銅箔皺原因分析及改善措施

陳于春 李子揚(yáng)

（深南電路有限公司二廠技術(shù)部，廣東 深圳 518117）

1 前言

壓合工序是線路板工廠中最重要的工序之一。在高多層背板占主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)，由于多采用PIN定位方式；當(dāng)板件出現(xiàn)大電源模塊等高壓集中區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，必然導(dǎo)致板內(nèi)各層指定區(qū)域出現(xiàn)大面積無(wú)銅區(qū)。無(wú)銅區(qū)在壓合中逐層疊加，致使壓合過(guò)程中出現(xiàn)貫通式空白無(wú)銅區(qū)，往往導(dǎo)致銅皺缺陷率較高。針對(duì)此問(wèn)題多數(shù)企業(yè)不得以而采用增加外層銅箔厚度然后微蝕減銅的不增值方式來(lái)應(yīng)對(duì)。因此銅皺問(wèn)題已成為制約推廣薄銅箔、響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排，做環(huán)保型、節(jié)約型企業(yè)的嚴(yán)重障礙，這一難題的攻克也得到行業(yè)內(nèi)重視。

2 缺陷介紹

銅皺即為多層板壓合后銅箔表面出現(xiàn)不規(guī)則性褶皺問(wèn)題，這種問(wèn)題多數(shù)發(fā)生在內(nèi)層逐層累加的無(wú)銅區(qū)。

切片表明：銅皺發(fā)生在第一層PP中玻纖布與表層銅箔之間。銅皺折痕垂直深度不超過(guò)0.07 mm，且大多表現(xiàn)為：表層銅箔塌陷，橋搭在PP玻纖布的織紋上，沒(méi)有觀察到玻纖布下陷的現(xiàn)象。

3 起皺原理分析

長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)銅皺產(chǎn)生一些固有認(rèn)識(shí)：當(dāng)板件內(nèi)部由于設(shè)計(jì)原因存在空白區(qū)時(shí)，空白區(qū)逐層累加，會(huì)出現(xiàn)空白區(qū)與銅面區(qū)的高度差（例如，假設(shè)內(nèi)層芯板銅厚34.3 mm，16層板，空白區(qū)與銅面區(qū)的高度差累計(jì)在0.49 mm左右）。壓合過(guò)程中空白區(qū)與銅面區(qū)高度差的存在，致使壓合過(guò)程中形成低壓區(qū)，低壓區(qū)內(nèi)樹(shù)脂在填膠過(guò)程中定向流動(dòng)形成銅箔褶皺，最終出現(xiàn)銅皺缺陷。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為銅皺的主要原因?yàn)椋嚎瞻讌^(qū)失壓，流膠不充分導(dǎo)致銅箔舒展不良而出現(xiàn)銅皺缺陷。

然而在壓力學(xué)中靜水壓指出當(dāng)傳壓介質(zhì)為液體時(shí)，同一液面中各個(gè)位置的壓強(qiáng)相等。壓合過(guò)程中，隨著溫度的升高，作為粘結(jié)片的樹(shù)脂會(huì)變軟、融化、流動(dòng)。在此情況下即便是樹(shù)脂的流動(dòng)度沒(méi)有達(dá)到靜水壓要求的流體粘度，我們也可以認(rèn)為在壓合過(guò)程中疊層內(nèi)各粘結(jié)片間是一個(gè)準(zhǔn)靜水壓的過(guò)程。即在壓合過(guò)程中壓力梯度的存在是較小的，遠(yuǎn)沒(méi)有我們想象中那么大。因此將銅皺產(chǎn)生原因僅僅鎖定為：板內(nèi)空白區(qū)失壓的說(shuō)法有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。銅皺產(chǎn)生的根因也有待進(jìn)一步完善。

3.1 壓力梯度與起皺的關(guān)系

由于試驗(yàn)條件限制，我們無(wú)法提供精確的壓力梯度數(shù)據(jù)，特設(shè)計(jì)如下簡(jiǎn)易對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證壓力梯度與銅皺關(guān)系。通過(guò)改變空白區(qū)與銅面區(qū)的高度差及相應(yīng)銅皺結(jié)果的對(duì)比來(lái)論證壓力梯度與銅皺的關(guān)系。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：挑選生產(chǎn)中長(zhǎng)期無(wú)法解決的高難度板件，對(duì)起皺區(qū)域進(jìn)行組合形成起皺試驗(yàn)板A。A板件為內(nèi)層芯板銅厚34.3 mm，16層板，銅面區(qū)和空白區(qū)高度差累計(jì)達(dá)到0.49 mm。層壓圖，如圖3所示。在相同的壓合參數(shù)中，用同一臺(tái)壓機(jī)中同一開(kāi)口進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)內(nèi)容為：分別對(duì)空白區(qū)和銅面區(qū)添加PP進(jìn)行壓合。

方案一：對(duì)試驗(yàn)板A，兩個(gè)次外層空白區(qū)各多添加一張PP（1080，厚度0.075 mm）；挑選1080PP的主要原因?yàn)殂~皺的缺陷切片圖（圖1）表明銅皺的褶皺最大高度差為0.07 mm。如若銅皺原因?yàn)榭瞻讌^(qū)失壓導(dǎo)致流膠不足，補(bǔ)充0.075 mm的樹(shù)脂，理論上將不存在銅皺問(wèn)題。

方案二：對(duì)試驗(yàn)板A，疊層中間非空白區(qū)（中間層銅面區(qū)）添加一張PP（2113，厚度0.10 mm，對(duì)應(yīng)空白區(qū)的PP裁切掉）以增加高度差，加大我們?cè)O(shè)想中的壓力梯度。

試驗(yàn)結(jié)果：兩種方案壓合板件，全部起皺，但表現(xiàn)形式有所變化。

結(jié)果分析：

方案一，雖然在銅皺區(qū)域多添加了厚度為0.075 mm的PP，理論上不存在填膠不足的可能，但銅皺現(xiàn)象從長(zhǎng)度和數(shù)量看，不僅沒(méi)有任何改善，反而有銅皺現(xiàn)象進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。

方案二，雖然中間層非空白區(qū)多添加了厚度為0.10 mm的PP，空白區(qū)與銅面區(qū)的高度差累加到了0.59 mm。但起皺現(xiàn)象非但沒(méi)有惡化，反而皺痕的數(shù)量有減小的跡象。

試驗(yàn)結(jié)論：

對(duì)比試驗(yàn)的差異性表明：板面高度差的增加并沒(méi)有帶來(lái)銅皺的進(jìn)一步惡化，反而有減緩的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)致銅皺的關(guān)鍵因素不是空白區(qū)累加帶來(lái)的高度差而引起設(shè)想中的壓力梯度。失壓也不是導(dǎo)致銅皺的關(guān)鍵原因。

3.2 銅面區(qū)與空白區(qū)溫度差異

試驗(yàn)板A的同一層次中，空白區(qū)和銅面區(qū)在壓合過(guò)程中的溫度變化，如圖1所示。圖中空白區(qū)1、2，空白區(qū)4、5分別為相互對(duì)稱區(qū)域，銅面區(qū)3、6也為對(duì)稱區(qū)域。6根測(cè)溫線位于同一塊試驗(yàn)板中的同一面圖形內(nèi)（中間層），測(cè)溫線為K型熱電偶。

試驗(yàn)結(jié)果：全部起皺。

試驗(yàn)分析：數(shù)據(jù)顯示：在壓合過(guò)程中，板件內(nèi)部同一板面內(nèi)的真實(shí)料溫在40 ℃到170 ℃間均保持了較大的溫差。溫差在60 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值（8 ℃）。溫差在5℃以上的時(shí)間（40 ℃ ～ 140 ℃）長(zhǎng)達(dá)40 min。從升溫曲線圖中可以清晰的看到，空白區(qū)和銅面區(qū)從開(kāi)始的相同起始溫度到最后的共同溫度，中間有很長(zhǎng)一段時(shí)間的溫度極差。從中不難看出在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的升溫速率是不盡相同的。

試驗(yàn)結(jié)論：由于金屬銅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通環(huán)氧樹(shù)脂，這種差異在PCB板內(nèi)，同一層次會(huì)形成極大的溫度梯度。而且會(huì)影響同一板面內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的升溫速率。

3.3 不同溫度下樹(shù)脂的外觀形貌變化

為了清晰的觀察到8 ℃溫差帶來(lái)的樹(shù)脂外觀形貌變化，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置為兩張透明的無(wú)色玻璃組成，玻璃兩端通過(guò)螺栓和夾桿來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓。試驗(yàn)時(shí)截取驗(yàn)證板容易起皺區(qū)域，放入玻璃中間。然后將裝置，放在平面焊臺(tái)上加熱，模擬壓機(jī)中壓合板件的過(guò)程。加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察銅面區(qū)和空白區(qū)溫度變化及PP融化流動(dòng)情況。溫度的變化同樣用K型熱電偶標(biāo)定。

試驗(yàn)結(jié)果與分析：玻璃上表面在60 ℃時(shí)，發(fā)生了融化浸潤(rùn)現(xiàn)象。且最先出現(xiàn)融化浸潤(rùn)區(qū)為銅面區(qū)化浸潤(rùn)現(xiàn)象的時(shí)間滯后銅面區(qū)長(zhǎng)達(dá)2分鐘之久。由于夾桿施加的壓力非常有限，沒(méi)有觀察到PP的流膠行為。但是空白區(qū)與銅面區(qū)對(duì)熱量傳遞的巨大影響也已經(jīng)彰顯無(wú)遺。

試驗(yàn)結(jié)論：溫度梯度的存在，會(huì)導(dǎo)致同一板面內(nèi)出現(xiàn)不同區(qū)域樹(shù)脂融化不同步現(xiàn)象。

3.4 溫度與樹(shù)脂特性的關(guān)系

由樹(shù)脂的黏度特性曲線圖知道黏度的變化對(duì)溫度的變化極為敏感。同樣的升溫速率，在樹(shù)脂黏度變化明顯的區(qū)域內(nèi)（110 ℃ ～ 130 ℃），較小的溫差會(huì)導(dǎo)致黏度發(fā)生顯著的變化。例如：升溫速率為2 ℃/min時(shí)，125 ℃比120 ℃樹(shù)脂黏度降低了約60%。在相同溫度條件下，1 ℃/min的升溫速率極差導(dǎo)致的黏度差異也極為顯著。黏度決定了樹(shù)脂在高壓下的流動(dòng)行為。

同時(shí)大量資料顯示：環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)固化速率對(duì)溫度變化極為敏感。溫度極差的存在，樹(shù)脂融化反應(yīng)過(guò)程中，同一時(shí)間內(nèi)樹(shù)脂黏度的梯度也必然存在，并且總是在溫度高的區(qū)域（銅面區(qū)）率先出現(xiàn)黏度值的拐點(diǎn)。

3.5 銅皺機(jī)理

前期的分段壓合試驗(yàn)（壓合不同時(shí)間，取出驗(yàn)證板，觀察銅皺現(xiàn)象）表面：在整個(gè)壓合過(guò)程中銅皺現(xiàn)象一直存在。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，銅皺現(xiàn)象顯著減弱，局部區(qū)域甚至消失。

結(jié)合本文試驗(yàn)可得出：在壓合中銅皺的出現(xiàn)，其實(shí)是樹(shù)脂在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的一種簡(jiǎn)單的物理力學(xué)行為。起皺過(guò)程如下：由于壓機(jī)熱盤(pán)均勻性限制，熱量在傳導(dǎo)過(guò)程中總是會(huì)促使表層樹(shù)脂局部先融化，這種現(xiàn)象在多層板特定區(qū)域有較大空白區(qū)的情況下，表現(xiàn)得更為明顯。局部融化現(xiàn)象在真空高壓環(huán)境中，表現(xiàn)為銅箔的褶皺，此為起皺產(chǎn)生的源頭。在壓合過(guò)程中隨著樹(shù)脂的進(jìn)一步融化，在壓力的作用下樹(shù)脂存在由中間向周?chē)鲃?dòng)的過(guò)程，表現(xiàn)為流膠。流膠過(guò)程會(huì)逐漸減弱、消除銅箔的褶皺，當(dāng)流膠過(guò)程不能完全消除初期的銅箔褶皺時(shí)，就表現(xiàn)為銅皺。

因此銅皺產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋簻囟炔町悗?lái)了作為傳壓介質(zhì)樹(shù)脂物理形態(tài)的不均勻，從而影響壓合過(guò)程中壓力的均勻性。在壓合過(guò)程中，銅面區(qū)域樹(shù)脂固化速率大于空白區(qū)，導(dǎo)致空白區(qū)因邊緣樹(shù)脂先固化而補(bǔ)膠不充分，最終影響了空白區(qū)內(nèi)銅箔舒展效果。

4 起皺改善措施

基于上述過(guò)程分析，我們鎖定改善方向?yàn)椋簻p少升溫初期銅箔褶皺的產(chǎn)生；保證壓合過(guò)程中同一板面內(nèi)的溫度、壓力均勻性以提升銅箔舒展能力。其中同板面內(nèi)溫度的均勻性很大程度上決定了壓力均勻性。因此提升板面內(nèi)的溫度均勻性，尤其是在樹(shù)脂剛?cè)诨瘯r(shí)保持空白區(qū)和銅面區(qū)的溫度一致性就顯得尤為重要。

通過(guò)調(diào)整壓合參數(shù)，我們保證了樹(shù)脂融化初始時(shí)，空白區(qū)和銅面區(qū)的溫度一致性，調(diào)整壓合程序后的料溫曲線。

調(diào)整壓合參數(shù)后，在PP融化前期料溫保持了較好的一致性，溫度均勻性相比于常規(guī)參數(shù)有了較高的提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常疊層情況下，試驗(yàn)板A，做到了零缺陷。同時(shí)在生產(chǎn)中推行后，防皺參數(shù)對(duì)于銅皺板件均有90%以上的改善。

5 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)及后續(xù)生產(chǎn)中的實(shí)踐表明：銅皺產(chǎn)生的根本原因不是通常認(rèn)為的高度差引起的局部失壓，而是由于同一層芯板中空白區(qū)和銅面區(qū)熱導(dǎo)率差別過(guò)大，造成同一板面內(nèi)溫度極差過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致樹(shù)脂黏度不均、固化不同步、傳壓介質(zhì)不均勻，最終導(dǎo)致銅皺的形成。溫度均勻性是壓合中解決銅皺問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

本文中部分內(nèi)容由于試驗(yàn)條件限制，無(wú)法提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐試驗(yàn)結(jié)果，但是實(shí)踐檢驗(yàn)溫度均勻性對(duì)于層壓銅皺的重要性已經(jīng)彰顯無(wú)遺。對(duì)于起皺更深層次的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。