大铜面铜皮起翘原因分析和改善对策

1、文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢送下载支持.大铜面铜皮起翘原因分析及改善对策一、前言：随着无铅焊接温度的提升,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：先回忆下应力的概念,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

2、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反抗外 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根本思路：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,

3、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/C ,而铜箔为5-20ppm/C ,玻璃为6-10ppm/C,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别离,出现铜皮起翘现象.三、原因分析和改善举措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反抗剪切应力导致,因此我们从产生的热应力、以及反抗热应力水平两方面进行分别说明

4、.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.从反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,应力的产生主要是由于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%人&*()#%人&尺寸交件率从上图来看,HASL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 c无铅热风整平出现铜皮起翘问题,单纯将温度降低到 260 c甚至240 C,问题都得到了不同程度的改善,因此稳定并降低HASL的温

5、度,是预防焊盘起翘的关键限制点.降低HASL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,由于阻焊油墨是热的不良导体,也可以到达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,如下列图所示. 该方法对稍微 的铜皮起翘问题有一定的帮助,但是对于比拟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可以有较大的差异,对于高Tg材料或者参加无机填料的材料,其膨胀的绝对变化率可以比普通的FR-4板降低1030%,产生热

6、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本钱以及加工本钱的增加.由于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,通常采取的方法有：把大铜面结构设计成网格结构, 该举措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,角位置距离中央最远,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

7、=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,会有比拟明显的效果,就是前面提到的将大铜面分割以将其改成大圆弧形状,在一定程度上也降及改成网格状结构,但是当图形难于更改时候,钝化大铜面的角位, 低了热应力的产生,圆弧曲径设计越大越好,如下列图.2、反抗热应力的水平当HASL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,提升板材反抗热应力的水平,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.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

8、大的材料比拟僵硬,受到热应力冲击的时候应变缺乏而导致裂伤,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,参加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,防止了应力对界面的破坏.我们知道,参加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,也是由于无机填料诱发了大量的银纹或剪切带产生的现象.2.2 反抗热应力的水平-铜箔的粘结强度铜

9、箔和基材的结合强度越大,反抗铜皮起翘的水平越大,粘结强度指标可以用抗剥强度进行表示.由于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：对于无铅热风整平温度而言,更加关注的是 260 c以上的PS指,由于受高温抗剥仪量程的限制, 我们最多只能分析到 250 c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HASL的温度,不仅是降低了热应力,同时也是提升了铜箔的粘结强度,提升了反抗热应力的水平.知道了

10、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250c条件,分析了以下四种材料型号剥离强度N/mn120Z常温250 c剩余PS %TG140 DICY固化无填料2.53 03011.9%TG140 PN固化无填料2.25 02912.9%TG150 PN固化有填料1.70.3822.4%TG170 PN固化无填料2.18 08539.0%从以上数据来看,可以得出：材料的 Tg越高,250c条件下剩余的剥离强度越大,Tg140材料PS剩余为12%£右,Tg150 为 22%£右,TG170 为 39%£右.根据以上结论我们

11、可能会认为Tg越高,高温下铜箔的粘结强度越大,反抗热应力的水平就越大,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HASL (280 C)的考察,铜皮起翘的情况如下.型号剥离弓S度N/mm20Z铜皮起翘情况常温250± 5c剩余PS %TG140 DICY固化无填料2.530.3011.9%OKTG140 PN固化无填料2.250.2912.9%有TG150 PN固化有填料1.70.3822.4%OKTG170 PN固化无填料2.180.8539.0%有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 以及是否参

12、加填料关系更大.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没有可比照性,只有在相同类型的材料中PS还是具有一定的可比性.因此,粘结强度上下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,也会提升分子间的接触点密 度,有利于提升 PSo尽管如此,但是我们并不推荐用此方法来提升PS,由于更改物性参数、更改层压参数去配合提升PS,可能带来较大的负面影响.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 分散转移热应力的水平将热应力进行转移也可以起到较好的效果,一种比拟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,该镀通孔起着钏合的作用,在Z-轴方向对面上的铜皮进行牵制,如图Ao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