李健偉 江慶華 吳文躍

（汕頭凱星印制板有限公司，廣東 汕頭 515071）

何 驍 沈江華

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370)

目前PCB行業(yè)使用的銅箔多為電解銅箔，電解銅箔常用厚度范圍12 μm～105 μm（1/3 oz～3 oz），以卷材形式購銷。對于PCB 生產(chǎn)廠家，當客戶要求完成銅厚140 μm（4 oz）及以上的產(chǎn)品時，銅箔供應商的交期明顯延長,采購單價不成比例地升高，無法滿足客戶交期和價格的預期要求。

基于上述現(xiàn)狀，本文設計了全新的加鍍流程，當客戶要求完成銅厚140 μm及以上的產(chǎn)品時，直接使用市場上常規(guī)厚度銅箔作為基底，通過電鍍厚銅工藝加鍍至目標銅厚，最終滿足客戶需求。

以四層板內(nèi)外層完成210 μm厚銅產(chǎn)品為例：

正常流程為：210 μm基板—開料—制作內(nèi)層—外層175 μm銅箔—壓合—鉆孔—沉銅電鍍至210 μm—后流程；

新設計流程為：105 μm基板—開料—加鍍至210 μm—制作內(nèi)層—外層105 μm銅箔—壓合—加鍍至175 μm—鉆孔—沉銅電鍍至210 μm—后流程。

加鍍銅和電解銅箔雖然都是電鍍的銅，但鍍銅的晶體類型與生產(chǎn)條件有關，加鍍銅的原料（銅鹽、硫酸等）、pH值、添加劑、溫度、電流方式（直流脈沖）、電流密度等都可能會影響銅晶體結(jié)晶的類型，加鍍銅和電解銅箔制造工藝條件不同，其微晶結(jié)構(gòu)必然會存在差異[1][2]，因此，加鍍的不同厚度銅的銅面經(jīng)由棕化形成的粗化層面與基材樹脂的結(jié)合強度、不同銅層之間的結(jié)合強度也可能和電解銅箔不同。

由于厚銅板常用于汽車電子這種環(huán)境條件較為嚴苛的場景，且多與大功率或大電流相關，對產(chǎn)品可靠性的要求比較高，為此，凱星公司和工信部電子五所合作，通過設計相關的測試和試驗項目，識別厚銅PCB使用電鍍法加厚基銅的主要可靠性風險，以確保使用基銅加鍍法后產(chǎn)品的可靠性能滿足行業(yè)相關要求。

1 厚銅印制板使用電鍍加厚基銅可靠性風險的識別

基于生產(chǎn)全流程分析，對電鍍銅加鍍工藝和正常工藝的各個流程進行比對分析后，可以識別電鍍銅替代基銅主要可靠性風險見圖1所示。

圖1 電鍍銅加鍍層可靠性風險

基于可靠性評估的方法，棕化后的加鍍銅面與樹脂間的剝離強度、加鍍銅和基底銅之間的結(jié)合力可通過組裝工藝適應性、環(huán)境適應性來加以識別評估。

2 試驗項目和測試

本試驗制作了多組樣品進行試驗，以保證試驗結(jié)果的普遍性。樣品包括一組基銅為105 μm、140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的四層板樣品；五組龍門電鍍105 μm加鍍至140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的四層板樣品、一組VCP105 μm加鍍至140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的四層板樣品。

一組基銅為105 μm、140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的單面板樣品；五組龍門電鍍和VCP（垂直鏈接電鍍）電鍍105 μm加鍍至140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的單面板樣品；五組龍門電鍍和VCP電鍍105 μm加鍍至140 μm、175 μm、210 μm、245 μm、280 μm的孔鏈樣品。試驗結(jié)果顯示，各組樣品的測試結(jié)論基本一致，為簡化本文，僅以基銅210 μm和105 μm加鍍至210 μm銅厚產(chǎn)品為例做介紹。

2.1 銅厚均勻性評估

（1）評價方法：取同一飛巴上左中右3 pnl和VCP線掛上1 pnl樣品，樣品由105 μm厚銅加鍍至210 μm銅厚，每pnl上板取上中下、左中右各9個位置進行切片測量，銅層厚度，測量點見圖2所示。

圖2 銅厚測量點

（2）評判電鍍銅厚要求見圖3所示。

圖3 電鍍銅厚要求

（3）測試結(jié)果見圖4所示。

圖4 龍門電鍍和VCP電鍍105 mm加鍍至210 mm樣品銅厚測量結(jié)果

（4）小結(jié)：龍門電鍍和VCP電鍍的加鍍厚銅工藝制作的PCB其銅厚均在要求值范圍之內(nèi)，銅厚均勻性滿足要求。

2.2 可蝕刻性評估

（1）評價方法：取基銅210 μm和由105 μm加鍍至210 μm銅厚單面板樣品各5PCS，樣品采用最小線寬線距0.35 mm，是標準的梳形電路圖形（圖5），使用CuCl2/HCl/NaClO3蝕刻藥水，蝕刻后使用顯微鏡+SEM&EDS掃描電子顯線器和電子擴散X射線能譜儀觀察是否存在殘銅現(xiàn)象。按照所規(guī)定潮熱條件進行絕緣阻值測試，潮熱后的試樣按客戶工作應用的極限高壓2倍或500 VDC，取高值）進行耐電壓測試。

圖5 樣品設計線路圖

（2）評判要求：①接收態(tài)樣品無殘銅現(xiàn)象；②濕熱絕緣電阻應≥108 Ω；③潮熱處理后耐壓測試過程無閃絡、擊穿等現(xiàn)象；④電鍍加厚銅和正常電解銅無明顯差別。

（3）測試結(jié)果：按照IPC-TM-650 2.6.3F所規(guī)定潮熱條件（Class 3：25 ℃～65 ℃ 交變溫度，90%RH濕度，共168 h）進行絕緣阻值測試，并在潮熱測試后進行耐電壓測試，電壓500 VDC。各樣品耐壓測試結(jié)果詳見圖6所示。

圖6 耐壓測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，所有樣品阻值未出現(xiàn)低于108Ω，即未出現(xiàn)微短、漏電現(xiàn)象，樣品線間絕緣電阻保持良好狀態(tài)，耐壓測試結(jié)果顯示，所有樣品潮熱處理后承受500 VDC均未出現(xiàn)閃絡、擊穿等現(xiàn)象，耐壓性能保持良好，絕緣阻值和耐壓的測試結(jié)果說明厚銅板蝕刻后的線路滿足性能要求，現(xiàn)有藥水體系對線路蝕刻效果良好，滿足產(chǎn)品性能要求見表4。

（4）小結(jié)：龍門電鍍和VCP電鍍的加鍍厚銅工藝制作的PCB，絕緣性能和耐壓性能滿足要求，與基銅樣品（無電鍍加厚）性能保持一致，現(xiàn)有藥水體系對線路蝕刻良好，加厚銅的可蝕刻性良好。

2.3 棕化性能評估

（1）評價方法：取基銅厚210 μm和加鍍至210 μm的剝離強度測試條樣品各3 PCS，剝離強度測試條設計為寬度最小為2.5 mm 、5 mm 、10 mm，長度為200 mm的線條。

①將光面樣品，按照正常參數(shù)進行棕化處理后（棕化藥水體系為安美特MS100系列），在SEM下對比表面形貌，同時借助激光輪廓儀對表面粗糙度進行測量。

②將棕化面按照正常壓合工藝，使用7628系半固化片與基材壓合后，反向減銅厚至35 μm，再進行棕化后的加鍍銅面與樹脂間的剝離強度測試。

（2）評判要求：①電鍍加厚銅和正常電解銅棕化面無明顯差別；②電鍍加厚銅和正常電解銅棕化面與樹脂間剝離強度無明顯差別；③ 剝離強度不小于0.6 N/mm。

（3）測試結(jié)果：電鍍加厚銅和正常電解銅按照正常壓合工藝與基材樹脂壓合后，反向減銅至35 μm，試樣剝離強度測試結(jié)果見圖7所示。

圖7 試樣剝離強度測試結(jié)果

（4）小結(jié)：加厚銅試樣剝離強度與基銅試樣（參比試樣）無明顯劣化，兩者結(jié)合力相當，剝離強度滿足≥0.6 N/mm的要求，加厚銅的可棕化能力良好，滿足PCB要求。

2.4 組裝工藝適應性評估

（1）評價依據(jù)：PCB制作完成后，需要經(jīng)過SMT（表面組裝技術）、波峰焊、手工焊等焊接組裝過程，將元器件焊接至PCB板面而實現(xiàn)功能。在焊接過程中，PCB需要經(jīng)歷多次焊接熱量帶來的熱應力，該熱應力可能會引起電鍍銅和基底銅、基底銅與樹脂之間的結(jié)合處分離。

取基銅和由105 μm加鍍至210 μm（內(nèi)外層均為210 μm）四層樣品各5PCS，最小線寬線距0.35 mm，各層次線路一樣，設計線路圖見圖8所示。

圖8 組裝工藝適應性設計線路圖

評價方法：預處理：125 ℃，6 h預烤；回流次數(shù)：3～5次；回流曲線參照IPC-TM-650 2.6.27 A，溫度時間要求：217 ℃以上120 s～150 s，峰溫260 ℃±5 ℃，255 ℃以上20 s～30 s?；亓骱髾z查：切片觀察是否分層。

（2）評判要求：至少3次回流測試后無分層現(xiàn)象。

（3）測試結(jié)果：所有試樣經(jīng)過5遍無鉛條件回流試驗后，外觀上均未見起泡分層現(xiàn)象，切片各試樣后鍍銅層也未見分層現(xiàn)象。各試樣切片結(jié)果詳見圖9、圖10所示。

圖9 龍門電鍍105 μm加鍍至210 μm5次無鉛回流后切片

圖10 VCP電鍍105 μm加鍍至210 μm5次無鉛回流后切片

（4）小結(jié)：試樣5次無鉛回流后未出現(xiàn)爆板分層現(xiàn)象，加厚銅也未與基銅發(fā)生分離，加厚銅工藝制作的PCB具有良好的組裝適應性。

2.5 環(huán)境適應性評估

（1）評價方法：在PCB實際使用的環(huán)境中，溫度循環(huán)非常常見，尤其是汽車電子應用場景下，PCB會經(jīng)歷較為嚴酷的冷熱循環(huán)，給電鍍加厚銅與樹脂結(jié)合處、電鍍銅與基銅結(jié)合處及孔銅的可靠性都引入了較大風險。

取龍門電鍍105 μm加鍍至210 μm、VCP電鍍由厚105 μm加鍍至厚210 μm各4個樣品，設計孔鏈圖形見圖11所示，最小鉆孔孔徑0.6 mm，孔壁銅厚18 μm、平均20 μm以上，孔環(huán)之間連接的導線線寬0.375 mm，孔環(huán)寬度0.625 mm。

圖11 設計加鍍孔鏈圖形

評價方法：參照標準為IPC-6012DA《剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范汽車要求附件》。

試驗條件：500個溫度沖擊循環(huán)，低溫-40 ℃，高溫125 ℃，高低溫各停留15 min。

溫度沖擊后檢查：切片觀察是否分層。

（2）評判要求:溫度沖擊后無開裂現(xiàn)象。

（3）測試結(jié)果：溫度沖擊測試過程阻值測試結(jié)果詳見圖12所示，結(jié)果顯示所有試樣在500個溫度循環(huán)前后阻值變化率均小于10%，切片未見銅層與基材之間、加鍍層與基銅之間分層現(xiàn)象。因此從加鍍銅與基銅結(jié)合方面看，加鍍銅工藝制作的PCB過孔具有良好的環(huán)境適應性。

圖12 溫度沖擊測試過程阻值測試結(jié)果

3 總結(jié)

通過以上銅厚均勻性、可蝕刻性、棕化能力、組裝工藝適應性、環(huán)境適應性等幾方面對加厚銅工藝制作的PCB進行了可靠性評價研究，結(jié)論為加厚銅工藝的加鍍銅面與樹脂間的剝離強度、基銅與加厚銅之間結(jié)合性能等方面的可靠性風險基本可以排除，即加鍍銅工藝的厚銅PCB滿足凱星公司制程和相關可靠性方面的要求。