PCB电镀铜后热处理对制程及性能的影响分析.pdf

电镀涂覆 Plating Coating印制电路信息 2024 No.4PCB电镀铜后热处理对制程及性能的影响分析孙炳合1 张健1 毛永胜1 胡振南1 周国云2 黄倩2 文根硕2（1.江苏博敏电子有限公司，江苏 盐城 224115；2.电子科技大学材料与能源学院，四川 成都 610054）摘要随着手机通信及消费类产品不断向轻、薄、小、精、密等设计特征方向发展，对配套使用的高密度互连（HDI）板的设计要求越来越高，制作过程中的流程设计与参数规格管控也越来越严格。通过对印制电路板（PCB）制造过程中，电镀铜后有无热处理流程对镀铜层微观晶体结构的变化影响、镀铜的物理特性，以及对后工序的产品品质综合特性进行研究，探讨了充分识别产品微观变化类型及潜在作业品质影响的价值，阐述了制作流程设计优化对高端精细PCB产品的重要性。关键词印制电路板；电镀铜；热处理；尺寸稳定性；延展性中图分类号：TB303文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04002805Effect of heat treatment after Cu plating on PCB process and performanceSUN Binghe1 ZHANG Jian1 MAO Yongsheng1 HU Zhennan1 ZHOU Guoyun2HUANG Qian2 WEN Genshuo2(1.Jiangsu Bomin Electronic Co.,Ltd.,Yancheng 224115,Jiangsu,China;2.School of Materials and Energy,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,Sichuan,China)AbstractWith the continuous development of mobile phone communication and consumer products in the direction of light,thin,small,fine,dense and other design features,the design requirements of high density interconnector(HDI)printed circuit board(PCB)products used in supporting products are getting higher and higher,and the process design and specification control in the production process are becoming more and more stringent.In this paper,through the study of the influence of heat treatment process on the crystal microstructure and the physical properties of plating copper in the PCB manufacturing process,and the comprehensive characteristics of product quality in the copper plating post-process,the importance of fully identifying microstructure changes of products and the potential impact on product quality,and the signficance of optimizing the design of the production process for the successful production and application reliability of high-end fine PCB products are discussed.Key words printed circuit board(PCB);copper plating;heat treatment;dimension stability;elongation作者简介：孙炳合（1974），男，博士，主要研究方向为高端印制电路板产品研发与制造。-28印制电路信息 2024 No.4电镀涂覆 Plating Coating0引言印制电路板（printed circuit board，PCB）制造过程中，热处理是一个很常见的流程。阻焊后热处理可增加阻焊聚合度，湿制程后段烘干可去除水洗后PCB表面及孔内的水分，其他辅助的热处理过程主要为去湿除潮以防止受热爆板，或者消除内应力以增加尺寸稳定性等。但在传统PCB制造过程中，为追求产出、提升效率等，这些辅助的热处理流程通常能省则省。没有经历过因相关问题导致产品失效、客户认证失败的经验，很难接受这些所谓的增加成本、拉长制作周期的“多余”辅助流程。而当产品设计规格不断向着轻、薄、小、精、密等特征方向发展时，这些细小辅助流程的作用与必要性就凸显出来。本文聚焦PCB制造流程中的电镀铜工序，就有无热处理流程时电镀铜晶格的变化形态、物理延展性特性以及板子尺寸稳定性进行了研究与讨论，供业内同行参考。1实验设计1.1材料覆铜板（copper clad laminate，CCL），台光EM-285 T/T，厚 度 0.064 mm，尺 寸 510 mm 610 mm。1.2设备扫 描 电 子 显 微 镜（scanning electronic microscopy，SEM）Hitachi S-3400N，二次元量测仪，SG-305铜箔延展性测试仪。1.3流程模 拟 任 意 阶 高 密 度 互 连（high density interconnector，HDI）板的作业流程，各主要流程如图1所示。下料热处理烘烤条件 1 为 150/4 h，烘烤 条件2为150 C/2 h，减薄铜1的减铜厚度为5 m，电镀铜层目标厚度为20 m，减薄铜2的减铜厚度为6 m。镀铜延展性采用拉伸试验法表征，样品准备及条件如下。（1）样本准备。准备表面光洁的钢板，在电镀槽中进行铜箔电镀，镀铜厚度0.08 mm。（2）样本条件。镀铜完成后室温分别放置4、8、24、48 h；镀铜完成后150 分别热处理1、2、5 h。（3）取样信息。样本尺寸长宽=150 mm 13 mm（标距50 mm），样本数量5片/条件。（4）测试方法。IPC TM-650 2.4.18.1A热断裂强度。2试验结果与讨论2.1热处理对电镀铜晶体结构变化的影响及分析在图1取样点2、3处，分别对电镀后和电镀热处理后4、8、24、48 h时段的铜微观晶格状态进行观测，晶格结构变化结果如图2所示。图2（a）（d）为CCL基材铜基础上增厚电镀的镀铜层未经热处理时，不同时间段的晶体结构变化SEM形貌图，其中不够致密并且分布着许多微孔的区域就是基铜层和镀铜层的分界面。可以发现，基铜层已经是稳定的完全晶化的微观结构，随着时间变化没有表现出显著差异；镀铜层的微观结构，在4 h时如同非常细小致密的沙粒，没有方向性；第8 h的SEM形貌图中，部分电镀图1试验测试板制作流程及数据取样点示意-29电镀涂覆 Plating Coating印制电路信息 2024 No.4铜已经形成具有方向性的晶化状态；在24 h和48 h后的电镀铜微观结构SEM形貌图中，电镀铜已经基本完全晶化，看不出显著差别。图2（e）（h）为在CCL基材铜基础上增厚电镀的镀铜层立即经热处理后，不同时间段的晶体结构SME形貌图。可以发现，微观结构上电镀铜层与基铜层已经融为一体，呈现具有晶体取向的晶化形态，界面已经模糊不清；随着时间的推移，从SEM形貌上镀铜层的晶体结构没有显著性差异。电镀金属最初的微观形态一般都是非晶态结构1，镀铜层在4 h的微观结构SEM形貌图呈现细小致密的沙粒形态，相对于已经完全晶化并具有显著晶格取向的基铜层，镀铜层仍处于没有晶格取向的非晶态结构。在没有热处理作用的情况下，电镀铜在室温下会随着时间的推移发生微观图2 镀铜后及镀铜+热处理后不同时间段铜晶格的SEM形态-30印制电路信息 2024 No.4电镀涂覆 Plating Coating结构的演变，通常称为铜自退火，这才出现了如图2（a）（d）呈现的不同时间段镀铜晶格因自退火原因产生微观结构晶化的过渡。电镀铜的晶体学演变包括晶粒尺寸分布、晶体取向和晶界等特性，这些变化都会引起如电阻率、内应力、杂质分布和晶体学缺陷等特征的转变，镀铜晶粒的生长始于电镀铜的底部（即基材铜层），新形成的镀铜晶粒的取向与基铜层取向高度相关，具有一定的继承延续性。因此，镀铜层与基铜层的界面在完全晶化后就会变得模糊不清，这一现象在图 2（e）（h）中得到了很好的验证2。图2（e）（h）中镀铜层微观结构SEM形貌图说明热处理加速了电镀铜的晶化演变，在很短的时间内就进入了稳态结构。2.2热处理对板子尺寸稳定性的影响及分析针对PCB制作过程中电镀铜前后热处理对尺寸稳定性的影响，试验中分别在图1取样点1、2、3、4处各取6片作为尺寸数据收集样板，量测收集径向和纬向尺寸数据，并针对流程收集点2、3、4处的样板收集数据，间隔4 h，时长共36 h，观察不同过程对尺寸变化的影响（各流程前后的尺寸数据都是来自对应同一片板子的尺寸数据）。电镀后未热处理 36 h 及薄铜（减薄铜）后 16 h过程中板子的尺寸变化如图3（a）（b）所示，不论是板子径向还是纬向，在电镀完成后的8 h内，板子尺寸收缩速度比较快，后续时间板子尺寸仍呈现收缩趋势，但是收缩速度逐渐放缓；28 h后，板子尺寸逐渐稳定后不再发生显著变化。经放置36 h后，进行薄铜2作业，板子尺寸变化曲线显示，板子尺寸在薄铜前后呈现显著回涨现象，随后逐渐进入相对的稳定状态。电镀后经热处理后36 h及薄铜后16 h过程中板子的尺寸变化如图3（c）（d）所示。尺寸变化趋势图显示，镀铜热处理后，板子尺寸相对稳定，没有显著的涨缩现象。在经过薄铜2后，板子尺寸稍有回涨，但是相比图3（a）（b）中的变化量更小，且在经过微量回涨后，逐渐稳定下来。对比PCB经电镀后有无热处理流程及其后续薄铜过程中的尺寸变化结果，说明热处理流程确实能够增加产品过程中的尺寸稳定性。PCB制作过程中，当电镀后没有经过热处理流程的状态下，镀铜层的微观结构一直处于不断晶化的微观变化过程中。如果电镀铜到下一制程的停留时间不能够保持一致，则即使是同一产品，在下一制程中的产品涨缩系数也会变得混乱，就更不用说存在图3PCB尺寸随时间的变化量-31电镀涂覆 Plating Coating印制电路信息 2024 No.4电镀制程中类似补镀等重工流程。究其原因，综合前面电镀铜微观结构SEM观察晶格状态的变化可知，在电镀铜后没有经过热处理的流程，铜存在从非晶态向晶态结构转化的自退火晶化过程；且从板子尺寸随停留时间延长而发生变化的趋势看，自退火晶化过程中产生了缩应力，起始阶段缩应力较大，因此该板子尺寸收缩量比较大。由于 构 成 电 路 板 的 多 种 材 料 的 热 膨 胀 系 数（coefficient of thermal expansion，CTE）不一致，导致存在内应力残留在板子内。在后续减薄铜过程中，释放了部分缩应力，因此产生了板子的膨胀现象3。从经过热处理过程的板子尺寸变化的情况可以得知，电镀铜后的热处理过程，不仅加速了镀铜层微观结构的晶化过程，同时也有效释放了内应力，因此在后续减薄铜的过程中PCB尺寸都没有发生显著变化。2.3热处理对镀铜延展性的影响及分析从前面电镀铜的SEM微观分析结果可知，电镀铜最初状态是处于非晶态结构。另外，在电镀过程中的电流容易产生氢原子析出现象，氢原子容易扩散到镀层当中，并渗透吸附在电镀铜晶格间隙中，导致所谓的“氢脆”等现象，严重影响镀铜延展性。80 m厚度电镀铜经过不同条件处理后的铜箔延展性结果如图4所示。由图4可见：室温放置条件下，电镀铜随着时间的延长，断裂伸长率具有上升趋势，说明镀铜延展性逐步变好，但是幅度不大；经过150 热处理后，镀铜断裂伸长率上升到26%左右，随着热处理时间的延长，断裂伸长率没有显著变化。不同处理条件测试结果表明，电镀铜后在室温状态下，随着时间的延长，镀铜晶格因自退火效应具有显著的由非晶态向晶态缓慢转变的过程；逐渐改变晶格排列，能够较好地起到改善电镀铜延展性的效果，因此镀铜断裂伸长率显示出逐步变好的趋势。但是，根本性改善电镀铜延展性的有效措施还要通过热处理作用，热处理不仅能够加速镀铜晶化过程一次到位，起到很好的除氢作用，还改善电镀铜氢脆等问题，从而提升产品可靠性。3结语随着社会经济的发展，为了更便于携带，手机通信、消费类等与生活息息相关的电子产品设计不断向着轻、薄、小、精、密等方向发展，随之出现了线路越来越密、连接孔越来越小、焊盘尺寸越来越小、对位精度要求越来越高等产品特征，这就要求尺寸对位相关的涨缩管控也要越来越严苛。本文采用对PCB过程产品的镀铜层经不同条件作用后的阶段性微观结构SEM观测及采用二次元量测尺寸变化的方法，直观地了解镀铜层在室温条件下由非晶态向晶态的转变过程，发现了热处理过程能够加速镀铜层状态稳定、显著改善镀铜延展性等现象；并用尺寸数据说明了镀铜后晶化过程内应力的产生及其释放。特别是在产品越来越薄的设计趋势下，PCB制作过程中应力对尺寸涨缩的影响更加显著。参考文献 1 CHEN C C,YANG C H.Depth-dependent self-annealing behavior of electroplated CuJ.Surface and Coatings Technology,2017,320:489-496.2 王志新,卢金斌,席艳君.热处理对铜基大块金属玻璃晶化过程的影响J.热加工工艺,2007,36(18):4-26.3 程凡雄,付海涛,方军良.电镀铜组织结构及其后续加工性能C/2009年全国电子电镀及表面处理学术交流会论文集.上海:中国电子学会生产技术学会电镀专业委员会/上海电子学会电子电镀专业委员会,2009:143-151.图4镀铜后不同处理条件下镀铜断裂伸长率-32