埋銅塊層壓板耐熱可靠性研究

呂紅剛 任堯儒 陳業(yè)全 紀(jì)成光

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

埋銅塊層壓板耐熱可靠性研究

呂紅剛 任堯儒 陳業(yè)全 紀(jì)成光

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

埋銅塊層壓板銅塊與樹脂結(jié)合力差，大批量生產(chǎn)板在焊接時(shí)存在一定比例分層，因此通過機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定其可靠性影響因素，通過工藝和參數(shù)優(yōu)化以提高其耐熱可靠性。

銅塊；分層；裂紋；黑化；棕化

1 前言

隨著我國3G通信的發(fā)展，大功率功放器件已經(jīng)成熟的運(yùn)用在PCB上，為此PCB在實(shí)現(xiàn)基本的信號(hào)傳輸功能的同時(shí)還須承載高頻功放所帶來的熱量散發(fā)功能。實(shí)現(xiàn)散熱的途徑有PCB板面附著金屬基（Preboding、Post Bonding和Sweat Bonding ）、PCB開槽通過銅牙固定的嵌銅塊（Press Fit Coin）和通過樹脂粘合的埋銅塊（Buried Coin）層壓板等。由于銅塊與板材之間存在膨脹系數(shù)、銅塊與板材厚度匹配等特性差異，在焊接過程中存在板面銅皮鼓泡的耐熱可靠性問題，因此本文將研究埋銅塊層壓板耐熱可靠性。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

埋銅塊層壓板分三種設(shè)計(jì)，分別是盲銅塊設(shè)計(jì)（PCB的局部層次埋入銅塊，再在銅塊上控深銑階梯槽）、直銅塊設(shè)計(jì)（I-coin，整個(gè)貫通PCB）和階梯銅設(shè)計(jì)（T-coin，局部貫通PCB）。具體設(shè)計(jì)如圖1：

圖1 埋銅塊PCB設(shè)計(jì)示意圖

2.2 流程設(shè)計(jì)

埋銅塊板制作流程，見圖2。

2.3 可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 評(píng)價(jià)方法和接收標(biāo)準(zhǔn)（表1、圖3）

2.3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.3 失效分析

通過成品表觀失效板和再流焊后板面鼓泡板切片分析，確認(rèn)失效原因。接收態(tài)銅塊與板角交接區(qū)針孔裂縫比例17.4%（840/4840），見圖4。

表觀合格的成品板經(jīng)過5次再流焊評(píng)估（評(píng)估條件：板面峰溫245 ℃ ± 5 ℃，≥240 ℃以上時(shí)間20 s ～30 s）后，6.82%（＝3/44）比例的板面鼓泡，切片分析銅塊與半固化片和側(cè)壁樹脂之間存在明顯裂紋，見圖5。

圖3

圖5 再流焊后切片圖

從接收態(tài)表觀失效板的垂直切片分析，銅塊側(cè)壁與樹脂之間存在鍍銅，即表明該裂縫在沉銅前就已存在，沉銅微蝕/活化液通過該裂縫逐步滲透到銅塊底部，微蝕銅塊黑化膜，將黑色的氧化銅還原成粉紅色的銅。

再流焊之后的銅塊與半固化片之間產(chǎn)生裂紋，銅塊在垂直方向向外凸起以釋放應(yīng)力，當(dāng)外層鍍銅的切向力大于板面芯板底銅的剝離強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力將芯板底銅拉起實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的最終釋放，表觀表現(xiàn)為板面鼓泡，否則表觀為鍍層斷裂。

經(jīng)過以上分析可以判斷（表2）：（1）裂紋在PTH前就已經(jīng)形成；（2）微蝕/活化液通過裂縫微蝕銅塊黑化膜，導(dǎo)致受熱后銅塊凸起使板面鍍銅剝離鼓泡。為此需要從增強(qiáng)銅塊與半固化片的結(jié)合力方向分析和改善，確認(rèn)影響結(jié)合力的關(guān)鍵因素，通過工藝改善以提升銅塊位置的耐熱性能。

3 原因分析

3.1 影響因素分析

通過流程分析，確認(rèn)影響產(chǎn)品耐熱性能的主要因素如圖6。

圖6

以上因素除板材和銅塊CTE差異的影響理論分析產(chǎn)品驗(yàn)證外，其余五項(xiàng)需要通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果確認(rèn)改善方向。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 CTE熱膨脹性影響程度

熱脹冷縮是物質(zhì)的共同本性，不同物質(zhì)CTE（Coeff i cient of Thermal Expansion）即熱膨脹系數(shù)不同。印制板是樹脂+增強(qiáng)材料（如玻纖）＋銅箔的復(fù)合物。在板面X-Y軸方向，印制板的熱膨脹系數(shù)為(13～18)×10-6/℃，板厚Z方向Tg前CTE為(80～90)×10-6/℃，Tg后CTE為(180～240)×10-6/℃（實(shí)際使用TMA測(cè)試a1=82，a2=213），內(nèi)層芯板使用的HTE電解銅CTE為16.8×10-6/℃，而鑄造銅的CTE為16.92×10-6/℃。埋銅塊采用鑄造工藝，即將金屬熔化，然后流入有特定形狀的型腔中，凝固之后就形成了特定厚度的銅坯，再經(jīng)過沖、銑加工制成指定長寬厚規(guī)格銅塊，電解銅和鑄銅晶體表現(xiàn)如圖7。

分析一款埋銅塊板再流焊測(cè)試后銅塊和板材在Z方向上膨脹絕對(duì)變化量見表3。

銅塊和板材升溫階段的膨脹絕對(duì)量差異41.1 mm，這種差異理論上在再流焊處理后壓合界面不可避免的會(huì)存在輕微裂紋（而常規(guī)15 mm厚的內(nèi)層銅受熱后膨脹量只有0.055 mm，變化量對(duì)分層的貢獻(xiàn)微不足道），該裂紋不影響銅塊散熱的基本功能，所以該缺陷客戶可接受。相似原理，在側(cè)壁銅塊與樹脂之間也會(huì)產(chǎn)生裂紋，該裂紋也可接收。再流焊5次評(píng)估后切片見圖8。

圖8 CTE差異導(dǎo)致再流焊后界面裂紋圖

3.2.2 銅塊厚度與板厚匹配

銅塊厚度綜合影響銅塊表面流膠和底部P片樹脂結(jié)合情況：

銅塊過厚，會(huì)導(dǎo)致銅塊底部P片樹脂被壓力影響流走，產(chǎn)生銅塊與玻纖直接接觸的現(xiàn)象，而降低結(jié)合力；

銅塊過薄，雖然底部不存在結(jié)合力問題，但頂部勢(shì)必又會(huì)因?yàn)楦叨炔畹脑蛄髂z過多，而導(dǎo)致后續(xù)制程加工困難。

3.2.3 銅塊表面處理方式

銅塊表面處理方式有黑化和棕化處理方式，就兩種處理方式的基本原理和表面結(jié)構(gòu)做分析，見表4。

通過表面晶體分析，結(jié)論為：鑄造銅塊表面晶體間空隙比電解銅箔明顯要大；棕化處理表觀比黑化處理明顯要致密。說明銅塊采用黑化工藝比棕化工藝更容易被藥水侵蝕。

3.2.4 鉆孔后烘板參數(shù)

由于F板料為高Tg板料（Tg 175.7 ℃/DSC），要求鉆孔后烘板溫度在玻璃化轉(zhuǎn)化溫度之上，為此烘板時(shí)間工藝規(guī)范185 ℃×6 h。經(jīng)過高溫長時(shí)間的烘烤，板材和樹脂老化，樹脂與銅塊間存在微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。供應(yīng)商建議185 ℃×3.5 h。

3.2.5 壓板程序

產(chǎn)品層壓程序優(yōu)化，提高升溫速率使樹脂充分流動(dòng)，改善銅塊與樹脂的結(jié)合力：

3.2.6 板材影響

由于使用滿足基本耐熱性能的無鉛板料，該因素將在影響銅塊和樹脂之間結(jié)合力的主要因素確認(rèn)后評(píng)估。使用板料的基本信息如下。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表5）

表5

4.2 評(píng)價(jià)方法

表觀確認(rèn)各階段銅塊位置表觀微裂紋，熱應(yīng)力評(píng)估各階段銅塊裂縫和側(cè)壁滲銅數(shù)量。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果（表6、表7、圖9）

裂縫、滲銅和微裂紋圖片見圖9。

正交試驗(yàn)銅塊失效比例結(jié)果，見表6。

表6

結(jié)果分析（表8）：

表8

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：（1）各因素影響程度，由大至小順序?yàn)椋罕砻嫱饫恚俱~厚＞鉆孔烘板條件＞壓板程序；（2）表面處理和銅塊厚度是主要影響因素，鉆孔后烘板條件是次要影響因素，層壓程序影響很?。唬?）最優(yōu)條件為：“2212”，即銅塊厚度等于槽深、表面處理選棕化、壓板程序選擇890#、鉆孔后不烘板。

4.4 進(jìn)一步驗(yàn)證板材影響

考慮到試驗(yàn)結(jié)果中：（1）層壓影響很小，而且理論上66#程序更有利于樹脂流動(dòng)填充；（2）烘板為次要影響因素，因此決定采用“2222”(縮短烘板時(shí)間)條件進(jìn)行后續(xù)不同板材試驗(yàn)。

具體試驗(yàn)條件如下：（1）銅塊厚度：槽深1:1（2）表面處理：棕化（3）壓板程序：66#（4）烘板條件：185 ℃ × 3.5 h

試驗(yàn)結(jié)果（表9）：

表9

小結(jié)：三種板材對(duì)裂縫影響無顯著差異。

4.5 影響因素確認(rèn)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定各個(gè)影響因素的影響順序與最優(yōu)條件為：

（1）銅塊處理方式：棕化；（2）銅塊厚度：槽深1:1；（3）鉆孔后烘板條件：185 ℃ × 3.5 h；（4）層壓壓板程序號(hào)：66#；（5）板材選擇：無影響。

5 大批量生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果

通過優(yōu)化工藝和制程控制參數(shù)，經(jīng)過批量驗(yàn)證耐熱可靠性，結(jié)果如下：

工藝改善后5次客戶再流焊條件評(píng)估4批次共29塊板，板面無鼓泡，銅塊位置無凸起，滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)。

6 總結(jié)

（1）埋銅塊層壓板耐熱可靠性主要影響因素為：銅塊表面處理、銅塊厚度，通過銅塊棕化處理和銅塊厚度為槽深1：1控制，可以解決埋銅塊層壓板板面鼓泡問題，提高耐熱可靠性。

（2）銅塊由于采用鍛造方式加工，其表面晶格狀態(tài)不同于采用電解方式的銅箔，對(duì)表面處理具有選擇性，應(yīng)該采用棕化處理，改善其表面粗糙度，增加界面結(jié)合力。同時(shí)由于棕化時(shí)金屬表面生成一層極薄且致密的有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化膜，這層膜能有效地嵌入銅表面，在銅表面與樹脂之間形成一層網(wǎng)格狀轉(zhuǎn)化層，增強(qiáng)內(nèi)層銅與樹脂結(jié)合力，阻擋壓板過程中環(huán)氧樹脂聚合硬化產(chǎn)生的胺類物質(zhì)對(duì)銅面的攻擊，因此棕化處理可以更有效的防止表面處理層被破壞，提高環(huán)境適應(yīng)性，增加耐熱可靠性。綜合結(jié)果，對(duì)于非電解方式制造的銅產(chǎn)品，如果需要壓合，其表面處理應(yīng)選用棕化。例如：埋銅塊壓合板（鍛造銅）、埋容壓合板（壓延銅箔）、銅基壓合板（鍛造銅）等。

（3）銅塊厚度控制方面，等于槽深時(shí)，既可以解決銅塊表面流膠問題，又可以避免銅塊底部流膠過多而導(dǎo)致玻纖接觸銅塊，結(jié)合力與可靠性良好。

[1]Oberg, E.et al. Machinery's Handbook (25th ed.),Industrial Press Inc, ISBN 0831126205,1996.

[2]棕化工藝參數(shù)對(duì)內(nèi)層結(jié)合力的影響[J].印制電路信息, 2009,3.

[3]3M埋電容可制造性型和可靠性. 3M, 2011,8.

[4]Jeffrey P.Gambino等.銅互連的可靠性.IBM, 2011,10.

Heat-resisting reliability research of the laminated buried coin board

LV Hong-gang REN Rao-ru CHEN Ye-quan JI Cheng-guang

Because of the poor bonding between the copper coin and resin, the delamination was partly happened in the mass production in the soldering process, so we need to analyze the principle of all the related factors and conf i rm the key factors via DOE to promote the heat-resisting reliability.

Copper coin; Delamination; Crack; Black oxide; Brown oxide

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）08-0034-06

呂紅剛，品質(zhì)部經(jīng)理，具有豐富的PCB技術(shù)與品質(zhì)管理經(jīng)驗(yàn)，業(yè)績卓著，現(xiàn)致力于PCB產(chǎn)品研發(fā)和可靠性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究。