PCB成品铜厚和孔铜的由来

来源:一博自媒体 时间:2017-1-4 类别:微信自媒体

文 | 王辉东   一博科技高速先生团队队员

前不久,某客户自行设计和制造的一款小批量的PCB,在我司的PCBA工厂贴装,贴装过程很顺利,但是在成品测试时,发现有45%的不良,不是没有信号就是就是信号失真。

经过多天排查,最终发现不良的原因是因为在PCB制作时,过孔孔铜厚度不均匀,PCB过孔局部孔铜过薄,导致在回流焊接时,因为受热冲击的影响,过孔孔铜断裂,造成开路出现失效的不良。

过孔局部铜厚过薄和过孔开路是PCB 制造行业共同面临的重大技术课题之一,以往对过孔开路的讨论与研究文章多局限在PCB 制板时板材的选用,因板材的CTE热膨胀系数较大,在后期装配冷热冲击导致孔铜开裂等失效案例的分析,而没有从PCB本身加工,孔铜电镀方面去分析解决问题。本文从PCB的电镀方面去分析过孔局部铜薄起因,告诉大家怎样从电镀方面避免因过孔铜薄而出现开路导致PCB失效。


客供OK及不良图片:

 

一般而言,传统电路板的孔铜厚度大多数都要求在0.8-1mil之间。至于某些高密度电路板,比如HDI,因为盲孔不易电镀同时为了细线制作的问题,会适度的降低对孔铜厚度的要求,因此也有最低成品孔铜厚度0.4mil以上的规格出现。但是也有一些特殊的例子,例如:系统用的大型电路板,因为必须应付特殊的组装以及长时间使用的可靠性保证,因此要求孔内铜厚度高于0.8mil以上或更高。IPC-6012里面对孔铜厚度是有明确的等级划分,因此需要什么样的孔铜规格,根据产品的需要,最终还是由客户指定的。

IPC对产品等级通用的定义:


我们还回到我们文章的开头案例部分,怎么会出现孔铜开裂的失效情况呢,首先我们先要了解PCB的制作流程

下图为常规PCB通用流程图:
 
 

从上两个图中我们可以清楚看到,我们的PCB完成铜厚是由PCB的基铜厚度加上板电和图电最终厚度,也就是说完成铜厚大于PCB的基铜,而我们的PCB全部孔铜厚度,是在两流程中电镀完成,即全板电镀孔铜的厚度和图形电镀的铜厚度。

 我们常规成品1OZ成品铜厚,孔铜按IPC二级标准,我们通常一铜(全板电镀)的厚度为5-7um,二铜(图形电镀)厚度为13-15um,所以我们的孔铜厚度在18-22um之间,加上蚀刻和其它原因导致的损耗, 我们的最终孔铜就在20UM左右。下图为关于孔铜的几种常用标准。
 

下图是业界内关于孔铜厚度的计算常用方法:
 

通孔电镀是PCB制造流程中非常重要的一个环节,为实现不同层次的导电金属提供电器连接,需要在通孔的孔壁上镀上导电性良好的金属铜。随着终端产品的日趋激烈的竞争,势必对PCB产品的可靠性提出更高的要求,而通孔电镀层的厚度的厚度大小则成了衡量PCB可靠性保证的项目之一。影响PCB孔铜厚度的一个重要原因就是PCB电镀的深镀能力。

评估PCB镀通孔效果的一个重要指标就是孔内铜镀层厚度的均匀性。在PCB的行业中,深镀能力定义为孔铜 中心镀层厚度与孔口铜镀层厚度的比值。如下图所示:深镀能力(TP)可表示为:
为了更好的阐述深镀能力,还经常用到板厚孔径比,即厚径比。
 
从上图中我们可以看出厚径比小,就意味着PCB板不是太厚而孔径较大,电镀过程中的电势分布比较均匀,孔中离子扩散度比较好,所以电镀液的深镀能力值往往比较大;反之,厚径比比较高时,孔壁会表现为“狗骨”现象,(即上期文章中吴总提到孔口铜厚,孔中心铜薄的现象),镀液的深镀能力就较差。 

下表为某厂根据上述定义对PCB产品进行的分类及目前使用的电镀铜工艺的主要性能指标。

PCB产品分类及电镀铜深镀能力指标
 不考虑其它因素的影响,目前我司的最大厚径比能做到18:1。高深镀能力对电镀是非常重要的。这也是目前很多线路板厂亟待解决的制程问题。

高深镀能力有如下的优势:

1.提高可靠性保证
 孔壁电镀铜层厚度的均匀性提升,为PCB在后续的表面贴装及终端产品使用过程中的冷热冲击等提供了更好的保证,从而不会出现前期的失效问题,延长产品的使用寿命,提高产品的高可靠性。

2.提升生产效率
电镀工序一般是制造流程中的“瓶颈”工序,深镀能力的提升可缩短电镀时间,提高产能和效率。

3.降低制造成本
PCB工厂普遍认为:如果深镀能力在原来基础上提升10%,则至少可以降低材料成本10%的消耗。 此一项的直接收益就在百万元/年,更不包括提升产品品质后带来的一系列间接获益。



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