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1、PCB孔壁镀层断裂研究油港第5期PCB孔壁镀层断裂研究VloI.29No.5黎钦源水,刘攀,冯凌宇(东莞生益电子有限公司工艺部,广东东莞523039)摘要:孔壁镀层断裂近年在许多PCB厂均有出现,由于涉及板材,层压,钻孔,镀铜等多个流程,其复杂性远远超出一般的工艺问题,而且该缺陷只能在客户贴件后发现,故其退货风险极高.本文通过对孔壁镀层断裂缺陷板的形态分析及制作工艺研究,将孔壁断裂问题锁定在镀铜过程,并最终通过针对性试验复现了镀铜条件异常导致的孔壁断裂问题,为PCB镀铜层可靠性研究提供借鉴.关键词:印刷线路板;镀铜;孔壁镀层断裂;延展性中图分类号:TQ153.14文献标志码:A文章编号:100
2、4227X(2010)05002905ResearchonthePCBbarrelcrack/LIQin-yuan,LIUPan,FENGLing-yuAbstract:BarrelcrackexistsincopperdepositinmanyPCBplants.ItiSmuchmoredifhculttotreatthancommontechnicalproblemsbecausebarrelcrackisrelatedtomanyfactors,suchasmaterial,lamination,drilling,copperplating,andSOon.Therefore,there
3、isahighriskofgoodsreturnedbecauseofthefailurecanonlybefoundafterSMT(surfacemounttechnology)bycustomers.ItisproposedthattheproblemofbarrelcrackmustexistincopperplatingprocessbasedonanalyzingthemorphologyofdefectiveboardandstudyingthepreparationprocessofPCBwithbarrelcrack.Theabnormalcopperplatingcondi
4、tionsresultinginbarrelcrackwerereproducedfortroubleshootingtest.ThisresearchcanbeusedasareferenceforreliabilitystudyofcopperdepositinPCBmanufacturing.Keywords:printedcircuitboard;copperplating;barrelcrack;extensibilityFirst-authorSaddress:DongguanShengyiElectronicsLtd.,Dongguan523039,China1前言近年,在PCB
5、贴装后发现孔壁铜层断裂导致的开路.这些孔壁断裂位置无规律,孔口拐角,孔壁处均存在断裂情况,而部分板基材有分层现象.从切片来牧稿日期:2010-01-27修回日期:201002-26作者简介:黎钦源(1973一),男,广东东莞人,本科,工程师,主要从事电子电镀研究.作者联系方式:(E-mail)qinyuan.1isye.meadvillegroup.tom.看,大部分都是铜层断裂导致.综合制程影响点及问题处理经验,孔铜断裂一般主要受板材,钻孔,镀铜,客户焊接4个方面影响,用鱼骨图表示如图1.因此,对孔壁断裂问题的分析需要从以上几个方面进行分析,以找出主要异常点,最终确定问题所在.l板材因素Il
6、钻孔因素l弋硼超标膨胀过大.板分层抗拉伸弱?延展性差一晕圈过大孔铜偏薄凹凸度超标?灯芯大匝巫温度过高外力挤压或拉伸.镀层结晶异常/I堡星塑壅ll堡鲎塑壅l图1孔壁镀层断裂原因分析示意图Figure1Schematicdiagramofcauseanalysisforbarrelcrack2孔壁镀层断裂原因分析2.1PCB板规格PCB板规格如表1所示.从表1基本信息来看,该PCB板厚和厚径比均处于一般难度水平,制作时无特殊控制点.表1生产用PCB规格Table1SpecificationofPCBusedforproduction1.536.316.221.4,1拼814.5ASF./80min
7、压板结构12YH.2/3.2Y2YTCO.71.2Y2Y-4/52YH.1)1ASD:1A/dm=929ASF.2.2孔壁铜层金相照片分析取缺陷板按15分别编号,每块板上分别用铣机取下两个位置做垂直切片,结果如图2所示.图2表明,不管是客户标识的问题孔,还是其他位置随机取的孔,均发现有孔壁铜层断裂的现象.?2乡?一一嘲嘲一注:上图为孔壁状况,下图为局部放大图.图2有断裂问题的各种PCB金相照片Figure2MetallographsofvariousPCBswithbarrelcrack问题PCB切片有关数据如表2所示.表2问题PCB切片相关信息Table2Correlativeinforma
8、tionforPCBslicewithbarrelcrack综合图2和表2,可以确定以下几点:(1)孔壁铜厚一般在2025m即可满足客户要求,因此,可以排除孔壁铜层太薄或者太厚导致的断裂问题.(2)从切片来看,暂时不能确定镀层的延展性是否满足要求,需要进一步试验确认.(3)孔铜断裂处既有孔壁凹陷位置,也有孔壁平整位置,但孔壁粗糙度均35岬,灯芯也符合要求.因此,孔粗及灯芯不是孔壁断裂的主要原因.2.3问题板耐热性能确认对客户退货问题板和库存板在相同位置取样做T260分层时间,CTE(coefficientofthermalexpansion)热膨胀系数测试,结果如表3所示.从表3数据可知,其T
9、260分层时间均较高一且大于我司内部标准;CTE值及50一v260.C尺寸变化率都符合要求.从T260,CTE指标来看,问题板耐热性无明显异常,且与库存板也无明显差别.表3可靠性测试结果Table3Testresultsofreliability圈_翻网PCB孔壁镀层断裂研究铜无柱状结晶.因此,镀铜层结晶异常可能是孔壁断裂的一个主要原因.从SEM照片可以看出,问题板镀层与基材的结合力存在较大问题.客户贴件后,油墨,铜层,基材明显出现分层,严重的其缝隙接近15岫.因此,不同材料的收缩性能导致受力不均有可能是孔壁断裂的另一个主要原因.根据以上研究,获得PCB孔壁镀层断裂的影响因素,汇总于表4.表4
10、孔壁断裂影响因素排查Table4Failureanalysisforeffectingfactorsofbarrelcrack回流温度过高客户焊接条件过高未测量波峰焊无影响镀铜时异常排查中无影响从表4可以看出,在孔壁断裂问题中,可以排除客户焊接条件及层压制程的异常,问题集中在镀层异常及板材质量上,即研究应侧重于镀层延展性测试,镀层结晶异常分析,不同电镀参数与不同板材的交叉试验等方面.3不同电镀参数对镀层质量的影响通过对比不同电流密度,不同光亮剂含量,不同药水污染水平及不同搅拌工艺下铜层的可靠性,对导致PCB孔壁镀层断裂的原因作进一步验证,结果如表5所示.从表5可知,在不同电流密度下,镀铜层的结
11、晶形态有一定差异,但均形成致密细腻的微晶状,且延展性和拉伸强度的差异不明显,都能达到IPC标准.在光亮剂(又称晶粒细化剂)的作用下,铜层呈不定形的微晶状,铜原子按顺序进行排列,使结晶更为致密.当光亮剂含量较高时,拉伸强度变大而延展性降低.随着药水的有机污染水平的增加,镀层的延展性逐渐增大,而抗拉伸能力逐渐降低.在碳处理保养周期(6个月)的范围内,3个样品镀层的延展性12%,拉伸强度>-248N/ram,均满足IPC要求.说明按每6个月做1次碳处理的控制方法,可保证镀铜层的机械性能达到要求.打气搅拌工艺相对于射流搅拌工艺,其镀层延展性较高,但抗拉伸能力较低.原因是两种搅拌方式下,药水的流向
12、不同,导致铜离子交换效果有差异,从而影响铜离子的沉积速率和效果,最终影响到其延展性.表5不同电镀参数对镀层质量的影响Table5Influenceofvaousplatingparametersondeposkquafity4重点影响因素实验设计(DoE)为了明确问题的产生点,在后续工作中有针对性地进行改善,在实验室专设试验槽进行试验跟进.试验内容包括光剂失效,电流密度异常,药水交叉污染和干膜污染以及强烈的电流大小或反相波动等.4.1试验方案孔壁镀层断裂影响因素设计如表6所示(A,B板).表6影响因素试验设计表Table6Testdesignforinfluencefactors项目试验设计设
13、计参数光剂高光蒯,低载体蒯,高载体:一篓篓25ASF/48min电流短电镀时间密度电妻5ASF/240min长电镀时间药水除油剂污染除油剂10mL污染干膜污染干膜液1.25L电流交叉2+2ASFm脚电沉25sF波动电流波形2ASFl0注:试验槽容积45L.未曝光干膜在3%H2SO4溶液中浸泡5天,干膜负载量为0.002ft2/L.PCB孔壁镀层断裂研究4.2测试条件(1)回流焊(SS一1000型回流焊测试机):采用峰温280.C无铅曲线,分别过3次和5次回流焊,切片研磨在HEMP.300.IV型研磨机上进行.(2)对结晶进行1000倍和3000倍电镜分析,分析其水平切片和垂直切片的结晶情况和大
14、小.4.3试验结果对各种试验条件下的试板镀层进行水平,垂直切片分析,找寻其镀层结晶形态及大小对电镀铜层质量的影响.不同电镀条件下所得镀层的SEM照片,结晶状态和回流焊测试结果如表7所示(板材A/B).从表7可以看出,高光亮剂,低载体的条件下,在药水污染或者电流波动的情况下,都没有发现孔壁断裂;低光亮剂,高载体的条件下,均发现不同程度的孔壁裂纹.而且,药水污染对铜层质量影响最严重,其断裂程度也最高.从结晶状态统计结果来看,低电流密度时,结晶均细小致密;高电流密度条件下,结晶较为粗大.当光亮剂含量较少时,结晶明显为柱状.当药水中出现类似干膜液等有机污染时,柱状结晶中间明显出现空洞.表7不同电镀条件
15、下铜镀层的SEM照片,结晶状态以及回流焊测试结果Table7SEMmorphologies,crystalstatesandtheresultsofreflowsolderingtestofcopperdepositsobtainedunderdifferentplatingconditions;电镀参数结晶状态_回黼次有无断裂豳闼_25ASF/48min颗粒曩隧3无5ASF/240min细小l10o蠲_!5无ilI圄l麓豳iiI蟹25ASF/50ms+2ASF/10ms细小圈豳3I!il-I糊I叠I圈_圈!日15SF/80in5柱._,豳啊圈囝l一El啊疆i蕊l一慝有_E25ASF/48mi
16、n柱状.强溷曩圈霞圈墨礴圈飘圜豳聪瞄豳目.5ASF/240min豳_,I刚I_一3有25AsF/50ms+2AsF/l0ms柱状溺豳I圉Ila豳5有圈I!圜s有l5ASF/80min2.一量s有然而,为何异常镀层在镀铜后未出现断裂,而在焊接后才出现断裂呢?原来铜层很容易再结晶.铜在直接沉积后并未达到其最终形态,而是在受热后有一个再结晶的过程.铜层老化将经过晶体变大,趋向稳定的过程,故问题板都有柱状结晶.通过试验可知,光亮剂含量较高的条件下,即使产生柱状结晶,镀层也?-不会产生断裂,只有通过老化再结晶的铜层,其物性大幅度下滑,才容易断裂.因此,电镀铜的柱状结晶并不能作为电镀铜品质的定性标准,晶体
17、颗粒的大小仅可作为一项参考指标,同时结晶太大或太小都会对铜层结合力产生不良影响.由此可见,铜层的延展性能不仅与其颗粒大小有一定关系,还受其晶体结合形PCB孔壁镀层断裂研究态的影响.图5为发生孔壁断裂的铜层电镜照片.它显示了铜层结晶的分离位置都为晶界结合处.图5发生孔壁断裂的铜层电镜照片Figure5SEMimageofcopperdepositwithbarrelcrack影响晶体结构变化的主要因素在于电流密度和添加剂(包含光亮剂和载体)浓度,电流密度影响金属的沉积速率,而光亮剂则起到晶粒细化作用,载体更多是起整平和分散作用.电流密度一般控制在1218ASF,光剂含量波动性则较大,因此,光剂含
18、量更容易影响镀层结晶和晶格间结合力.在受热条件下,铜层会发生再结晶,药水污染会导致铜层杂质含量增加,若晶界结合处的杂质增加,铜层的延展性会大幅降低.电镀铜晶体杂质在再结晶的过程中会迁移到颗粒边界,从而在此处容易产生断裂.理想模型如图6所示.5结论(1)电镀铜在低光亮剂,高中载体的试验条件下,.jI一.I一?.nilIlmiq*,.dll?-tIIl10-._I|1Iip,p.4I|囊-髓图6再结晶过程杂质迁移模型Figure6ImpuritytransfermodelduringrecrystaIlization其晶粒通过热老化后产生柱状结晶,此类柱状结晶的抗拉升能力和延展性均不佳.在可靠性测
19、试(延展性测试)中发现不同程度的裂纹,在回流焊测试后镀层断裂.(2)电镀药水污染对柱状结晶铜层的品质有更进一步的恶化作用.当光剂失效时,药水污染程度将决定铜层断裂的风险程度.(3)电镀铜结晶的形状和大小不能作为评判铜层质量的定性标准,而结晶晶界结构和铜层杂质含量是铜层品质的一个重要衡量指标.(4)高光亮剂,低载体含量的情况下,尽管铜层结晶为柱状,但不会导致孔壁断裂或者裂纹.0参考文献:1】宋元伟,赵斌.添加剂对化学镀铜层机械性能的影响Jl化学世界,2000,41(1):1318.2朱凤鹃,李宁,黎德育.酸性镀铜添加剂在PCB电镀中的研究进展c/2007(第13届)全国电子电镀学术年会暨绿色电子
20、制造技术论坛论文集.上海:中国电子学会,2007.3】李雪春.印制电路板的电镀铜技艺J.印制电路信息,2004(5):26.28.编辑:韦凤仙InflllI-lllljIl一?ll-.r-IFlI?-._1141lt.|l-nl*LirI-I_一_.Il|.?pt._00i1,-,1.1h2010中国国际涂料博览会报道2010年3月2426日,由中国涂料工业协会主办,北京涂博国际展览有限公司承办的国际涂料展在南京国际展览中心举行.来自中,欧,美,日等l0余个国家和地区的涂料,原材料,涂料装备等150余家企业参展.与其他涂料展不同的是,涂料生产参展企业占据了本届展会的大部分,展示了包括低污染型涂料,节能型涂料,高性能涂料等新产品,新技术,充分展示了涂料在国民经济发展中的重要地位和非凡魅力.电镀与涂饰杂志连续多年在各种类型的涂料展会参展,这次也不例外,以独立的摊位参展.展会期间,电镀与涂饰杂志拜访了参展商,并向参观者和参展商派发了杂志.参展编辑:吴杰,吴海玲?
