埋铜块印制电路板耐热可靠性研究

2022-06-25曹军

印制电路信息 2022年4期

曹军

0 前言

由于PCB承载功放器件时需要妥善解决散热问题，在PCB制作中埋入或嵌入铜块的技术逐渐成熟起来，并得到了广泛的应用。目前比较常见的技术包括在压合制程中埋入铜块、直接将PCB与金属基板焊接贴合、通过机械方式将铜块嵌入预铣出的槽/孔等位置等多种方式。

由于PCB的基材与铜块的热膨胀系数等有较大的差异，在成品的后续加工（如贴片、焊接等制程）中出现膨胀变形，从而可能导致产生分层等可靠性缺陷。

本文将详细地从设计、材料、加工工艺参数、过程控制等各方面进行研究，总结可靠的工艺方法。

1 现状分析

1.1 产品设计

业内常见的埋铜块PCB有三种典型设计：（1）盲埋铜块（压合制程时在PCB局部位置埋入铜块，铜块未贯穿整块PCB叠构）；（2）直铜块（I-coin，埋入的铜块贯穿整块PCB叠构）；（3）阶梯铜（T-coin，铜块本身有不同的截面积）。其设计叠构示意图如图1所示。

图1 埋铜块PCB设计示意图

1.2 流程设计

埋铜块PCB制作流程如图2所示。

图2 埋铜块PCB制作流程图

1.3 可靠性评价

（1）评价方法和接收标准，见表1和图3所示。

图3 接收缺陷图

表1 评价方法和接收标准表

（2）评价结果见表2所示。

表2 品质评价结果

（3）失效分析。

选取典型的缺陷产品，切片分析如图4所示，以确认失效原因。合格产品与缺陷产品比例为19.5%（=912/4677）。

图4 缺陷产品表观及切片图

样品中表观检测合格品再经5次回流焊测试（测试条件为：板面最高温度255±5 ℃，≥250 ℃以上时间≥30 s）后，7.12%（5/70）的产品出现了分层等缺陷，再取缺陷样品切片，观察到铜块与PP或侧壁树脂之间，有明显的裂纹或空洞。

对缺陷产品之垂直切片来看，铜块与树脂之间发现了金属铜的镀层，这说明裂缝是在沉铜前产生的，沉铜时裂缝中渗入了工作溶液至铜块底部，铜块前处理时原有的氧化铜膜被还原成金属铜。

这样的缺陷在PCB后续加工时，继续受热膨胀，铜块形变，导致铜块与基材剥离，最终以鼓泡、凸起、阻焊膜剥离等形式导致成品报废。

综上分析：裂缝产生在沉铜前；沉铜时工作溶液经缝隙污染了铜块的黑化层，破坏了铜块与基材的紧密结合。因此，只有加强铜块与基材之间的结合力，才能改善铜块区域的耐热性能。

1.4 影响因素分析

对PCB耐热性能有影响的因素如图5所示。

图5 影响耐热性能因素图

其中板材和铜块的热膨胀系数（CTE）是材料本身的固有性能，只能通过配伍选取；本文着重以铜块/板材厚度、表面处理、烘烤处理、压合参数等因素进行DOE实验，并提炼行之有效的改善方法。

1.5 机理分析

1.5.1 材料CTE的影响

不同材料的CTE差异很大。CCL本身是树脂与玻纤、铜箔等材料的复合物。在X-Y轴方向，PCB的CTE为（13×10-6）～（18×10-6）/℃，Z方向Tg前CTE为（80×10-6）～（90×10-6）/℃，Tg后CTE为（180×10-6）～（240×10-6）/℃，电解铜箔的CTE是16.8×10-6/℃，铸造铜的CTE为16.92×10-6/℃。

埋铜块一般是采用铸造铜，再冲铣加工成铜块，不同工艺铜块的晶体结构如图6所示。