1、大銅面銅皮起翹原因分析及改善對策一、前言： 隨著無鉛焊接溫度的提高，對于pcb 內部相鄰材料之間因膨脹不匹配產生的應力會加劇，從而出現一系列的可靠性問題，如孔銅斷裂、分層起泡、焊盤/銅皮起翹、翹曲變形等。外層含大銅面結構的 PCB 板本身就容易出現一些結構性的問題，如大銅面邊緣白點問題、大銅面邊緣銅皮起翹問題、銅面下白點問題等，加上無鉛化焊接溫度的影響，這些結構性的問題會變 得更加突出。 %&*()#%& 此處討論的是大銅面邊緣銅皮起翹問題的產生原因和改善對策。 二、機理探討： tteedf4636!#$% 先回顧下應力的概念，應力就是當材料在外因（外力、溫濕度變化）作用下不能

2、產生位移時，它的幾何形狀和尺寸將發生變化，這種形變稱為應變，材料發生形變時內部產生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，單位面積上的這種反作用力為應力。 應力=作用力/面積 同截面垂直的稱為正應力或法向應力，同截面相切的稱為剪切應力。應力會隨著外力的增加而增長，對于某一種材料，應力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要破壞。 _)($RFSW#$%T 從銅皮起翹的外觀特征我們可以獲得其產生原因的基本思路：銅皮起翹主要出現在大銅面的邊緣，非 大銅面的線路位置不會出現這種問題，說明引起銅皮起翹的應力大小和銅面積有關；大銅面下常伴隨出現樹脂裂紋問題，說明銅箔和樹脂之間存在一定的相互作用 力；相對

3、邊的位置，角的位置更容易出現銅皮起翹出現問題，說明角的位置應力最大。銅皮起翹圖片如下： 字串6 我們分析認為銅皮起翹發生的機理為：PCB 中主要材料是玻璃布、樹脂和銅箔，其中樹脂的CTE最大，高于Tg 溫度下，樹脂CTE 一般>250-350ppm/ ，而銅箔為5-20ppm/，玻璃為6-10ppm/，銅箔與樹脂X/Y 方向膨脹存在不匹配，產生X/Y 方向的剪切應力，當邊角位置的應力大到銅箔和樹脂結合極限時，樹脂和銅箔界面會產生分離，出現銅皮起翹現象。 三、原因分析和改善措施 板材之所以出現銅皮起翹主要是產生的熱應力遠遠超過了銅箔與樹脂界面的結合力，或者是界面結合 力不足以抵抗剪切應力導

4、致，因此我們從產生的熱應力、以及抵抗熱應力能力兩方面進行分別說明。從產生熱應力的角度分析，目的是分析熱應力產生的影響因素， 并將熱應力降到最低。從抵抗熱應力的角度分析，目的是尋找對熱應力進行吸收、分散、轉移的方法。 1、產生的熱應力 前面提到了，應力的產生主要是因為樹脂和銅箔之間在高溫下膨脹不匹配導致，材料隨溫度膨脹的特性如下 _)($RFSW#$%T %&*()#%& 從上圖來看， HASL 的溫度越高，兩者材料之間的膨脹率極差越大，膨脹率的極差越大，銅箔與樹脂界面產生的應力就越大，加劇銅皮起翹問題的發生。根據實踐經驗，對于280 無鉛熱風整平出現銅皮起翹問題，單純將溫度降低

5、到260 甚至240 ，問題都得到了不同程度的改善，因此穩定并降低HASL 的溫度，是預防焊盤起翹的關鍵控制點。降低HASL 的溫度可以改善銅皮起翹問題，實際上是降低到達板面的溫度，如果在銅面上涂覆隔熱材料，如阻焊油墨，因為阻焊油墨是熱的不良導體，也可以達到降低板面溫度 的效果。通常采取的方法是在大銅面上全部涂覆上綠油，或者采取綠油上銅面邊緣的設計，即在易焊盤起翹的銅皮四周，覆蓋一層綠油，如下圖所示。該方法對輕微 的銅皮起翹問題有一定的幫助，但是對于比較嚴重的銅皮起翹問題意義不大。 不同廠家生產的銅箔、不同厚度的箔之間的CTE 差異不大，但是樹脂之間的CTE 可以有較大的差別，對于高Tg 材料

6、或者加入無機填料的材料，其膨脹的絕對變化率可以比普通的FR-4 板降低1030%,產生熱應力也會得到相應程度的降低，因此選擇低CTE 的材料對銅皮起翹有一定的正面效應，但隨之也會帶來板料成本以及加工成本的增加。 因為一定是含有大銅面結構才會產生銅皮起翹問題，而線路位置就沒有銅皮起翹出現，所以和銅面的 面積是有較大的關系，降低銅面的寬度可以改善銅皮起翹問題，通常采取的辦法有：把大銅面結構設計成網格結構，該措施可以從根本上杜絕銅皮起翹問題的發生， 但需要征求客戶的同意。將大銅面分割成多塊小的銅面結構，也能有效地預防大銅面起翹問題的發生。 我們知道銅皮起翹一般都是出現大銅面的角位，角位置距離中心最遠

7、，作用力經過累加后到達角位置時變得最大，加上邊角位置存在一定的尖角，局部的面積非常小，根據應力=作用力/面積，因此可以理解邊角位置容易出現銅皮起翹的原因了。如果將邊角的位置減短，會有比較明顯的效果， 就是前面提到的將大銅面分割以及改成網格狀結構，但是當圖形難于更改時候，鈍化大銅面的角位， 將其改成大圓弧形狀，在一定程度上也降低了熱應力的產生，圓弧曲徑設計越大越好，如下圖。 2、抵抗熱應力的能力 gfgfgfggdgeeeejhjj 當HASL 的條件難于改變時，當客戶的圖形結構難以改變時，總之當熱應力的產生難于降低時， 提高板材抵抗熱應力的能力，也是解決問題的方法，因此需要知道當應力不可降低的

8、時候，將熱應力進行有效吸收、抵抗、分散轉移。 1、和樹脂體系韌性有關，材料的韌性好，受到外力時材料的形變大，可吸收了所產生的熱應力，而 脆性較大的材料比較僵硬，受到熱應力沖擊的時候應變不足而導致裂傷，在銅箔和樹脂的界面就表現為銅皮起翹問題。從這個意義上將，DICY 固化體系的材料要好于Phenolic 固化體系。 2、填料的作用，前面提到了，加入無機填料的材料可以降低板材的CTE，減少了熱應力的產生，同時，加入填料的材料，受力時無機填料的邊緣會誘發了大量的銀紋或剪切帶，引起屈服而發生微觀的塑性形變，吸收了能量，避免了應力對界面的破壞。 _)($RFSW#$%T 我們知道，加入無機填料的材料在沖

9、孔的時候容易出現白色暈圈現象，但是白色暈圈位置并不一定會形成分層或裂縫，也是因為無機填料誘發了大量的銀紋或剪切帶產生的現象。 2.2抵抗熱應力的能力-銅箔的粘結強度 銅箔和基材的結合強度越大，抵抗銅皮起翹的能力越大，粘結強度指標可以用抗剝強度進行表示。因為銅皮起翹發生在高溫環境下，因此，此處探討的是銅箔在高溫下的粘結強度（后文以PS 表示）。 首先了解下銅箔粘結強度隨溫度的變化關系，此處以Tg140 phenolic 材料（10Z）為例。 _) 備注：對于無鉛熱風整平溫度而言，更加關注的是260 以上的PS 指，因為受高溫抗剝儀量程的限制，我們最多只能分析到250 條件下的剝離強度。 從以上圖

10、表可以看出，PS 隨著溫度的升高而降低。且高于Tg 溫度后，PS 下降得幅度更大，因此降低HASL 的溫度，不僅是降低了熱應力，同時也是提高了銅箔的粘結強度，提高了抵抗熱應力的能力。 知道了材料PS 隨著溫度的變化關系后，我們需要進一步了解在相同溫度下不同材料的PS 保持情況（此處按250條件），分析了以下四種材料。 型號剝離強度N/mm20Z 常溫250 剩余PS %TG140 DICY 固化無填料2.53 0.30 11.9% TG140 PN 固化無填料2.25 0.29 12.9% TG150 PN 固化有填料1.7 0.38 22.4% TG170 PN 固化無填料2.18 0.85

11、 39.0% 從以上數據來看，可以得出：材料的Tg 越高，250條件下剩余的剝離強度越大，Tg140 材料PS 剩余為12%左右，Tg150 為22%左右，TG170 為39%左右。 根據以上結論我們可能會認為Tg 越高，高溫下銅箔的粘結強度越大，抵抗熱應力的能力就越大，出現銅皮起翹的問題幾率更低。但是實際情況并非如此，我們對以上四種材料進行無鉛HASL（280 ）的考察，銅皮起翹的情況如下。型號剝離強度N/mm20Z 銅皮起翹情況常溫250±5 剩余PS %TG140 DICY 固化無填料2.53 0.30 11.9% OK TG140 PN 固化無填料2.25 0.29 12.9

12、% 有TG150 PN 固化有填料1.7 0.38 22.4% OK TG170 PN 固化無填料2.18 0.85 39.0% 有從以上結論可以看出，銅皮起翹問題并不是和高溫下的剝離強度呈現完全的線性關系，和材料的脆性 以及是否加入填料關系更大。但是并不是說粘結強度對銅皮起翹問題沒有任何關系，更確切地說，不同類型的材料之間PS 沒有可對比性，只有在相同類型的材料中PS 還是具有一定的可比性。 字串5因此，粘結強度高低對銅皮起翹的影響僅僅是針對與相同體系的材料之間。在相同樹脂體系的材料之間，對于粘結強度的影響因素，可以從以下方面進行考慮。 請不要復制本站內容 (1)和銅箔毛面粗糙度有關：銅箔毛

13、面粗糙度高，或者銅箔毛面的瘤化程度高，PS 越大。 tteedf4636!#$% (2)樹脂流動度的影響:樹脂的流動度高，樹脂對銅箔毛面的浸潤、擴散、流變、滲透性好， 界面兩相分子接觸點密度高，PS 高。此外升溫速率快，樹脂的粘度低，粘結力就強；壓力加大，也會提高分子間的接觸點密度，有利于提高PS。盡管如此，但是我們并不推薦用此方法來提高 PS，因為更改物性參數、更改層壓參數去配合提高PS，可能帶來較大的負面影響。會隨著PCB 板的存放時間下降，銅皮起翹的概率大幅度增加。 gfgfgfggdgeeeejhjj2.3分散轉移熱應力的能力 字串5將熱應力進行轉移也可以起到較好的效果，一種比較有效的方法是針對容易出現銅皮起翹的角位加鍍 通孔設計，該鍍通孔起著鉚合的作用，在Z-軸方向對面上的銅皮進行牽制，如圖A。該鍍銅孔無功能要求，僅僅是用作于熱應力的釋放轉移作用，即便在孔內鍍銅 因應力作用出現斷裂問題，對產品的功能外觀影響不大。在容易出現起翹的位置引出一條