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    埋銅塊印制電路板耐熱可靠性研究

    2022-06-25 06:30:40
    印制電路信息 2022年4期
    關(guān)鍵詞:銅塊基材板材

    曹 軍

    0 前言

    由于PCB承載功放器件時需要妥善解決散熱問題,在PCB制作中埋入或嵌入銅塊的技術(shù)逐漸成熟起來,并得到了廣泛的應(yīng)用。目前比較常見的技術(shù)包括在壓合制程中埋入銅塊、直接將PCB與金屬基板焊接貼合、通過機(jī)械方式將銅塊嵌入預(yù)銑出的槽/孔等位置等多種方式。

    由于PCB的基材與銅塊的熱膨脹系數(shù)等有較大的差異,在成品的后續(xù)加工(如貼片、焊接等制程)中出現(xiàn)膨脹變形,從而可能導(dǎo)致產(chǎn)生分層等可靠性缺陷。

    本文將詳細(xì)地從設(shè)計(jì)、材料、加工工藝參數(shù)、過程控制等各方面進(jìn)行研究,總結(jié)可靠的工藝方法。

    1 現(xiàn)狀分析

    1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

    業(yè)內(nèi)常見的埋銅塊PCB有三種典型設(shè)計(jì):(1)盲埋銅塊(壓合制程時在PCB局部位置埋入銅塊,銅塊未貫穿整塊PCB疊構(gòu));(2)直銅塊(I-coin,埋入的銅塊貫穿整塊PCB疊構(gòu));(3)階梯銅(T-coin,銅塊本身有不同的截面積)。其設(shè)計(jì)疊構(gòu)示意圖如圖1所示。

    圖1 埋銅塊PCB設(shè)計(jì)示意圖

    1.2 流程設(shè)計(jì)

    埋銅塊PCB制作流程如圖2所示。

    圖2 埋銅塊PCB制作流程圖

    1.3 可靠性評價(jià)

    (1)評價(jià)方法和接收標(biāo)準(zhǔn),見表1和圖3所示。

    圖3 接收缺陷圖

    表1 評價(jià)方法和接收標(biāo)準(zhǔn)表

    (2)評價(jià)結(jié)果見表2所示。

    表2 品質(zhì)評價(jià)結(jié)果

    (3)失效分析。

    選取典型的缺陷產(chǎn)品,切片分析如圖4所示,以確認(rèn)失效原因。合格產(chǎn)品與缺陷產(chǎn)品比例為19.5%(=912/4677)。

    圖4 缺陷產(chǎn)品表觀及切片圖

    樣品中表觀檢測合格品再經(jīng)5次回流焊測試(測試條件為:板面最高溫度255±5 ℃,≥250 ℃以上時間≥30 s)后,7.12%(5/70)的產(chǎn)品出現(xiàn)了分層等缺陷,再取缺陷樣品切片,觀察到銅塊與PP或側(cè)壁樹脂之間,有明顯的裂紋或空洞。

    對缺陷產(chǎn)品之垂直切片來看,銅塊與樹脂之間發(fā)現(xiàn)了金屬銅的鍍層,這說明裂縫是在沉銅前產(chǎn)生的,沉銅時裂縫中滲入了工作溶液至銅塊底部,銅塊前處理時原有的氧化銅膜被還原成金屬銅。

    這樣的缺陷在PCB后續(xù)加工時,繼續(xù)受熱膨脹,銅塊形變,導(dǎo)致銅塊與基材剝離,最終以鼓泡、凸起、阻焊膜剝離等形式導(dǎo)致成品報(bào)廢。

    綜上分析:裂縫產(chǎn)生在沉銅前;沉銅時工作溶液經(jīng)縫隙污染了銅塊的黑化層,破壞了銅塊與基材的緊密結(jié)合。因此,只有加強(qiáng)銅塊與基材之間的結(jié)合力,才能改善銅塊區(qū)域的耐熱性能。

    1.4 影響因素分析

    對PCB耐熱性能有影響的因素如圖5所示。

    圖5 影響耐熱性能因素圖

    其中板材和銅塊的熱膨脹系數(shù)(CTE)是材料本身的固有性能,只能通過配伍選??;本文著重以銅塊/板材厚度、表面處理、烘烤處理、壓合參數(shù)等因素進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn),并提煉行之有效的改善方法。

    1.5 機(jī)理分析

    1.5.1 材料CTE的影響

    不同材料的CTE差異很大。CCL本身是樹脂與玻纖、銅箔等材料的復(fù)合物。在X-Y軸方向,PCB的CTE為(13×10-6)~(18×10-6)/℃,Z方向Tg前CTE為(80×10-6)~(90×10-6)/℃,Tg后CTE為(180×10-6)~(240×10-6)/℃,電解銅箔的CTE是16.8×10-6/℃,鑄造銅的CTE為16.92×10-6/℃。

    埋銅塊一般是采用鑄造銅,再沖銑加工成銅塊,不同工藝銅塊的晶體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    圖6 HTE電解銅和鑄銅晶體表現(xiàn)圖

    我們選取一款埋銅塊PCB,經(jīng)回流焊測試后,其不同材料在Z軸方向上膨脹絕對變化量如圖7所示。

    如圖7計(jì)算,銅塊與基材的膨脹絕對量差異達(dá)39.8 μm,這很大概率會導(dǎo)致回流焊后產(chǎn)生裂紋。

    圖7 銅塊和基材的熱膨脹絕對量圖

    1.5.2 設(shè)計(jì)中銅塊與板材厚度的選擇

    厚度是埋銅塊PCB的關(guān)鍵參數(shù),其工藝設(shè)計(jì)能力直接影響埋銅塊PCB的良率。板材壓合前后的公差、銅塊的形變、流膠量的大小等要素都要考慮到。適中的配伍,銅塊結(jié)合力佳,流膠少;銅塊偏厚時,板材易失壓,縫隙間樹脂填充不夠充分;銅塊偏薄時,銅塊頂、底的流膠過大,去除殘膠困難。

    1.5.3 銅塊的表面處理

    銅塊表面處理方式一般采用黑化、棕化。其原理和優(yōu)劣分析圖8所示。

    圖8 表面處理的差異

    通過表面晶體分析,結(jié)論如下:

    (1)鑄造銅的晶格比電解銅明顯大;

    (2)表觀方面,棕化處理比黑化處理明顯致密,黑化比棕化更易被藥水侵蝕。

    1.5.4 鉆孔加工后的烘烤參數(shù)設(shè)置

    高Tg板料(Tg175.7 ℃/DSC),其鉆孔后的烘板溫度要超過材料的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度,一般選擇參數(shù)為190 ℃×6 h。

    1.5.5 壓合參數(shù)

    不同材料、設(shè)計(jì),應(yīng)選用合適的壓合參數(shù),大致如表3所示。

    表3 壓板參數(shù)比較表

    1.5.6 板材影響

    埋銅塊PCB的材料選擇一般是無鉛材料,其基本參數(shù)為表4所示。

    表4 板材影響

    2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    2.1 方案設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)設(shè)計(jì)選定4因素、2水平,見表5所示。

    表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    按照4因素、2水平組合,組成16個實(shí)驗(yàn)方案(序號)。

    2.2 試驗(yàn)結(jié)果

    試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)依據(jù)是:在各階段確認(rèn)銅塊位置的表觀微裂紋,以及銅塊裂縫和側(cè)壁滲銅的數(shù)量。具體數(shù)據(jù)見表6、圖9、表7、表8所示。

    表6 試驗(yàn)結(jié)果

    表7 正交試驗(yàn)銅塊失效比例結(jié)果表

    表8 失效比例分析表

    圖9 裂縫、滲銅和微裂紋圖

    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,由強(qiáng)到弱依次為:表面處理 > 銅塊厚度 > 鉆孔后烘烤參數(shù) >壓合參數(shù);

    (2)最優(yōu)條件為:銅塊厚度:槽深+0.05 mm、棕化、1#壓合程序、鉆孔后不烘板。

    3 對板材影響的研究

    3.1 驗(yàn)證結(jié)果

    在試驗(yàn)中:

    (1)層壓影響很小,而且1#程序更有利于樹脂流動填充;

    (2)鉆孔后烘板為次要因素,因此用縮短烘板時間的條件進(jìn)行不同板材試驗(yàn)。

    試驗(yàn)條件為:

    (1)銅塊厚度:槽深+0.05 mm

    (2)表面處理:棕化

    (3)壓板程序:1#

    (4)烘板條件:185 ℃×3.5 h

    試驗(yàn)結(jié)果三種板材對裂縫影響無顯著差異,如表9所示。

    表9 試驗(yàn)結(jié)果表

    3.2 小結(jié)

    綜上,最優(yōu)條件如下。

    (1)銅塊表面處理方式:棕化

    (2)銅塊厚度:槽深+0.05 mm

    (3)鉆孔后烘板條件:185 ℃×3.5 h

    (4)層壓壓板程序號:1#

    (5)板材選擇:無影響

    3.3 批量生產(chǎn)的驗(yàn)證效果

    以上文所述的參數(shù)、方法生產(chǎn)多批,其結(jié)果如表10。

    表10 批量驗(yàn)證結(jié)果表

    工藝改善后5次客戶再流焊條件評估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)。如圖10所示。

    圖10 合格品切片圖

    4 總結(jié)

    (1)對埋銅塊PCB耐熱可靠性產(chǎn)生影響的主要因素是:銅塊的表面處理工藝、銅塊的厚度設(shè)計(jì)。

    (2)銅塊本身的加工工藝不同,其晶格也不同。采用棕化處理銅塊,銅塊表面粗糙度得到了明顯的提升,銅與樹脂之間的結(jié)合力大大加強(qiáng),

    (3)銅塊厚度的設(shè)計(jì)是埋銅塊PCB的關(guān)鍵要素,經(jīng)大量測試,選擇槽深+0.05 mm的銅塊時,可以完美解決銅塊表面的流膠缺陷,又能夠保證良好的結(jié)合力、可靠性。

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