PCB孔壁鍍層斷裂研究

1、PCB孔壁鍍層斷裂研究油港第5期PCB孔壁鍍層斷裂研究VloI.29No.5黎欽源水,劉攀,馮凌宇(東莞生益電子有限公司工藝部,廣東東莞523039)摘要:孔壁鍍層斷裂近年在許多PCB廠均有出現(xiàn),由于涉及板材,層壓,鉆孔,鍍銅等多個(gè)流程,其復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般的工藝問題,而且該缺陷只能在客戶貼件后發(fā)現(xiàn),故其退貨風(fēng)險(xiǎn)極高.本文通過對(duì)孔壁鍍層斷裂缺陷板的形態(tài)分析及制作工藝研究,將孔壁斷裂問題鎖定在鍍銅過程,并最終通過針對(duì)性試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了鍍銅條件異常導(dǎo)致的孔壁斷裂問題,為PCB鍍銅層可靠性研究提供借鑒.關(guān)鍵詞:印刷線路板;鍍銅;孔壁鍍層斷裂;延展性中圖分類號(hào):TQ153.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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-author'Saddress:DongguanShengyiElectronicsLtd.,Dongguan523039,China1前言近年

5、,在PCB貼裝后發(fā)現(xiàn)孔壁銅層斷裂導(dǎo)致的開路.這些孔壁斷裂位置無規(guī)律,孔口拐角,孔壁處均存在斷裂情況,而部分板基材有分層現(xiàn)象.從切片來牧稿日期:2010-01-27修回日期:201002-26作者簡(jiǎn)介:黎欽源(1973一),男,廣東東莞人,本科,工程師,主要從事電子電鍍研究.作者聯(lián)系方式:(E-mail)qinyuan.1isye.meadvillegroup.tom.看,大部分都是銅層斷裂導(dǎo)致.綜合制程影響點(diǎn)及問題處理經(jīng)驗(yàn),孔銅斷裂一般主要受板材,鉆孔,鍍銅,客戶焊接4個(gè)方面影響,用魚骨圖表示如圖1.因此,對(duì)孔壁斷裂問題的分析需要從以上幾個(gè)方面進(jìn)行分析,以找出主要異常點(diǎn),最終確定問題所在.l板

6、材因素Il鉆孔因素l弋硼超標(biāo)膨脹過大.板分層抗拉伸弱?延展性差一暈圈過大孔銅偏薄凹凸度超標(biāo)?燈芯大匝巫溫度過高外力擠壓或拉伸.鍍層結(jié)晶異常/I堡星塑壅l(shuí)l堡鱟塑壅l(shuí)圖1孔壁鍍層斷裂原因分析示意圖Figure1Schematicdiagramofcauseanalysisforbarrelcrack2孔壁鍍層斷裂原因分析2.1PCB板規(guī)格PCB板規(guī)格如表1所示.從表1基本信息來看,該P(yáng)CB板厚和厚徑比均處于一般難度水平,制作時(shí)無特殊控制點(diǎn).表1生產(chǎn)用PCB規(guī)格Table1SpecificationofPCBusedforproduction1.536.316.2×21.4,1拼814.

7、5ASF./80min壓板結(jié)構(gòu)12YH.2/3.2Y2YTCO.71.2Y2Y-4/52YH.1)1ASD:1A/dm=929ASF.2.2孔壁銅層金相照片分析取缺陷板按15分別編號(hào),每塊板上分別用銑機(jī)取下兩個(gè)位置做垂直切片,結(jié)果如圖2所示.圖2表明,不管是客戶標(biāo)識(shí)的問題孔,還是其他位置隨機(jī)取的孔,均發(fā)現(xiàn)有孔壁銅層斷裂的現(xiàn)象.?2鄉(xiāng)?一一嘲嘲一注:上圖為孔壁狀況,下圖為局部放大圖.圖2有斷裂問題的各種PCB金相照片F(xiàn)igure2MetallographsofvariousPCBswithbarrelcrack問題PCB切片有關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示.表2問題PCB切片相關(guān)信息Table2Correla

8、tiveinformationforPCBslicewithbarrelcrack綜合圖2和表2,可以確定以下幾點(diǎn):(1)孔壁銅厚一般在2025m即可滿足客戶要求,因此,可以排除孔壁銅層太薄或者太厚導(dǎo)致的斷裂問題.(2)從切片來看,暫時(shí)不能確定鍍層的延展性是否滿足要求,需要進(jìn)一步試驗(yàn)確認(rèn).(3)孔銅斷裂處既有孔壁凹陷位置,也有孔壁平整位置,但孔壁粗糙度均35岬,燈芯也符合要求.因此,孔粗及燈芯不是孔壁斷裂的主要原因.2.3問題板耐熱性能確認(rèn)對(duì)客戶退貨問題板和庫(kù)存板在相同位置取樣做T260分層時(shí)間,CTE(coefficientofthermalexpansion)熱膨脹系數(shù)測(cè)試,結(jié)果如表3所示

9、.從表3數(shù)據(jù)可知,其T260分層時(shí)間均較高一且大于我司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn);CTE值及50一v260.C尺寸變化率都符合要求.從T260,CTE指標(biāo)來看,問題板耐熱性無明顯異常,且與庫(kù)存板也無明顯差別.表3可靠性測(cè)試結(jié)果Table3Testresultsofreliability圈_翻網(wǎng)PCB孔壁鍍層斷裂研究銅無柱狀結(jié)晶.因此,鍍銅層結(jié)晶異?？赡苁强妆跀嗔训囊粋€(gè)主要原因.從SEM照片可以看出,問題板鍍層與基材的結(jié)合力存在較大問題.客戶貼件后,油墨,銅層,基材明顯出現(xiàn)分層,嚴(yán)重的其縫隙接近15岫.因此,不同材料的收縮性能導(dǎo)致受力不均有可能是孔壁斷裂的另一個(gè)主要原因.根據(jù)以上研究,獲得PCB孔壁鍍層斷裂的影響

10、因素,匯總于表4.表4孔壁斷裂影響因素排查Table4Failureanalysisforeffectingfactorsofbarrelcrack回流溫度過高客戶焊接條件過高未測(cè)量波峰焊無影響鍍銅時(shí)異常排查中無影響從表4可以看出,在孔壁斷裂問題中,可以排除客戶焊接條件及層壓制程的異常,問題集中在鍍層異常及板材質(zhì)量上,即研究應(yīng)側(cè)重于鍍層延展性測(cè)試,鍍層結(jié)晶異常分析,不同電鍍參數(shù)與不同板材的交叉試驗(yàn)等方面.3不同電鍍參數(shù)對(duì)鍍層質(zhì)量的影響通過對(duì)比不同電流密度,不同光亮劑含量,不同藥水污染水平及不同攪拌工藝下銅層的可靠性,對(duì)導(dǎo)致PCB孔壁鍍層斷裂的原因作進(jìn)一步驗(yàn)證,結(jié)果如表5所示.從表5可知,在不同

11、電流密度下,鍍銅層的結(jié)晶形態(tài)有一定差異,但均形成致密細(xì)膩的微晶狀,且延展性和拉伸強(qiáng)度的差異不明顯,都能達(dá)到IPC標(biāo)準(zhǔn).在光亮劑(又稱晶粒細(xì)化劑)的作用下,銅層呈不定形的微晶狀,銅原子按順序進(jìn)行排列,使結(jié)晶更為致密.當(dāng)光亮劑含量較高時(shí),拉伸強(qiáng)度變大而延展性降低.隨著藥水的有機(jī)污染水平的增加,鍍層的延展性逐漸增大,而抗拉伸能力逐漸降低.在碳處理保養(yǎng)周期(6個(gè)月)的范圍內(nèi),3個(gè)樣品鍍層的延展性12%,拉伸強(qiáng)度>-248N/ram,均滿足IPC要求.說明按每6個(gè)月做1次碳處理的控制方法,可保證鍍銅層的機(jī)械性能達(dá)到要求.打氣攪拌工藝相對(duì)于射流攪拌工藝,其鍍層延展性較高,但抗拉伸能力較低.原

12、因是兩種攪拌方式下,藥水的流向不同,導(dǎo)致銅離子交換效果有差異,從而影響銅離子的沉積速率和效果,最終影響到其延展性.表5不同電鍍參數(shù)對(duì)鍍層質(zhì)量的影響Table5Influenceofvaousplatingparametersondeposkquafity4重點(diǎn)影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)為了明確問題的產(chǎn)生點(diǎn),在后續(xù)工作中有針對(duì)性地進(jìn)行改善,在實(shí)驗(yàn)室專設(shè)試驗(yàn)槽進(jìn)行試驗(yàn)跟進(jìn).試驗(yàn)內(nèi)容包括光劑失效,電流密度異常,藥水交叉污染和干膜污染以及強(qiáng)烈的電流大小或反相波動(dòng)等.4.1試驗(yàn)方案孔壁鍍層斷裂影響因素設(shè)計(jì)如表6所示(A,B板).表6影響因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table6Testdesignforinfluenc

13、efactors項(xiàng)目試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)光劑高光蒯,低載體蒯,高載體:一簍簍25ASF/48min電流短電鍍時(shí)間密度電妻5ASF/240min長(zhǎng)電鍍時(shí)間藥水除油劑污染除油劑10mL污染干膜污染干膜液1.25L電流交叉2+2ASFm腳電沉25sF波動(dòng)電流波形2ASFl0注:試驗(yàn)槽容積45L.未曝光干膜在3%H2SO4溶液中浸泡5天,干膜負(fù)載量為0.002ft2/L.PCB孔壁鍍層斷裂研究4.2測(cè)試條件(1)回流焊(SS一1000型回流焊測(cè)試機(jī)):采用峰溫280.C無鉛曲線,分別過3次和5次回流焊,切片研磨在HEMP.300.IV型研磨機(jī)上進(jìn)行.(2)對(duì)結(jié)晶進(jìn)行1000倍和3000倍電鏡分析,分析其水

14、平切片和垂直切片的結(jié)晶情況和大小.4.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各種試驗(yàn)條件下的試板鍍層進(jìn)行水平,垂直切片分析,找尋其鍍層結(jié)晶形態(tài)及大小對(duì)電鍍銅層質(zhì)量的影響.不同電鍍條件下所得鍍層的SEM照片,結(jié)晶狀態(tài)和回流焊測(cè)試結(jié)果如表7所示(板材A/B).從表7可以看出,高光亮劑,低載體的條件下,在藥水污染或者電流波動(dòng)的情況下,都沒有發(fā)現(xiàn)孔壁斷裂;低光亮劑,高載體的條件下,均發(fā)現(xiàn)不同程度的孔壁裂紋.而且,藥水污染對(duì)銅層質(zhì)量影響最嚴(yán)重,其斷裂程度也最高.從結(jié)晶狀態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,低電流密度時(shí),結(jié)晶均細(xì)小致密;高電流密度條件下,結(jié)晶較為粗大.當(dāng)光亮劑含量較少時(shí),結(jié)晶明顯為柱狀.當(dāng)藥水中出現(xiàn)類似干膜液等有機(jī)污染時(shí),柱狀結(jié)晶中間

15、明顯出現(xiàn)空洞.表7不同電鍍條件下銅鍍層的SEM照片,結(jié)晶狀態(tài)以及回流焊測(cè)試結(jié)果Table7SEMmorphologies,crystalstatesandtheresultsofreflowsolderingtestofcopperdepositsobtainedunderdifferentplatingconditions;電鍍參數(shù)結(jié)晶狀態(tài)_回黼次有無斷裂豳闥_25ASF/48min顆粒曩隧3無5ASF/240min細(xì)小l10o蠲_!5無ilI圄l麓豳iiI蟹25ASF/50ms+2ASF/10ms細(xì)小圈豳3I!il-I糊I疊I圈_圈!日15SF/80in5柱._'',豳啊圈

16、囝l一El啊疆i蕊l一慝有_E25ASF/48min柱狀.強(qiáng)溷曩圈霞圈墨礴圈飄圜豳聰瞄豳目.5ASF/240min豳_,I剛I_一3有25AsF/50ms+2AsF/l0ms柱狀溺豳I圉Ila豳5有圈I!圜s有l(wèi)5ASF/80min2'.一量s有然而,為何異常鍍層在鍍銅后未出現(xiàn)斷裂,而在焊接后才出現(xiàn)斷裂呢?原來銅層很容易再結(jié)晶.銅在直接沉積后并未達(dá)到其最終形態(tài),而是在受熱后有一個(gè)再結(jié)晶的過程.銅層老化將經(jīng)過晶體變大,趨向穩(wěn)定的過程,故問題板都有柱狀結(jié)晶.通過試驗(yàn)可知,光亮劑含量較高的條件下,即使產(chǎn)生柱狀結(jié)晶,鍍層也?-不會(huì)產(chǎn)生斷裂,只有通過老化再結(jié)晶的銅層,其物性大幅度下滑,才容易斷裂

17、.因此,電鍍銅的柱狀結(jié)晶并不能作為電鍍銅品質(zhì)的定性標(biāo)準(zhǔn),晶體顆粒的大小僅可作為一項(xiàng)參考指標(biāo),同時(shí)結(jié)晶太大或太小都會(huì)對(duì)銅層結(jié)合力產(chǎn)生不良影響.由此可見,銅層的延展性能不僅與其顆粒大小有一定關(guān)系,還受其晶體結(jié)合形PCB孔壁鍍層斷裂研究態(tài)的影響.圖5為發(fā)生孔壁斷裂的銅層電鏡照片.它顯示了銅層結(jié)晶的分離位置都為晶界結(jié)合處.圖5發(fā)生孔壁斷裂的銅層電鏡照片F(xiàn)igure5SEMimageofcopperdepositwithbarrelcrack影響晶體結(jié)構(gòu)變化的主要因素在于電流密度和添加劑(包含光亮劑和載體)濃度,電流密度影響金屬的沉積速率,而光亮劑則起到晶粒細(xì)化作用,載體更多是起整平和分散作用.電流密度

18、一般控制在1218ASF,光劑含量波動(dòng)性則較大,因此,光劑含量更容易影響鍍層結(jié)晶和晶格間結(jié)合力.在受熱條件下,銅層會(huì)發(fā)生再結(jié)晶,藥水污染會(huì)導(dǎo)致銅層雜質(zhì)含量增加,若晶界結(jié)合處的雜質(zhì)增加,銅層的延展性會(huì)大幅降低.電鍍銅晶體雜質(zhì)在再結(jié)晶的過程中會(huì)遷移到顆粒邊界,從而在此處容易產(chǎn)生斷裂.理想模型如圖6所示.5結(jié)論(1)電鍍銅在低光亮劑,高中載體的試驗(yàn)條件下,'.j'I一''."I一¨¨?.'nilIlmiq*,.dll?-t"'II¨l10-._I|1"I''ip,p.4I|囊-髓圖6再結(jié)晶過程雜質(zhì)遷移模型Figure6ImpuritytransfermodelduringrecrystaIlization其晶粒通過熱老化后產(chǎn)生柱狀結(jié)晶,此類柱狀結(jié)晶的抗拉升能力和延展性均不佳.在可靠性測(cè)試(延展性測(cè)試)中發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋,在回流焊測(cè)試后鍍層斷裂.(2)電鍍藥水污染對(duì)柱狀結(jié)晶銅層的品質(zhì)有更進(jìn)一步的惡化作用.當(dāng)光劑失效時(shí),藥水污染程度將決定銅層斷裂的風(fēng)險(xiǎn)程度.(3)電鍍銅結(jié)晶的形狀和大小不能作為評(píng)判銅層質(zhì)量的定性標(biāo)準(zhǔn),而結(jié)晶晶界結(jié)構(gòu)和銅層雜質(zhì)含量是銅層品質(zhì)的一個(gè)重要衡量指標(biāo).(4)高光亮劑,低載體含量的情況下,盡管銅層結(jié)晶為柱狀,但不會(huì)導(dǎo)致孔壁斷