埋銅塊板起泡改善

肖 璐 李民善 紀成光 袁繼旺

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 背景

隨著電子行業(yè)朝高功率、微型化、組件高密度集中化方向的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功率密度越來越大，體積越來越小，如何尋求和優(yōu)化最佳散熱方法及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，成為當今電子工業(yè)設(shè)計的一個巨大的挑戰(zhàn)。有研究表明，電子元器件工作溫度在70 ℃ ～ 80 ℃范圍內(nèi)每升高1 ℃，其可靠性將下降5%[1]。因此對于PCB行業(yè)來說，開發(fā)PCB散熱管理技術(shù)，降低PCB工作溫度，是提高PCB及其系統(tǒng)的可靠性的重要途徑。

埋銅塊PCB產(chǎn)品由于其良好的散熱性，目前已大量應(yīng)用在通信產(chǎn)品中，特別是通訊基站建設(shè)對此類產(chǎn)品的需要非常大。埋銅塊產(chǎn)品由于需要在普通PCB中埋入不同尺寸、不同形狀、不同數(shù)量的銅塊，且大多復(fù)合其他工藝如高頻混壓/局部混壓、階梯槽等，因此相對普通PCB而言，埋銅塊產(chǎn)品的可靠性更容易失效。前期在某類埋銅塊產(chǎn)品的開發(fā)中，回流焊測試板面出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，本文重點就這一缺陷問題進行分析改善研究。

2 問題描述與原因分析

2.1 缺陷板信息

缺陷埋銅塊板為埋銅塊+局部混壓+階梯槽+背鉆盲鉆板，在FR-4中局部埋入高頻子板，具體分布位置見圖1，回流測試后發(fā)現(xiàn)FR4材料板面銅皮起泡（表觀及切片圖如圖2、圖3）。

圖1 子板分布示意圖

圖2 缺陷表觀圖

圖3 缺陷切片圖

2.2 缺陷特征

分析5片回流后缺陷板起泡特征，發(fā)現(xiàn)起泡位置均集中在鉚釘孔附近，具體見表1。

分析此板拼板情況，發(fā)現(xiàn)該板由于追求高拼板利用率，板邊尺寸較小，鉚釘孔距單元較近，因此鉚釘孔位置板狀態(tài)的差異對板單元內(nèi)的影響比常規(guī)板會更加明顯。

分別測量起泡點及其他正常位置的板厚及底銅厚度（測量結(jié)果見表2），發(fā)現(xiàn)起泡點位置的板厚比其他位置均厚，最大厚0.18 mm；而起泡點底銅銅厚比其他正常位置銅厚薄，CS面 20 μm，SS層3 μm，而其他正常位置銅厚均≥8 μm。鉚釘孔位置局部底銅薄，PTH層與樹脂結(jié)合力差，最終導(dǎo)致回流焊后起泡。

表2 缺陷板不同位置的銅厚及板厚

2.3 原因分析

由于前期定位板面起泡與板面銅薄/露基材有強相關(guān)性，那么解決板面局部銅薄是本試驗的目標，因此首先對可能引起板面局部銅薄的原因進行分析。

（1）鉚釘高度不夠，鉚合后，鉚釘孔位置PCB受擠壓，鉚釘邊緣位置PCB厚度變厚，陶瓷磨板時，由于板面厚度不均，板厚厚的位置磨板量大，導(dǎo)致局部銅薄。

圖4 鉚釘孔位置銅薄原因分析

表1 起泡位置示意圖

（2）長邊的鉚釘位置與短邊鉚釘位置距離近，中間位置PCB受擠壓程度變大，局部位置板厚變得更厚，加劇板厚不均勻的程度，進而導(dǎo)致陶瓷磨板厚局部銅薄。

（3）陶瓷磨板參數(shù)過于苛刻，鉚釘孔位置局部板厚較厚，磨板時基材底銅被磨除過多，導(dǎo)致局部銅薄甚至露基材。

3 試驗設(shè)計

3.1 試板設(shè)計

設(shè)計8L板，局部埋入高頻子板，試板結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 試板疊層結(jié)構(gòu)

3.2 試驗設(shè)計與過程控制方法

4 試驗結(jié)果

4.1 預(yù)排鉚合試驗結(jié)果

表3 試驗設(shè)計

表4 試驗過程關(guān)鍵流程控制方法

4.1.1 預(yù)排后鉚釘開花情況顯大于實際調(diào)釘高度等于理論調(diào)釘高度的試板。

分別按照表3的試驗設(shè)計使用四種不同的調(diào)釘高度制作預(yù)排，鉚釘位置的表觀圖見表5。

小結(jié)：從上表看出，預(yù)排過程無異常，實際調(diào)釘高度大于理論調(diào)釘高度的試板鉚合后鉚釘開花明

4.1.2 層壓后鉚合位置表觀檢查結(jié)果

層壓后，觀察不同類別的試板層壓后鉚釘位置情況，結(jié)果見表6。

表5 預(yù)排圖片

表6 層壓后鉚釘位置表觀圖片

小結(jié)：所有試板鉚釘孔邊緣位置略鼓起，不同調(diào)釘高度、鉚合、鋁片的試板之間無明顯差異。

4.1.3 層壓后鉚釘形態(tài)及介厚情況

分別對鉚釘孔位位置切片確認鉚釘在PCB內(nèi)形態(tài)，切片觀察鉚釘在板內(nèi)形態(tài)均無異常，鉚釘邊緣位置介厚大于遠離鉚釘位置介厚。

4.1.4 板厚銅厚

收集層壓后12個位置（5個鉚釘位置 ，8個非鉚釘位置，圖10）的板厚以及陶瓷磨板1后12個位置面銅銅厚情況，結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 板厚測量位置示意圖

圖7 層壓后板厚

圖8 第二次陶瓷磨板后面銅

小結(jié)：（1）板中心位置（位置6，位置7）板厚最厚，子板鉚釘位置（位置1 位置9）板厚略厚于其他四周板厚，母板鉚釘孔位置（位置4 位置12）與其他普通位置無明顯差異；

（2）鉚釘位置銅厚小于普通位置銅厚：鉚釘位置（位置1、位置4、位置9、位置12、位置13）平均銅厚集中在9 μm ～ 12 μm，單點最小5.1 μm，普通位置平均銅厚集中在13 μm ～ 15um，單點最小8 μm；

（3）短邊鉚釘鉚合與否、預(yù)排調(diào)釘高度、壓合所用鋁片類型對試板板厚影響無明顯規(guī)律。

（4）陶瓷磨板一次（電流1.2A，速度1.5m/min）的減銅量約為2 μm ～ 3 μm。

4.1.5 陶瓷磨板后鉚釘孔位置局部板厚銅厚變化情況

為考察鉚釘孔位置小范圍內(nèi)板厚銅厚的變化情況，選取幾種典型位置進行切片分析，結(jié)果見表7-8（走板方向，長邊朝前）。

小結(jié)：（1）使用過鉚釘鉚合的鉚釘孔位置，無論是垂直于走板方向還是平行于走板方向，面銅銅厚變化均是從鉚釘孔開始，銅厚先減小再增加，最小的位置為板厚最厚的位置。

（2）僅鉆孔未使用鉚釘?shù)奈恢?，無論是垂直于走板方向還是平行于走板方向，面銅銅厚基本一致。

4.1.6 陶瓷磨板后露基材情況

在兩次陶瓷磨板后分別檢查試板板面質(zhì)量，第一次陶瓷磨板后，18PCS均無露基材現(xiàn)象，第二次陶瓷磨板后有11PCS露基材，露基材的位置都為鉚釘孔位置，統(tǒng)計露基材的具體位置分布情況，結(jié)果見表11，露基材位置具體露基材程度及形態(tài)見表12。

小結(jié)：從表8可以看出，露基材出現(xiàn)頻率高的位置是位置5、位置6和位置8，其中位置5和位置8為母板長邊中間鉚釘孔位置，位置6為母板長邊邊緣鉚釘孔位置。

小結(jié)：（1）露基材的位置基本在長邊鉚釘孔位置上，僅有1處在短邊，其余位置無露基材現(xiàn)象；（2）鉚釘孔位置露基材程度均較輕微，僅個別位置露基材的范圍較大，但均未進入單元。

結(jié)合板厚及銅厚情況，板中心位置板厚最厚，但兩次磨板后的銅厚與其他位置無明顯差異且無基材；鉚釘孔邊緣局部位置由于受到擠壓板厚也較厚，形成環(huán)形區(qū)域表觀來看略鼓，兩次磨板后該區(qū)域銅厚較薄，直至露基材。說明大范圍整體板厚厚不會造成板面露基材，但小區(qū)域板邊板厚會造成板面露基材。

4.2 陶瓷磨板參數(shù)調(diào)整

（1）試驗過程跟進

（2）IPQC檢驗結(jié)果

（3）小結(jié)

印制電路信息 2013 No.4-150-特種印制板 Special PCB表7 鉚釘孔位置小范圍內(nèi)板厚變化情況表8 陶瓷磨板1后露基材情況統(tǒng)計結(jié)果匯總

-151-印制電路信息 2013 No.4特種印制板 Special PCB表9 露基材表觀圖

表10 試驗結(jié)果

表11 陶瓷磨1后IPQC檢板結(jié)果

①先激光燒蝕再陶瓷磨板，板面棕化層未去除，激光燒蝕無法抓取標靶，需對標靶進行特殊處理后才能進行激光燒蝕；

②三種方法中第一種方法銅塊殘膠及子板殘膠比例最小，鉚釘孔位置均無露基材。

4.3 小結(jié)

（1）采用鉚合工藝的局部混壓埋銅塊板，預(yù)排鉚釘鉚合后，鉚釘邊緣區(qū)域受擠壓局部板厚變得不均勻，二次陶瓷磨板后（1.2 A、1.5 m/min）局部板厚較厚位置容易露基材；

（2）二次陶瓷磨板（1.2 A、1.5 m/min）不會造成大范圍整體板厚較厚位置（如板中央）板面露基材；

（3）鉚釘預(yù)排調(diào)釘高度、埋子板位短邊鉚釘是否鉚合以及層壓排板用鋁片類型與局部混壓埋銅塊板板邊露基材缺陷無明顯關(guān)系，調(diào)高鉚釘高度及使用鉚釘位置鉆孔的鋁片對露基材缺陷改善作用不明顯；

（4）使用較溫和的磨板參數(shù)（1.2 A、2.0 m/min），能避免鉚釘孔位置露基材的情況；

（5）使用陶瓷磨板+激光燒蝕+陶瓷磨1（磨板參數(shù)均為1.2 A、2.0 m/min）的流程設(shè)計，能有效去除板面、銅塊位置殘膠，且不會出現(xiàn)鉚釘孔位置局部露基材的問題，可以滿足批量生產(chǎn)要求。

6 總結(jié)

通過對埋銅塊板板面起泡缺陷的原因分析、試驗研究和驗證工作，得到如下研究結(jié)論：

（1）采用鉚合工藝的局部混壓埋銅塊板，預(yù)排鉚釘鉚合后，鉚釘邊緣區(qū)域受擠壓局部板厚變得不均勻，且經(jīng)過二次較大強度的陶瓷磨板后（1.2 A、1.5 m/min），局部板厚較厚位置容易露基材；

（2）使用較溫和的磨板參數(shù)（1.2 A、2.0 m/min），能避免鉚釘孔位置露基材的情況；而鉚釘預(yù)排調(diào)釘高度、減少鉚釘鉚合數(shù)量以及更換層壓排板用鋁片，對鉚釘孔位置露基材改善作用不明顯。

[1]王文, 李慶友. 電子器件溫度控制技術(shù)[C]. 中國電源散熱器應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展研討會論文集, 2005.