埋銅塊印制電路板耐熱可靠性研究

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。