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铜皮起翘问题分析及改善对策

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摘要:大铜面铜皮起翘问题在行业内属于结构性的问题,主要表现为喷锡时大铜面边角区域的铜皮翻起,影响生产效率和生产效益。本文在实践经验的基础上,从力学角度探讨铜皮起翘发生的机理,对主要影响因素进行力学分析并提出改善方法,同时对目前较主流CCL产品进行铜皮起翘问题的对比分析,为从业者提供一定的参考。

Abstract:The copper lifting issue is one of structural defects in PCB industry, which would be easily 
occurred in the pattern corner of big copper surface area at HASL process. In this paper, 
we investigate the principle, impact factors of copper lifting issue from the mechanics 
fundamental. Also we enumerate some improvement methods according to our practical experience. 
关键词:大铜面,起翘,附着力,铆合,韧性,应力
Keywords:Large copper foil surface, Turn up, AdhesionRivetingToughness, Stress
一、前言
随着无铅焊接温度的提高,对于pcb内部相邻材料之间因膨胀不匹配产生的应力会加剧,从而出现一系列的可靠性问题,如孔铜断裂、分层起泡、焊盘/铜皮起翘、翘曲变形等。外层含大铜面结构的PCB板本身就容易出现一些结构性的问题,如大铜面边缘白点问题、大铜面边缘铜皮起翘问题、铜面下白点问题等,加上无铅化焊接温度的影响,这些结构性的问题会变得更加突出。
此处讨论的是大铜面边缘铜皮起翘问题的产生原因和改善对策。
二、机理探讨
先回顾下应力的概念,应力就是当材料在外因(外力、温湿度变化)作用下不能产生位移时,它的几何形状和尺寸将发生变化,这种形变称为应变材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力,单位面积上的这种反作用力为应力。
应力=作用力/面积
同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为剪切应力。应力会随着外力的增加而增长,对于某一种材料,应力的增长是有限度的,超过这一限度,材料就要破坏。
从铜皮起翘的外观特征我们可以获得其产生原因的基本思路:铜皮起翘主要出现在大铜面的边缘,非大铜面的线路位置不会出现这种问题,说明引起铜皮起翘的应力大小和铜面积有关;大铜面下常伴随出现树脂裂纹问题,说明铜箔和树脂之间存在一定的相互作用力;相对边的位置,角的位置更容易出现铜皮起翘出现问题,说明角的位置应力最大。铜皮起翘图片如下:
我们分析认为铜皮起翘发生的机理为:PCB中主要材料是玻璃布、树脂和铜箔,其中树脂的CTE最大,高于Tg温度下,树脂CTE一般>250-350ppm/℃ ,而铜箔为5-20ppm/℃,玻璃为6-10ppm/℃,铜箔与树脂X/Y方向膨胀存在不匹配,产生X/Y方向的剪切应力,当 边角位置的应力大到铜箔和树脂结合极限时,树脂和铜箔界面会产生分离,出现铜皮起翘现象。
   三、原因分析和改善措施
   板材之所以出现铜皮起翘主要是产生的热应力远远超过了铜箔与树脂界面的结合力,或者是界面结合力不足以抵抗剪切应力导致,因此我们从产生的热应力、以及抵抗热应力能力两方面进行分别说明。从产生热应力的角度分析,目的是分析热应力产生的影响因素,并将热应力降到最低。从抵抗热应力的角度分析,目的是寻找对热应力进行吸收、分散、转移的方法。
1、产生的热应力
前面提到了,应力的产生主要是因为树脂和铜箔之间在高温下膨胀不匹配导致,材料随温度膨胀的特性如下
从上图来看,喷锡的温度越高,两者材料之间的膨胀率极差越大,膨胀率的极差越大,铜箔与树脂界面产生的应力就越大,加剧铜皮起翘问题的发生。根据实践经验,对于280 无铅喷锡出现铜皮起翘问题,单纯将温度降低到260  甚至240 ,问题都得到了不同程度的改善,因此稳定并降低喷锡的温度,是预防焊盘起翘的关键控制点。
降低喷锡的温度可以改善铜皮起翘问题,实际上是降低到达板面的温度,如果在铜面上涂覆隔热材料,如阻焊油墨,因为阻焊油墨是热的不良导体,也可以达到降低板面温度的效果。通常采取的方法是在大铜面上全部涂覆上绿油,或者采取绿油上铜面边缘的设计,即在易焊盘起翘的铜皮四周,覆盖一层绿油,如下图所示。该方法对轻微的铜皮起翘问题有一定的帮助,但是对于比较严重的铜皮起翘问题意义不大。
不同厂家生产的铜箔、不同厚度的箔之间的CTE差异不大,但是树脂之间的CTE可以有较大的差别,对于高Tg材料或者加入无机填料的材料,其膨胀的绝对变化率可以比普通的FR-4板降低10-30%,产生热应力也会得到相应程度的降低,因此选择低CTE的材料对铜皮起翘有一定的正面效应,但随之也会带来板料成本以及加工成本的增加。
因为一定是含有大铜面结构才会产生铜皮起翘问题,而线路位置就没有铜皮起翘出现,所以和铜面的面积是有较大的关系,降低铜面的宽度可以改善铜皮起翘问题,通常采取的办法有:把大铜面结构设计成网格结构,该措施可以从根本上杜绝铜皮起翘问题的发生,但需要征求客户的同意。将大铜面分割成多块小的铜面结构,也能有效地预防大铜面起翘问题的发生。
我们知道铜皮起翘一般都是出现大铜面的角位,角位置距离中心最远,作用力经过累加后到达角位置时变得最大,加上边角位置存在一定的尖角,局部的面积非常小,根据应力=作用力/面积,因此可以理解边角位置容易出现铜皮起翘的原因了。如果将边角的位置减短,会有比较明显的效果,就是前面提到的将大铜面分割以及改成网格状结构,但是当图形难于更改时候,钝化大铜面的角位,将其改成大圆弧形状,在一定程度上也降低了热应力的产生,圆弧曲径设计越大越好,如下图。
2、抵抗热应力的能力
当喷锡的条件难于改变时,当客户的图形结构难以改变时,总之当热应力的产生难于降低时,提高板材抵抗热应力的能力,也是解决问题的方法,因此需要知道当应力不可降低的时候,将热应力进行有效吸收、抵抗、分散转移。
2.1 吸收热应力能力
1、和树脂体系韧性有关,材料的韧性好,受到外力时材料的形变大,可吸收了所产生的热应力,而脆性较大的材料比较僵硬,受到热应力冲击的时候应变不足而导致裂伤,在铜箔和树脂的界面就表现为铜皮起翘问题。从这个意义上将,DICY固化体系的材料要好于Phenolic固化体系。
2、填料的作用,前面提到了,加入无机填料的材料可以降低板材的CTE,减少了热应力的产生,同时,加入填料的材料,受力时无机填料的边缘会诱发了大量的银纹或剪切带,引起屈服而发生微观的塑性形变,吸收了能量,避免了应力对界面的破坏。
我们知道,加入无机填料的材料在冲孔的时候容易出现白色晕圈现象,但是白色晕圈位置并不一定会形成分层或裂缝,也是因为无机填料诱发了大量的银纹或剪切带产生的现象。
2.2 抵抗热应力的能力----铜箔的粘结强度
铜箔和基材的结合强度越大,抵抗铜皮起翘的能力越大,粘结强度指标可以用抗剥强度进行表示。因为铜皮起翘发生在高温环境下,因此,此处探讨的是铜箔在高温下的粘结强度(后文以PS表示)。
首先了解下铜箔粘结强度随温度的变化关系,此处以Tg140 phenolic材料(10Z)为例。  
备注:对于无铅喷锡温度而言,更加关注的是260 以上的PS指,因为受高温抗剥仪量程的限制,我们最多只能分析到250 条件下的剥离强度。
从以上图表可以看出,PS随着温度的升高而降低。且高于Tg温度后,PS下降得幅度更大,因此降低喷锡的温度,不仅是降低了热应力,同时也是提高了铜箔的粘结强度,提高了抵抗热应力的能力。
知道了材料PS随着温度的变化关系后,我们需要进一步了解在相同温度下不同材料的PS保持情况(此处按250条件),分析了以下四种材料。
型号
 剥离强度 N/mm   20Z
常温
250
剩余PS %
TG140 DICY固化 无填料
2.53
0.30
11.9%
TG140  PN固化 无填料
2.25
0.29
12.9%
TG150  PN固化 有填料
1.7
0.38
22.4%
TG170  PN固化 无填料
2.18
0.85
39.0%
从以上数据来看,可以得出:材料的Tg越高,250℃条件下剩余的剥离强度越大,Tg140材料PS剩余为12%左右,Tg150为22%左右,TG170为39%左右。
根据以上结论我们可能会认为Tg越高,高温下铜箔的粘结强度越大,抵抗热应力的能力就越大,出现铜皮起翘的问题几率更低。但是实际情况并非如此,我们对以上四种材料进行无铅喷锡(280  的考察,铜皮起翘的情况如下。
 剥离强度 N/mm   20Z
铜皮起翘情况
常温
250±5
剩余PS %
TG140 DICY固化 无填料
2.53
0.30
11.9%
OK
TG140  PN固化 无填料
2.25
0.29
12.9%
TG150  PN固化 有填料
1.7
0.38
22.4%
OK
TG170  PN固化 无填料
2.18
0.85
39.0%
从以上结论可以看出,铜皮起翘问题并不是和高温下的剥离强度呈现完全的线性关系,和材料的脆性以及是否加入填料关系更大。但是并不是说粘结强度对铜皮起翘问题没有任何关系,更确切地说,不同类型的材料之间PS没有可对比性,只有在相同类型的材料中PS还是具有一定的可比性。   
因此,粘结强度高低对铜皮起翘的影响仅仅是针对与相同体系的材料之间。在相同树脂体系的材料之间,对于粘结强度的影响因素,可以从以下方面进行考虑
(1)、和铜箔毛面粗糙度有关:铜箔毛面粗糙度高,或者铜箔毛面的瘤化程度高,PS越大。 
(2)、树脂流动度的影响:树脂的流动度高,树脂对铜箔毛面的浸润、扩散、流变、渗透性好,界面两相分子接触点密度高,PS高。此外升温速率快,树脂的粘度低,粘结力就强;压力加大,也会提高分子间的接触点密度,有利于提高PS。尽管如此,但是我们并不推荐用此方法来提高PS,因为更改物性参数、更改层压参数去配合提高PS,可能带来较大的负面影响。
(3)、板子的存放时间:铜箔和树脂的PS会随着PCB板的存放时间下降,铜皮起翘的概率大幅度增加。
2.3  分散转移热应力的能力
将热应力进行转移也可以起到较好的效果,一种比较有效的方法是针对容易出现铜皮起翘的角位加镀通孔设计,该镀通孔起着铆合的作用,在Z-轴方向对面上的铜皮进行牵制,如图A。该镀铜孔无功能要求,仅仅是用作于热应力的释放转移作用,即便在孔内镀铜因应力作用出现断裂问题,对产品的功能外观影响不大。
在容易出现起翘的位置引出一条线路,线路的方向为大铜面中心到角位的连线延伸,可以将大铜面拐角处的热应力转移分散到线路上,也可以改善铜皮起翘问题。如图B
或者以上双因素结合也是可以的,如图C。
 
四、结束语
我们从日常处理PCB质量反馈的实践中获得经验,并尝试用理论来对经验进行诠释,以进一步指导实践,这就是我们写此文的初衷,希望能够给从业者提供一些参考。对于铜皮起翘问题,本人非常乐意与同行做进一步的交流和探讨。
参考文献
[1] 蓝立文 《高分子物理》 西北工业大学出版社 1993年8月 

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作者:佚名
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