厚銅板可靠性保證的控制方法研究

葉應(yīng)才 何 淼 黃海蛟 余 洋 彭衛(wèi)紅 姜雪飛 劉 東

深圳崇達(dá)多層線路板有限公司

1 前言

厚銅板尤其是銅厚103μm ～ 206μm的PCB，因?yàn)槠溆辛己玫妮d電流能力和良好的散熱性能，在一些需要載有高功率的元器件的PCB產(chǎn)品中應(yīng)用十分廣范。這兩年，由于3G項目的開展，國內(nèi)的厚銅PCB產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)能源上得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的效果，一方面優(yōu)化了產(chǎn)品的封裝結(jié)構(gòu)，也提高了電源模塊的可靠性能。

受到網(wǎng)絡(luò)能源模塊的啟發(fā)，目前許多公司也正在積極開發(fā)厚銅PCB的設(shè)計模式，采用環(huán)形線來取代原先的變壓器部分，廣泛的應(yīng)用于變壓器、電感裝置和電源模塊。這些產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用均得益于PCB目前微型，輕薄，精密線路制作技術(shù)的提升，同時也是厚銅PCB產(chǎn)品可靠性和使用性能穩(wěn)定可靠的有力驗(yàn)證。

而在厚銅PCB產(chǎn)品制作的過程中，因?yàn)殂~厚的原因，在內(nèi)層線路制作、壓合、鉆孔、孔銅電鍍、阻焊等等主要的流程中都需要有側(cè)重的管控點(diǎn)，稍有疏忽，將會造成耐電壓不良，電感超差，電容超差，直流電阻不合格等等信賴性問題。

隨著產(chǎn)品的發(fā)展，厚銅PCB產(chǎn)品已經(jīng)有銅厚度511.4μm的量產(chǎn)需求，對于這樣的產(chǎn)品，在PCB的制作上更是困難重重。對于厚銅PCB產(chǎn)品而言，我們?nèi)绾尾拍塬@得穩(wěn)定可靠的厚銅PCB產(chǎn)品信賴性呢？

2 厚銅板的可靠性保證控制重點(diǎn)

對于厚銅的PCB產(chǎn)品，在產(chǎn)品的制作過程中，除了我們要滿足常規(guī)的IPC-6012里面相關(guān)的要求事項外，對于設(shè)計PCB的客戶而言，他們還更加關(guān)心PCB產(chǎn)品的耐電壓性能，電感、電容、直流電阻等是否符合設(shè)計要求，因?yàn)檫@些指標(biāo)直接影響著產(chǎn)品的最終使用性能。

耐電壓的性能是厚銅PCB產(chǎn)品的最重要也是設(shè)計者和產(chǎn)品使用者最為關(guān)心的指標(biāo)之一。常規(guī)而言，耐高壓測試包含了層間耐高壓和線與線之間或者線與焊盤之間的抗高壓能力；為了防止在高壓下，PCB內(nèi)的銅和外部的金屬或磁性材料發(fā)生短路，也會要求PCB做板邊高壓測試，。

不同材料做成PCB產(chǎn)品，其介質(zhì)層抗電壓的能力情況如下表所示：

?

電感

隨著電源模塊的發(fā)展，采用PCB繞線作為線圈從而得到電感的設(shè)計方法使用得越來越廣泛，這個時候，設(shè)計者往往要求PCB繞線形成的電感需要滿足設(shè)計值。因?yàn)槔@線的電感會因?yàn)檩斎胄盘栴l率的高低而產(chǎn)生差異，所以一般客戶都會指定一個測量的頻率值；我們知道，電感的經(jīng)驗(yàn)計算公式如下：

其中：

μ0——真空磁導(dǎo)率=4π×10(-7)。

μs——線圈內(nèi)部磁芯的相對磁導(dǎo)率，空心線圈時μs=1

N2——線圈圈數(shù)的平方

S——線圈的截面積/m2

l——線圈的長度/m

k——系數(shù)，取決于線圈的半徑(R)與長度(l)的比值。

直流電阻

直流電阻是設(shè)計者出于阻抗的考慮和信號的損失而考慮的一個物理量，拿銅的電阻率來說

t——環(huán)境溫度。

不同測量環(huán)境溫度下，電阻率都是變化的，而電阻的計算公式為：

R—電阻/?；

ρ—導(dǎo)體電阻率/(?/m)；

L——導(dǎo)體長度/m；

S——導(dǎo)體的截面積/m2。

在電路回路里面，造成信號或能量損失的因素主要來源于感抗、容抗和內(nèi)阻，所以厚銅板內(nèi)在的電容值也是很多產(chǎn)品需要考察的指標(biāo)之一。我們知道：

C = ξ0 * ξr * S / d[1]

ξ0——真空的介質(zhì)常數(shù)；

致公黨與中國共產(chǎn)黨、國民黨的關(guān)系是致公黨歷史研究的重要內(nèi)容，研究者多將致公黨歷史研究置于多黨合作制度框架下，兼論中國共產(chǎn)黨的統(tǒng)一戰(zhàn)線政策與國民黨一黨專制政策，進(jìn)而梳理了致公黨與中國共產(chǎn)黨走向合作的原因、經(jīng)過及意義。

ξr——絕緣的介電常數(shù)；

S ——截面積；

d ——厚度。

3 厚銅板可靠性失效的原因分析

對于厚銅板失效模式的分析，許多PCB業(yè)界的同仁早已開始了研究，除了常規(guī)的IPC-6012標(biāo)準(zhǔn)里面界定的內(nèi)容，人們重點(diǎn)研究了厚銅板的耐高壓性能。并總結(jié)出了許多改善厚銅板層間耐高壓和線間介質(zhì)填充的方法。本文從另外的一些失效的模式來分析其失效的原因，并找到相應(yīng)的改善和控制方法。

對于層間和線間的高壓不良原因，人們已經(jīng)做了很多分析，主要的影響因素主要是線路間殘銅、壓合時填膠不良和壓合以后介質(zhì)層厚度偏薄。厚銅板制作的技術(shù)發(fā)展到今天，壓合時填膠的技術(shù)已經(jīng)不是問題，依靠多張106PP片疊合的方法，可以制作到511.4μm的厚銅填膠。我們采用單面壓合的方法，可以更好的層間樹脂填充以及控制好層間的介質(zhì)層厚度。

對于介質(zhì)層的厚度，因?yàn)槎鄰圥P疊合的原因，壓合升溫的速率過快，壓力不均勻等等原因都會造成層間的介質(zhì)層厚度的偏薄，從而導(dǎo)致高壓測試失效。但最容易被大家疏忽的問題是所使用銅箔的銅牙高度，因?yàn)殂~牙高度過大而造成介質(zhì)層偏薄，導(dǎo)致高壓測試失效的問題也時有發(fā)生。

圖1 殘銅

圖2 壓合填膠不良

圖3 介質(zhì)層偏薄

內(nèi)層線到成型邊的高壓不良主要表現(xiàn)為內(nèi)層銅層與PCB外圍封裝的磁材料或者金屬材料在高壓下發(fā)生短路，主要原因主要有2個，一個是壓合層偏導(dǎo)致的內(nèi)層銅層偏位，另外一個是設(shè)計時，內(nèi)層銅層到外圍成型邊的距離過小，試驗(yàn)證明，對于FR4材料而言，耐壓要求2500 V時，內(nèi)層銅層到外圍的安全距離為0.1 mm。

圖5 內(nèi)層銅層到成型邊距離小圖片

圖6 內(nèi)層銅層到成型邊距離合格圖片

對第一種情況，阻焊層厚度不夠厚是主要的原因之一，當(dāng)然，類似于線邊發(fā)紅的現(xiàn)象，在進(jìn)行封裝時，如果PCB外部需要安裝金屬外盒或者有導(dǎo)電物質(zhì)與線直接接觸，肯定需要防止線邊角因?yàn)樽韬负穸炔粔蚨鴮?dǎo)致短路的問題。

圖7 外層阻焊層厚度過薄的圖片

我們知道，一般阻焊油墨的耐電壓值為110 V/μm ～ 125 V/μm，根據(jù)這一特性，如果元器件上需要使用高壓時，根據(jù)額定電壓值，可以計算到與其相接觸的不同網(wǎng)絡(luò)線路線角的阻焊厚度。

然而，對于本身就有100μm以上間隙的PAD間或線和PAD間的打火花現(xiàn)象，經(jīng)過我們的測試和觀察發(fā)現(xiàn)，打火花的位置都發(fā)生在方PAD的邊角位，這是方PAD的邊角發(fā)生了尖端放電的效應(yīng)引起的。我們將方PAD的邊角修改成圓弧形，試驗(yàn)證明，在進(jìn)行高壓測試時，尖端放電的現(xiàn)象消失了。值得一提的是，這種尖端放電現(xiàn)象的發(fā)生，只有在進(jìn)行交流電高壓測試時才會發(fā)生。

以繞阻類的厚銅PCB為例，的從PCB制作的角度而言，電感的計算方式和方法對我們來說基本沒有太多的影響，但從計算公式中我們看到，對于電感而言，導(dǎo)體的長度，線圈匝數(shù)和截面積(S)是影響的關(guān)鍵參數(shù)，我們知道，導(dǎo)體長度和線圈的匝數(shù)在設(shè)計時已經(jīng)是設(shè)計好的，我們能改變的只有截面積(S)，而截面積(S)轉(zhuǎn)換成PCB制作而言，就是銅厚和線寬。

而如果線路之間發(fā)生短路或者開路，就會改變了導(dǎo)體的長度以及線圈的匝數(shù)，從而導(dǎo)致電感不合格。在PCB制作的過程中，更多的時候，導(dǎo)致電感不符合要求的原因主要是因?yàn)槔@線的短路或開路問題。

圖9 線圈短

圖10 線圈開路

從電容的計算公式我們可以看到，影響電容值大小的主要因素是介質(zhì)層的厚度和銅層的面積，我們不難發(fā)現(xiàn)，在PCB的制作過程中，我們需要重點(diǎn)控制的內(nèi)容其實(shí)是介質(zhì)層的厚度，因?yàn)榫€寬的蝕刻量公差我們一般能控制在20μm以內(nèi)（以2 OZ底銅為例），銅層面積的偏差不大。

對PCB板的測試和切片分析，結(jié)果表明，所有的電容值超大的板子都是因?yàn)榻橘|(zhì)層偏薄引起的。

根據(jù)上述的直流電阻計算公式，我們可以看到，在PCB的制作過程中，線路的長度是不會改變的，我們在PCB的制作過程中主要控制的是線路寬度和銅厚。

一般而言，線幼和銅薄是造成直流電阻超差的主要原因。對于厚銅板的蝕刻，線寬也在越做越細(xì)，許多6 oz的產(chǎn)品，線間線寬的設(shè)計已經(jīng)達(dá)到了0.25 mm/0.30 mm的范圍，對于這樣的線路設(shè)計，蝕刻參數(shù)以及線寬補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ俏覀冄芯康闹攸c(diǎn)。

而銅薄的問題，更多的時候體現(xiàn)在內(nèi)層。尤其是當(dāng)內(nèi)層使用超粗化處理的時候，每一次做內(nèi)層前處理都會消耗1μm ～ 2μm左右的銅，如果內(nèi)層有超過2次的返工，將會給直流電阻的阻值帶來超差的風(fēng)險。

4 提高厚銅板可靠性的設(shè)計方法研究

內(nèi)層線到成型邊耐壓不良

為了保證內(nèi)層線路與外部的封裝元件不發(fā)生高壓短路，我們要保證成品時，內(nèi)層的線路與外型成型線之間的間距要大于0.1 mm，從設(shè)計的角度上來講，考慮到線路蝕刻補(bǔ)償、鑼板外形公差和壓合層偏等等因素，安全的線到邊距離應(yīng)該設(shè)計為0.3 mm以上；

對于厚銅板來說，這個安全距離很重要，尤其對于沒有銷釘定位的直徑只有20 mm左右的線圈產(chǎn)品而言，由于壓合層偏和外形鑼板公差帶來的高壓擊穿風(fēng)險是很大的。

從原因分析的過程我們可以看到，在設(shè)計上，根據(jù)產(chǎn)品的封裝要求，阻焊的厚度是我們關(guān)注的重點(diǎn)之一；但是從原因分析的過程來看，重要的是我們要將貼裝的元器件與相鄰非同一網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體之間的間距要足夠大，因?yàn)橐晃兜囊笤黾幼韬负穸?，會造成阻焊高于焊盤的情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對于阻焊開窗0.05 mm的PAD位，阻焊高度如果高于銅面70μm，將會導(dǎo)致焊盤焊錫不良；

為了避免尖端放電效應(yīng)的發(fā)生，從設(shè)計上，我們應(yīng)該規(guī)避方形角的設(shè)計，盡量采用倒圓角的設(shè)計方法，如導(dǎo)45°角，這樣同時也可以降低阻焊制作的難度。

對于層間耐壓的問題，壓合時，所使用的PP層結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，即要滿足產(chǎn)品的成品厚度要求，又不能將PP層的厚度設(shè)計偏薄，疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計是關(guān)鍵；

銅牙造成的影響可以在材料的選擇上進(jìn)行改善，設(shè)計沒有太大影響。但是在材料上進(jìn)行選擇時，一定要參考IPC4562金屬箔的箔輪廓，采用參數(shù)Rz(DIN)或RTM （可參考IPC-650-TM 2.2.17）。

允許最大箔輪廓[2]

?

圖11 最小介質(zhì)厚度典型1剖切測試

從上述的原因分析結(jié)果，對于電感不良的問題，主要還是開短路的問題。另外一方面，則是線寬和銅厚的設(shè)計，這部分的設(shè)計內(nèi)容主要在PCB電路布線設(shè)計的時候完成，對于PCB制作而言，重要的是做好線寬的補(bǔ)償和保留足夠的線與線之間的間隙。

對于PCB而言，我們當(dāng)然希望PCB內(nèi)部的容抗越小越好，而如果這樣，我們需要設(shè)計成小的銅面積和厚的介質(zhì)層，在PCB尺寸已經(jīng)很小，而且線路設(shè)計圖形已經(jīng)沒有空間調(diào)整的情況，調(diào)整介質(zhì)層厚度是我們最好的選擇，然而，對于大部分PCB而言，我們都希望越薄越好，所以，這個時候，控制好介質(zhì)層厚度是既能提供合格的電容值，又能保證整體板厚符合結(jié)構(gòu)設(shè)計的。

在做疊層結(jié)構(gòu)的時候，我們可以根據(jù)客戶給定的電容控制值，計算出我們需要控制的介質(zhì)層厚度，并可以根據(jù)電容的上限控制值，計算出介質(zhì)層的最薄下限。

對于直流電阻，重要的是對于銅厚和線寬的控制，設(shè)計時建議PCB電路設(shè)計者采用IPC標(biāo)準(zhǔn)中要求的完成銅厚的值進(jìn)行設(shè)計，而不能直接用單位重量：1 oz/ft2等于35μm的銅厚關(guān)系進(jìn)行換算；對于IPC-6012C標(biāo)準(zhǔn)，完成銅厚可以歸納如下表[3]：

?

對于直流電阻的設(shè)計，關(guān)鍵的問題是對于非規(guī)則圖形，因?yàn)槠渚€寬和長度不好統(tǒng)計。筆者也沒有找到在不規(guī)則圖形設(shè)計時直流電阻計算的相關(guān)參考文獻(xiàn)。

對于不規(guī)則的圖形的PCB產(chǎn)品，目前最好的方法還是通過樣品確認(rèn)法，就是收集同一款產(chǎn)品其線寬銅厚對應(yīng)的電阻值，粗略的計算方法可以認(rèn)為銅厚固定不變，考慮線寬和直流電阻的線性關(guān)系，畫出線性圖，然后找到控制直流電阻上限時對應(yīng)的線寬，找到相應(yīng)的線寬控制點(diǎn)。

5 提高厚銅板可靠性的流程控制方法

找到了問題產(chǎn)生的原因，并有了相應(yīng)的設(shè)計對策，其實(shí)在產(chǎn)品的可靠性控制方面的相應(yīng)措施如何制定就顯而易見了。對于厚銅的可靠性問題，在過程和成品我們都應(yīng)該想辦法進(jìn)行驗(yàn)證。這個過程中，重要的是對于方法和工具的選擇，畢竟PCB是需要講究產(chǎn)量的，而對于高壓和電感，電容和直流電阻這幾個重要的特性指標(biāo)，產(chǎn)品的設(shè)計往往要求我們要進(jìn)行100%的檢驗(yàn)，所以我們既要保證產(chǎn)品可靠性測試的準(zhǔn)確性，同時還要關(guān)注到效率的問題。

內(nèi)層線到成型邊耐高壓：

?

外層阻焊后耐高電：

?

層間耐壓不良：

?

以繞阻為例，過程的監(jiān)控是以銅厚和線寬為主，這是常規(guī)的PCB產(chǎn)品監(jiān)控項目，過程的監(jiān)控方法沒有必要多說。作為產(chǎn)品的使用性能指標(biāo)，每一片PCB板均需要通過電感測試方可出貨，所以必須做一個電感測試的工裝進(jìn)行電感測試，此測試放在成品進(jìn)行。電感的測試工裝上必須有磁芯裝置。

根據(jù)我們分析的結(jié)果，PCB的電容值重要影響因素是介質(zhì)層厚度，而直接影響介質(zhì)層厚度的因素在于我們的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計；而直流電阻的管控仍然是線寬和銅厚。

目前我們的普通測試機(jī)都沒有具備進(jìn)行直流電阻測試和電容測試的功能，但這兩個指標(biāo)又是產(chǎn)品的功能指標(biāo)，往往要求我們進(jìn)行100%測試，對于大批量的產(chǎn)品而言，會碰到瓶頸。目前常用的電容值和直流電阻值設(shè)備為Chroma的測試儀，測量直流電阻時，常用四線微電阻測量設(shè)備來進(jìn)行。

圖12 直流電阻測試顯示圖

6 總結(jié)

電子產(chǎn)品的發(fā)展正在日新月異的變化著，PCB產(chǎn)品的設(shè)計多樣化也正在進(jìn)行著，通過PCB的良好設(shè)計方案來提升電子產(chǎn)品的使用性能是許多設(shè)計者正在積極研究的內(nèi)容。對于厚銅產(chǎn)品而言，把握好了厚銅PCB產(chǎn)品的關(guān)鍵使用性能指標(biāo)可靠性的監(jiān)控，理解其不良產(chǎn)生的原因，我們才能做到在源頭控制，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，同時才能找到一些很好的解決方案來提升我們產(chǎn)品的技術(shù)能力水平。當(dāng)然，對于不同設(shè)計的產(chǎn)品也會有其他不同的性能需求，希望能有更多的PCB業(yè)界同仁發(fā)表見解，共同推動厚銅PCB產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展。

[1]林金堵, 梁志立, 鄔寧彪, 陳文錄, 陳培良. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)（第二版）[M]. 中國印制電路行業(yè)協(xié)會, 印制電路信息雜志社, 2009,3.

[2]IPC-4562印制板用金屬箔. 國際電子工業(yè)連接協(xié)會, 2000,5.

[3]IPC-6012C 2010 Page 34 Association Connecting Electronics Industries ISBN #1-580986-36-6.