包含银的导电材料电极。然后，将包含金属陶瓷的电阻性材料的厚膜电阻器电连接到基片上的电极上。接着，对厚膜电阻器进行激光微调以得到希望的电阻。然后，在绝缘基片上形成电绝缘材料的膜，以保护电极和电阻器。上述电阻器被应用到陶瓷基片上，但不适于在树脂基片例如环氧树脂-玻璃、聚酰亚胺等中直接使用。
下面，例举一种薄膜型电阻器作为隐埋电阻器的例子。在PCB的内部形成电阻金属层或膜，代替安装在PCB表面上的电阻器。在这一点上，已经在商业上使用的薄电阻材料制造具有隐埋电阻器的PCB的工艺，薄电阻材料有制造的标为“ohmega-ply”的材料。例如，美国专利No.4,892,776公开了一种具有隐埋电阻器的PCB，它是利用电路板材料制造的，所述电路板材料包括：支撑层；粘结到支撑层上的至少一个镍-磷组合物的电阻层；粘结到电阻层的导电层。为了制造此PCB，采用光刻工艺。涂覆到基片的内部，通过绝缘材料保护隐埋的电阻器，这样不需要保护电阻器免受外部环境影响的附加工艺。
另一个例子是聚合物厚膜型电阻器，它是通过在基片上涂覆聚合物电阻浆糊并将其热干燥(固化)而制造的。聚合物厚膜型电阻器可以根据它们在基片上的位置来鉴别它们：通过在内部层上涂覆浆糊而得到的内部型；通过在最外层上涂覆浆糊而得到的外部型。
对于内部型，在EP0569801A1和日本专利特开平No.6-61651中可以找到其先有技术。根据这些专利，通过印刷将电阻器形成为PCB内侧上的厚膜，在PCB两侧配置有导体轨迹，在PCB的外侧上设置表面安装器件(SMDs)。以使内侧彼此面对的方式压PCBs，其间插有介电材料制成的中间层。由于电阻器形成在多层PCB中，因此内部型不需要另外的电阻器保护层来抵抗外部环境。然而，内部型存在电阻可预测性差和误差控制差的缺点。
通常，通过在基片上丝网印刷电阻聚合物然后印刷焊料掩膜(或焊料电阻器)以保护聚合物电阻器来制造外部型。
下面结合附图描述传统的制造带有埋入电阻器的PCB的外部型技术。
图1a-1e按步骤说明了带有埋入电阻器的PCB的制造。
首先，在基片1上形成导电层(即铜薄膜)，在最外层上淀积光致抗蚀剂膜或干膜层3和3′，接着曝光、显影和铜蚀刻以形成预定的导电轨迹2和2′的图形，如图1a所示。
然后，图1b包含将用作抗蚀剂的干膜3和3′剥去以露出彼此隔开的铜引出端2和2′之后的截面示意图和平面图。
接着，借助于挤板4在(铜)引出端2和2′之间丝网印刷碳基电阻器浆糊5，如图1c所示。电阻器浆糊一般由绝缘材料例如与热固性有机溶媒或聚合物基体相结合的碳黑制成。
印刷电阻器浆糊之后，在大约150-250℃热固化以形成与铜引出端2和2′电连接的厚膜电阻器，如图1d所示。
最后，在得到的图1d的结构上淀积焊料掩膜油墨的覆盖层(光焊料抗蚀剂油墨PSR油墨)7，以保护厚膜电阻器6免受外界环境的影响，即，防止厚膜电阻器6受到物理和化学破坏，并防止其电阻性能由于湿度或温度而改变，如图1e所示。焊料掩模层7一般是由组合物制备，此组合物包括乙醚溶剂或乙基纤维素溶剂、主要由酸酐改性的环氧丙烯酸酯(UV固化树脂)和甲酚-线形酚醛环氧树脂或异氰脲酸酯环氧树脂(热固性树脂)、无机填料、具有双或更高官能度的、基于双氰胺或蜜胺的交联剂，且优选包括均化剂、消泡剂、分散剂、UV固化催化剂、颜料等，所述无机填料选自硫酸钡、滑石粉、二氧化硅及其混合物。
然而，上面说明的外部型电阻器的缺点在于图1b和1c的步骤之间的期间足够长，使暴露于外部的铜引出端氧化。使事情更糟的是，当用液态电阻器浆糊涂覆和干燥时，氧化的引出端进行进一步的氧化。在这种情况下，如此的恶化使电阻器和引出端之间不粘结，电阻增加。考虑由于潮湿而导致的电阻增加，已经提议将电阻控制到比所希望的值低。然而，此方法不适于批量生产。
对于陶瓷PCBs，它们的尺寸几乎没有超过10×10cm的。然而，塑性PCBs通常具有50×60cm大的尺寸。当将电阻器浆糊涂覆到塑性PCBs上时，即使在同一平板内，浆糊厚度也易于随着位置的不同而不同。浆糊厚度的非均匀性引起平板上电阻的非均匀性，降低了产品的可靠性。
电阻器的电阻可以根据下列等式1来计算：R=SR×LW×T---[1]]]>
其中R代表电阻器的电阻；SR代表面电阻率；L代表电阻器的长度；W代表电阻器的宽度；T代表电阻器的厚度。
从等式1可以看出，随着电阻器厚度的增加，电阻降低。在实际的印刷工艺中，由于印刷机械自身的公差，难以在平板上印刷均匀厚度的浆糊，这样难以通过印刷法在平板上得到希望的均匀的电阻。在这一点上，可以采用激光微调得到希望的电阻，如美国专利No.5,510,594所公开的。而且在此专利中，在陶瓷板上可以容易地进行且确保所希望的值，但激光微调难以应用于更大的塑性板上，不仅由于它不能精确地在更大的面积上进行，而且也由于电阻受激光热量的影响改变。
另外，由于采用具有高分子量的粘合剂，因此在传统的PCBs中所用的焊料掩模(或焊料抗蚀剂)油墨使得到的涂层具有优异的外观。但由于它是两份系列，使固化麻烦，因此，上述方法不方便。尤其是，传统的焊料掩模的溶剂会负面影响下涂层(电阻器浆糊)。当在焊料掩模的干燥时电阻器吸湿，电阻会改变。这样，最后得到的电阻会大大偏离目标值。
因此，需要研究新的具有埋入电阻器的PCB，可以得到所希望的电阻并且随着外部环境的变化其变化最小。发明内容
本发明的目的是提供一种具有埋入电阻器的PCB，它显示了电阻随外部环境具有最小的变化。
本发明的另一个目的是提供一种具有埋入电阻器的PCB，其中可以得到希望的电阻。
本发明的再一个目的是提供一种制造这种具有埋入电阻器的PCB的方法。
根据本发明的第一技术方案，提供一种具有埋入电阻器的印刷电路板，包括：
树脂电绝缘基片；
形成在基片上的电路图形；
形成在基片上一定图形中的至少一对隔开的电阻器引出端，每个都包括用导电保护层覆盖的金属焊盘；
形成在电阻器引出端之间且与其电连接的薄膜电阻器；以及
由单成分油墨(one-part ink)形成的被覆层，覆盖电阻器和电阻器引出端。
在本发明的第二个技术方案中，提供了一种具有埋入电阻器的印刷电路板的制造方法，包括以下步骤：
a)在树脂绝缘基片上，沿着电路图形，形成至少一对隔开的电阻器金属焊盘；
b)在得到的步骤a)的基片结构上淀积焊料掩模层；
c)有选择地除去焊料掩模层，以形成焊料掩模层开口，通过此开口露出电阻器金属焊盘和其间的区域；
d)将导电保护层形成到每个电阻器金属焊盘上，以形成电阻器引出端；
e)在电阻器引出端之间形成厚膜电阻器，电阻器电连接到引出端；以及
f)用单成分油墨的被覆层覆盖电阻器和电阻器引出端。附图说明
通过下面结合附图作出的详细的描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1a至1e是按步骤说明传统的具有埋入电阻器的PCB的制造工艺图；
图2a至2g是按步骤说明根据本发明一个实施例的具有埋入电阻器的PCB的制造工艺的截面示意图。
图3a是显示通过激光微调的电阻器结构的截面示意图；
图3b至3d是分别显示形成在电阻器中的双切口、L切口和单切口的平面图；
图4a和4b是分别显示通过双切口激光微调，第一沟槽和第二沟槽的形成的平面图。具体实施方式
下面参考附图更好地理解本发明的最佳实施例的应用，其中相同的参考标号分别用于相同和相应的部件。
图2a至2g逐步说明了根据本发明具有埋入的电阻器的PCB的制造。
参考图2a，在基片1上形成导电金属层例如裸铜层的图形。具有电绝缘性、用于本发明的基片1可以由敷环氧树脂玻璃、聚酰亚胺、氰酸酯、双马来酰亚胺三嗪(BT)、聚四氟乙烯及类似物制成。然而，必须注意上述材料并不限制本发明的范围，只是说明性的，在不具体限定的情况下，可以采用本技术领域中使用的任何PCB基片。可以通过本技术领域公知的普通方法形成布图的金属层，优选光刻法。作为举例，进行化学镀和电镀以便在基片上形成金属层，在金属层上施加干膜或光致抗蚀剂，此后将得到的结构曝光、显影以便有选择地蚀刻金属层，除去作为抗蚀剂的干膜以便给出布图的金属层。这样，在基片上连同电路图形102、102′一起至少建立了一对间隔的电阻器金属焊盘对103和103′。
电阻器金属焊盘优选厚度大约为18-45μm的铜焊盘。
图2b是在图2a所得到的结构上淀积焊料掩模层104覆盖层以保护布图的金属层之后的截面示意图。焊料掩模也起抗镀敷的抗蚀剂的作用，所述镀敷是后面进行的用于形成导电保护层的步骤。焊料掩模层104要足够的厚以覆盖铜层102、102′、103和103′，优选在30-40μm的数量级。可用作焊料掩膜的是PSR油墨(双成分系列油墨)。
图2c是使电阻器金属焊盘103和103′以及其间的区域露出的方式形成焊料掩模开口105之后的截面示意图。在这方面，在焊料掩模层104上覆盖干膜并对其进行曝光和显影，以便有选择地蚀刻焊料掩模层104的从一个金属焊盘延伸到另一个金属焊盘的区域。
接着，用导电保护层106和106′分别覆盖露出的一对电阻器金属焊盘103和103′，以给出电阻器引出端，如图2d所示。优选，通过以适当的顺序镀镍和金形成导电保护层106和106′。优选采用化学镀。例如，镀敷的镍的厚度范围为大约3-5μm，而金的镀敷范围在0.05-0.08μm的数量级。电阻器引出端确定了后面将形成的电阻器的电长度。在本发明中，形成导电保护层(优选Ni/Au镀层)可以防止金属焊盘在后面描述的金属布图步骤和电阻器涂覆步骤之间受到周围潮气和其它环境因素的影响而氧化。由于难以直接在电阻器铜焊盘上镀金，因此在淀积金之前首先将镍镀到电阻器铜焊盘上，以便制造Cu/Ni/Au电阻器引出端。
此后，优选以下列方式在电阻器引出端之间形成厚膜电阻器107，即，电阻器107局部覆盖用于电连接的每个电阻器引出端，如图2e所示。例如，可以通过丝网印刷电阻器浆糊(优选是碳基电阻器浆糊)、然后将其热固化形成厚膜电阻器107。碳基电阻器浆糊包括树脂粘合剂，在树脂粘合剂中以控制的量分散有填充物颗粒，以得到所希望的面电阻率。下面的表1中例举了用于本发明的电阻器浆糊的成份。
表1
碳电阻器浆糊
型-I 型-II 型-III
树脂 固态PBA1)树脂/ 酚基树脂/ 环氧树脂/
环氧树脂 乙烯基树脂 丙烯酰基树脂
填料 Ag/石墨/C Au/滑石/C Pd/石墨/C
填料含量(wt％) 20-30/10-20/2.5-5 1-3/20-30/4-9 1-2/10-25/5-10
溶剂 乙醇 丁醇 乙醇
粘度 700ps 500ps 800ps
储存时间 6个月 3个月 3个月
电阻器浆糊的丝网印刷可以采用本技术领域公知的方法。作为举例，首先将具有开孔的模板定位，作为基片表面附近的丝网掩模，在所述基片上将形成电阻器，掩模上载有电阻器浆糊。然后，将刮板拉过丝网掩模的表面，将电阻浆糊压过开孔并压到基片的表面上。此后，在根据所采用的电阻器浆糊而确定的固化温度下热固化丝网印刷的电阻器浆糊，优选大约150-250℃。这样，可以制造具有需要厚度的厚膜电阻器，厚度优选为大约15-40μm。
如上所述，对于丝网印刷的电阻器来说，在传统的树脂PCBs上难以具有所希望的均匀的电阻，这样在实际应用中会出现高次品率的问题。在根据本发明的最佳实施例中，有选择地利用激光微调以得到所需要的均匀的电阻，如后面所描述的。
图2f是通过激光微调在厚膜电阻器中形成沟槽108和108′从而将电阻器的电阻调到需要值之后的截面示意图。可用来形成沟槽108和108′的激光是UV激光或IR激光，光点直径优选为大约30-50μm。
例举的标准的激光微调切口有单切口、双切口和L切口。通常，当通过激光微调在电阻器中形成沟槽时，增加了电阻器的电阻。因此，在采用激光微调工艺的情况下，在微调工艺之前，应当控制电阻器使其电阻低于所希望的值。
图3a是显示通过激光微调的电阻器结构的截面示意图，而图3b至3d分别是显示形成在电阻器中的双切口、L切口和单切口的平面图。
根据本发明，如果能够确保电阻器中所希望的电阻，可以采用任何激光微调方式。通常，当采用碳基浆糊电阻器时，如图3c所示的L切口激光微调后导致电阻超过了希望值，而如图3d所示的单切口会降低微调分辨率。由于大部分陶瓷电阻器由无机材料制成，因此它们受激光微调过程中产生的热的影响很小。另一方面，激光的热量对碳浆糊的有机成分有很大的影响。为此，通过激光用单切口或L切口微调的电阻器的电阻易于超过目标值。优选采用双切口方式进行激光微调。
图4a和4b分别包含例举的通过双切口激光微调形成的第一沟槽108和第二沟槽108′的平面图。
其中每一个都具有10Ω目标电阻的8个电阻器定位在平板上，通过激光微调单切第一电阻器以形成第一沟槽108，为第一电阻器提供大约9.5Ω的电阻，以同样的方式处理第二至第八电阻器，为每个电阻器都提供9.5Ω的电阻，如图4a所示。优选在宽度方向第一沟槽108局部透过电阻器。此外，优选以使第一沟槽108延伸到电阻器下面的基片的方式进行激光微调，以便提高电阻的稳定性。
然后，如图4b所示，以单切口方式通过激光微调具有第一沟槽108的所有电阻器，以便在每个电阻器中形成第二沟槽108′，从而将电阻控制到10Ω的目标值。以一定的时间间隔，对电阻器两次进行单切口激光微调。因此，通过以一定的时间间隔两次进行单切口而形成的双切口具有使由热而引起的电阻的变化最小。
现在转到图2g，通过被覆层109保护电阻器(或激光微调电阻器)和露出的电阻器引出端免受外界环境的影响，被覆层109由具有低的吸湿力、优异的热阻和冲击阻力的单成分系列油墨(one-part systemink)制成。
根据本发明，将单成分系列油墨(优选，一份热固性油墨)用于上述被覆层中。这种油墨的代表例包含大约30-40重量％的环氧树脂基热固性树脂、大约3-5重量％的热固性交联剂和大约50-60重量％的如二氧化硅作为主成分的无机填料，并结合有固化催化剂、颜料和其它的添加剂(均化剂、消泡剂、分散剂等)。由于上涂油墨仅通过加热就确保了优异的涂层性能，因此在很短的时间内就完成了固化工艺。另外，由于其相对于双成分系列油墨具有更低的溶剂含量，因此被覆层油墨具有对下涂层影响小的优点。尤其在进行激光微调的场合，由于双成分系列油墨会引起吸湿且加速电阻的变化，因此需要使用单成分系列油墨。
表2总结的是用于本发明的单成分系列油墨的成分。
表2
成份 成分 注释
主粘合剂 BPA液态环氧树脂30wt％ 热固作用
环氧树脂反应稀释剂9wt％
固化剂 双氰胺3wt％ 热固作用
催化剂 改性聚胺1wt％ 固化催化作用
填料 2种二氧化硅的混合物55wt％ 控制强度和吸湿性
颜料 酞氰绿0.5wt％ 颜色控制
添加剂 均化剂、消泡剂和分散剂1.5wt％ 涂覆条件和可加工性改进用做主粘合剂的BPA液态环氧树脂由下列化学式1表示：
其中m为1或更小。
为了保护激光微调电阻器和电阻器引出端，通过丝网印刷单成分油墨然后例如在大约150-170℃的温度下热固化形成被覆层109，印刷的油墨要达到覆盖激光微调电阻器且局部露出电阻器引出端的厚度(优选大约15-25μm)。
本发明的优点在于下列三个方面：
第一，在PCBs的制造过程中，用做电阻器引出端的金属，尤其是铜很容易被氧化，使电阻器引出端和电阻器之间的边界处的密合程度恶化，这会导致电阻的增加。然而，在金属引出端上形成导电保护层(优选Ni/Au)防止了金属的氧化，保持了相对恒定的电阻，如下面的测试中所说明的。
对由Cu和Cu/Ni/Au制成的电阻器引出端进行温度循环测试、温湿度测试和IR回流测试。测试结果在下面的表3-5中给出。
在温度循环测试中，以-65℃保持30分钟为第一步、25℃保持15分钟为第二步、125℃保持30分钟为第三步和25℃保持15分钟为第四步的顺序进行100次循环的加热。
对于温湿度测试，采用保温箱，其中在85℃和85％的相对湿度下保持样品168个小时。
IR回流测试是以150℃保持50秒的第一步、在190℃保持50秒的第二步、在245℃保持50秒的第三步和在90℃保持50秒的第四步的顺序进行两次热循环。
表3
温度循环测试
Cu引出端 Cu/Ni/Au引出端
T.C之前 T.C之后 T.C之前 T.C之后
平均电阻(Ω) 10.15 11.69 9.86 9.75
平均电阻变化(％) +15.18 -1.32
表4
温湿度测试
Cu引出端 Cu/Ni/Au引出端
T.H之前 T.H之后 T.H之前 T.H之后
平均电阻(Ω) 10.34 16.18 10.02 10.31
平均电阻变化(％) +56.43 +2.29
表5
IR回流测试
Cu引出端 Cu/Ni/Au引出端
IR IR IR IR
IR之前 IR之前
循环1 循环2 循环2 循环3
平均电阻(Ω) 10.17 10.41 10.65 10.20 10.17 10.15
平均电阻变化(％) 标准 +2.36 +4.72 标准 -0.29 -0.49
第二，由单成分系列油墨制成的被覆层保护电阻器和电阻器引出端免受环境因素例如潮湿、物理和化学冲击和震动的影响。这样，防止了电阻由于环境因素而变化，从而提高了产品的可靠性。
对用传统的双成分系列油墨和可用于本发明中的单成分系列油墨得到的电阻器进行温度循环测试、温湿度测试和IR回流测试。结果
在下面的表6-8中给出。
表6
温度循环测试
焊料掩模油墨 单成分热固性油墨
T.C之前 T.C之后 T.C之前 T.C之后
平均电阻(Ω) 4.7 4.9 4.9 4.9
平均电阻变化(％) +4.3 0.0
表7
温湿度测试
焊料掩模油墨 单成分热固性油墨
T.H之前 T.H之后 T.H之前 T.H之后
平均电阻(Ω) 4.6 4.9 4.6 4.8
平均电阻变化(％) +6.5 +4.3
表8
IR回流测试
焊料掩模油墨 单成分热固性油墨
IR IR IR IR
IR之前 IR之前
循环1 循环2 循环1 循环2
平均电阻(Ω) 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
平均电阻变化(％) 标准 0.0 0.0 标准 0.0 0.0
最后，对于通过激光微调有选择地在其内形成沟槽的电阻器来说，可以确保所希望的电阻。当在塑性PCB上丝网印刷的电阻器显示了非均匀电阻时，可以进行激光微调以将电阻调整到所需要的值。
如上所述，具有本发明的埋入电阻器的PCB可以具有所希望的电阻值，其电阻值均匀不受环境因素影响。
以上以图示的方式描述了本发明，应理解所用的技术术语倾向于描述而不是限制。根据上述说明，可以对本发明进行许多修改和变化。因此，应理解在附加的权利要求范围内，可以用不同于具体描述的其他方式来实施本发明。