集成型低ESR钽电容电路板的开发

集成型低ESR钽电容电路板的开发

黄根华,徐利刚,袁琛,郑忠鑫,蓝建明

衢州顺络电路板有限公司 浙江衢州 324000

摘要：钽电容的容量变化受外界环境干扰小，具有体积小、使用温度范围宽、耐高温以及寿命长等特征，可以在严峻环境下保持稳定工作状态。传统国产钽电容结构复杂，集成化程度不强，空间利用率低，其ESR数据居高不下，导致制造成本高，加大了其在民用市场上的推广难度。基于此，研究开发出一款集成度高、具有低等效串联电阻（ESR）特性的钽电容线路板，优化钽电容整机结构，将现阶段钽电容市场上的局限打破，为电子元器集成化、小型化的发展提供支持。

关键词：集成型；低ESR钽电容电路板；开发

引言

传统国产电容电路板在应用过程中，暴露出的缺点较多，诸如结构复杂、集成化程度不足、空间利用率低等，需要投入的制造成本高，致使产品很难在民用市场中大面积推广。基于这些缺陷，开发一款集成型低ESR钽电容电路板，在优化各类问题的基础上，增强电路板的性能，满足电子元器件集成化和小型化发展需求。

1集成型低ESR钽电容电路板的开发必要性

钽电容具有颇多优势，体积小、寿命长、容量变化不会被环境干扰、容量误差小等，在严峻工作下具有较强适用性。相比于国外，国产钽电容结构相对繁琐，不具备高度集成化，无法对空间充分利用，致使ESR数据居高不下，不仅需要花费较高成本制造，性能还比较低。所以还要强化对现存缺陷与问题的处理，增强钽电容的性能。通过对集成型低ESR钽电容电路板的开发，刚好可以将这些问题解决，集成度高、等效串联电阻（ESR）低，能够优化传统钽电容整机结构，为电子元器集成化、小型化、高性能化的发展提供支持。若能对集成型低ESR钽电容电路板科学运用，预计可以将同等产品ESR降低20%，提高将近30%的空间利用率。可以说，集成型低ESR钽电容电路板的开发，无论是对行业还是企业，均有较高的价值，值得推广和利用[1]。

2集成型低ESR钽电容电路板的开发

2.1 开发内容

在当前钽电容电子元器件行业发展中，正在朝着小型化、高性能化方向迈进，为紧跟行业发展步伐，在对集成型低ESR钽电容电路板开发过程中，主要开发的内容有集成化结构的设计与开发、低ESR钽电容的设计与开发，降低结构部件中导体电阻对整体ESR的贡献度，达到提升整机产品空间利用率目的，使产品向小型化、薄型化方向发展，节约后期整机制作成本。

2.2 设计与开发

在开发集成型低ESR钽电容电路板开发过程中，重点在于集成化结构和低ESR钽电容的设计、开发，具体分析如下：

（1）集成化结构的设计与开发。钽电容属于电解电容器中的一类，在电子产品中的应用广泛。电容内部主要由钽金属、五氧化二钽、二氧化锰或聚合物、石墨银浆层、银膏粘结层、引出层组成。通过对传统钽电容结构的分析，其中存在的局限较多[2]。因此在开发期间，将电路板特性作为基础，改进和优化传统结构。因为传统结构电容占用空间大，所以在小型化设计阶段，面临的问题较多，诸如模制的环氧树脂外壳缺乏支撑，厚度大；引线框设计结构繁琐，左右方向空间无法充分利用等。为解决此类问题，从产品结构角度分析，合理制定集成化结构设计和开发方案。在具体设计和开发中，将纯金属铜作为回路导通，代替以往的铁镍合金导通，降低导通介质的电导率。同时在底部位置钻孔，用引出的结构代替传统侧边引出结构，采用一体式集成化电路板，让传统结构的多项零部件彻底取代，保证侧边框架不会占用水平方向空间的情况。在SET中，整列单元产品，以封装排列的结构形式存在，强化对树脂封装工艺的利用，确保电容生产效率在提升的同时，传统结构下倒模角不会占用太大空间，达到对产品体积缩小的目的，让空间得到充分使用。

（2）低ESR钽电容的设计与开发。钽电容器具有可靠性强、电容密度高的特性，在军用和商业航空电子设备、植入式医疗电子设备等设计中发挥重要作用。传统钽电容器的阴极系统通常是利用二氧化锰（MnO2）。这种半导体材料具有较强的自愈机制，可靠性高。但是其富含氧气的配方，如果处在高温的环境下，着火的概率会增大。为将现存问题解决，加强对低ESR钽电容的设计与开发。在传统钽电容器特点的基础上，利用通孔内填充金属的方案，代替传统的孔壁镀铜后填充树脂的方案，保证导电横截面在增加的同时，导通电阻也能降低。同时借助电化学工艺，在铜层表面沉积金层，让接触电阻下降。依照焊料用量需求，加强对凸台高度稳定性的控制，让焊料的用量始终保持相同，确保在贴装环节不会出现偏位问题，避免电阻发生上升现象[3]。

2.3 集成结构钽电容PCB生产工艺

在集成型低ESR钽电容电路板设计和开发的基础上，对PCB的生产工艺科学与运用，具体流程如图1所示。同时强化对各项新工艺的研究和开发，提升集成型低ESR钽电容电路板的适用性与可行性。

（1）低阻金属通孔制作工艺。为满足集成型低ESR钽电容电路板开发要求，在对该工艺开发和创新期间，选择利用PCB制作平台，借助激光烧蚀的方式将阴极和阳极与底部电极制作出来。在控制烧灼深度时，利用能量及光圈辅助实现，并做到打通不打穿。同时优化电镀药水，利用金属铜填充孔内，代替传统电镀后树脂塞孔，达到增加统流、降低电阻的目的。通诺对工艺的使用，能够形成金属化通孔，不仅能让导通回路整体缩短，将铜填充到孔内，还能让电阻减小，预计在4毫欧以下

[4]。

（2）厚干膜图形转移工艺。此工艺在应用过程中，可以利用厚干膜压膜曝光技术，依照厚度的不同，采用干膜叠加后曝光方式、曝光参数展开实验研究，将技术应用期间出现的难点解决，达到厚干膜图形曝光目的。同时运用厚干膜层间对位技术，在传统干膜曝光工艺的基础上，优化其中的缺陷，保证层间对位的精准化，让技术参数始终控制在既定范围，在多层叠加方式的辅助下，高效率生产任意厚度干膜。通过对这些技术的应用，所有厚度干膜的图形转移都能被制作，满足不同种类钽电容凸台高度的电容阳极制作要求。

（3）超厚铜凸台制作工艺。此工艺是当前比较先进的工艺手段，包含的技术有薄板VCP三明治电镀技术、金属薄膜沉积导电技术等。针对薄板VCP三明治电镀技术，在具体应用期间，为达到对电容降低的目的，选择将线路板介质厚度控制在0.1mm以下。而此目标的实现，需要开发一种针对薄板的单面图形电镀技术，保证在VCP传输线中，超薄板易卡板的情况能得到良好解决。在完成线路蚀刻后，panel中每个单元网络之间会处在分离状态。因为传统工艺在应用期间，需要运用引线的办法导通电镀，使得残留的引线有漏电现象出现。对此，拟定开发金属薄膜沉积技术，实现整板图形导通，将电镀通路的问题处理好，降低引线残留现象出现概率。

（4）高稳定导电薄膜层除余工艺。在对原有工艺优势充分运用的基础上，建立导电薄膜层除余水平线。其中，导电薄膜层涵盖的物质主要有两种，分别是铜和胶体钯。在新工艺开发，决定建立一条专用水平线，保证铜能先去除，之后再将钯去除。同时强化对新型胶体钯除余剂的开发。在传统除钯剂生产期间，整个过程存在较强的不稳定性，除钯效果也很难达到预期，批量报废的概率大。对此，可以开发一款稳定性高且除钯速率快的胶体钯除余剂。

2.4 产品可靠性分析

在开发集成型低ESR钽电容电路板过程中，将PCB行业高水平汽车电子标准作为依据，在对行业标准严格遵循的基础上，系统分析和研究产品量产可靠性，同时对输出相应的量产控制计划、设计失效模式分析等关键内容，旨在从分析量产产品生产剖面角度考量，明确影响量产可靠性的因素，对重点工艺过程的各项参数精准识别，包括可靠性敏感参数、输出特征参数等，深入分析各个参数之间的相关性，以此为前提，构建完善的量产可靠性的指标评估体系，掌握量产可靠性内涵，从而提出量产可靠性的概念，以便产品批量生产能有序推进。在对产品可靠性分析期间，需要从以下几个方面展开测试：

（1）焊盘拉力测试。通过测试焊盘拉力，明确层压板的强度和回弹力，了解剥离层压板所需的力。在此环节测试中，PCB是重点，对跌落测试过程中承受的拉力模拟，同时进行数据建模，制定可行的抗剥离衡量标准。

（2）凸台高度测试。在产品生产阶段，若想保证整个过程稳定和安全，凸台高度的均匀性必须达到标准。但因为排布密度大，数量众多，单只量测、金相切片等方式确认难度大。因此开发一种批量检测方案，快速挑选检测异常产品，增强产品生产可靠性。

（3）四线微阻测试。测试目的是要在短时间内检测产品完成后的导通电阻。利用传统测试手段获取的结果精准度不高，微阻测试的高精度要求无法满足。因此选择利用四线微阻的方式，快速检测台阶产品，让批量产品的微阻值、成品电容达到既定标准和要求。

3集成型低ESR钽电容电路板开发中应用的关键技术

在集成型低ESR钽电容电路板开发过程中，应用的工艺和技术较多，具体分析如下：

（1）结构件集成化技术。通过对PCB平台的科学利用，集成化设计结构部件，使之形成超厚铜特性的阶梯结构，让钽电容能一体化承载，达到封装功能模块化的效果。

（2）低ESR技术。根据集成型低ESR钽电容电路板开发需求，开发纯金属电镀凸台、激光通孔技术，引出框架引线侧边。在低ESR技术的支持下，导体电导率不仅能提升，导电回路也会缩短，切实达到ESR降低20%以上的目的。

（3）厚干膜曝光对位技术。突破行业30-40um干膜曝光生产水平，通过对技术改进与革新，满足超高能量曝光要求，让多层干膜对位准确度提高。

（4）高均匀性超厚铜图形电镀技术。深入分析和研究VCP电力线分布情况，加强优化电镀参数，同时加大技术改造力度，保证行业发展期间出现的图形电镀后铜厚均匀度不够的问题能彻底解决。

结束语：

综合而言，将传统国产钽电容结构作为基础，开发一款集成型低ESR钽电容电路板，不仅可以加快元器件国产化替代的速度，也能促进企业经济效益的提升，企业可持续发展、市场核心竞争力提升提供支持。因此，集成型低ESR钽电容电路板的开发，具有较高的价值和可行性，在今后发展中，还需加强优化与改进，将更多前沿且先进的技术应用其中，让其发挥最大价值。

参考文献：

[1]贾丽伟，辛杨立，梁华，冯捷斐，徐俊，明鑫，王卓，张波.一种适用于低ESR应用的高精度RBCOT环路[J].微电子学，2022，50(02)：159-166.

[2]蒋春强，陆胜，吕林兴.高频、低ESR钽电解电容器新工艺的开发[J].材料导报，2022(04)：135-137+140.

[3]王明宇，吴天丽，谢丹宇.低ESR钽电解电容器制造技术[J].电子工艺技术，2022(01)：24-27.

[4]张春雨.超低ESR、大容量的机能性高分子铝电解电容器[J].电子设计技术，2022(12)：26-27.