埋铜块印制电路板耐热可靠性研究

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。

图6 HTE电解铜和铸铜晶体表现图

我们选取一款埋铜块PCB，经回流焊测试后，其不同材料在Z轴方向上膨胀绝对变化量如图7所示。

如图7计算，铜块与基材的膨胀绝对量差异达39.8 μm，这很大概率会导致回流焊后产生裂纹。

图7 铜块和基材的热膨胀绝对量图

1.5.2 设计中铜块与板材厚度的选择

厚度是埋铜块PCB的关键参数，其工艺设计能力直接影响埋铜块PCB的良率。板材压合前后的公差、铜块的形变、流胶量的大小等要素都要考虑到。适中的配伍，铜块结合力佳，流胶少；铜块偏厚时，板材易失压，缝隙间树脂填充不够充分；铜块偏薄时，铜块顶、底的流胶过大，去除残胶困难。

1.5.3 铜块的表面处理

铜块表面处理方式一般采用黑化、棕化。其原理和优劣分析图8所示。

图8 表面处理的差异

通过表面晶体分析，结论如下：

（1）铸造铜的晶格比电解铜明显大；

（2）表观方面，棕化处理比黑化处理明显致密，黑化比棕化更易被药水侵蚀。

1.5.4 钻孔加工后的烘烤参数设置

高Tg板料（Tg175.7 ℃/DSC），其钻孔后的烘板温度要超过材料的玻璃化转化温度，一般选择参数为190 ℃×6 h。

1.5.5 压合参数

不同材料、设计，应选用合适的压合参数，大致如表3所示。

表3 压板参数比较表

1.5.6 板材影响

埋铜块PCB的材料选择一般是无铅材料，其基本参数为表4所示。

表4 板材影响

2 实验设计

2.1 方案设计

试验设计选定4因素、2水平，见表5所示。

表5 试验设计

按照4因素、2水平组合，组成16个实验方案（序号）。

2.2 试验结果

试验结果的评价依据是：在各阶段确认铜块位置的表观微裂纹，以及铜块裂缝和侧壁渗铜的数量。具体数据见表6、图9、表7、表8所示。

表6 试验结果

表7 正交试验铜块失效比例结果表

表8 失效比例分析表

图9 裂缝、渗铜和微裂纹图

根据以上数据，可得出以下结论。

（1）各因素影响程度，由强到弱依次为：表面处理 ＞ 铜块厚度 ＞ 钻孔后烘烤参数 ＞压合参数；

（2）最优条件为：铜块厚度：槽深+0.05 mm、棕化、1#压合程序、钻孔后不烘板。

3 对板材影响的研究

3.1 验证结果

在试验中：

（1）层压影响很小，而且1#程序更有利于树脂流动填充；

（2）钻孔后烘板为次要因素，因此用缩短烘板时间的条件进行不同板材试验。

试验条件为：

（1）铜块厚度：槽深+0.05 mm

（2）表面处理：棕化

（3）压板程序：1#

（4）烘板条件：185 ℃×3.5 h

试验结果三种板材对裂缝影响无显著差异，如表9所示。

表9 试验结果表

3.2 小结

综上，最优条件如下。

（1）铜块表面处理方式：棕化

（2）铜块厚度：槽深+0.05 mm

（3）钻孔后烘板条件：185 ℃×3.5 h

（4）层压压板程序号：1#

（5）板材选择：无影响

3.3 批量生产的验证效果

以上文所述的参数、方法生产多批，其结果如表10。

表10 批量验证结果表

工艺改善后5次客户再流焊条件评估4批次共29块板，板面无鼓泡，铜块位置无凸起，满足客户标准。如图10所示。

图10 合格品切片图

4 总结

（1）对埋铜块PCB耐热可靠性产生影响的主要因素是：铜块的表面处理工艺、铜块的厚度设计。

（2）铜块本身的加工工艺不同，其晶格也不同。采用棕化处理铜块，铜块表面粗糙度得到了明显的提升，铜与树脂之间的结合力大大加强，

（3）铜块厚度的设计是埋铜块PCB的关键要素，经大量测试，选择槽深+0.05 mm的铜块时，可以完美解决铜块表面的流胶缺陷，又能够保证良好的结合力、可靠性。