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PTH铜镀层结晶缺陷及失效机理研究

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:admin】【时间: 2008-5-9 9:18:16】【点击:


PTH铜镀层结晶缺陷及失效机理研究

 

涂运骅, 孙效燕, 李松, 许云霞, 刘桑, 居远道— 华为技术有限公司

 

 

摘要:随着高密度趋势的演进,镀通孔(PTH,Plated Through Hole)的厚径比越来越 大,其自身的可靠性以及PCB可靠性设计方法均得到了充分的研究。值得关注的 是,这种趋势也对制造提出了更高的要求,因为铜镀层的结晶状况被认为是影响 可靠性表现的关键因素之一。 本文从一个实际的案例出发,探讨了铜镀层结晶对于 可靠性的影响,提出了异常结晶的失效机理与规避建议。

PTH的可靠性,尤其是高厚径比的PTH孔的可靠性 问题引起了业内的普遍关注,并进行了持续的研究 投入[1-7]。各厂商包括华为在内,都根据自身产品 特点提出了增强可靠性设计方法,例如增加内层无功能孔 盘[2-3]、合适的板厚限制、材料选择[4-6]等,甚至还建立了孔 疲劳的加速模型[7]。当然,采取这些措施后得到一些不同的 结果,我们需要进一步地加以研究。可是也有很多人认为, 板上的PTH不是最薄弱点,我们的目光应该转移到其它问 题,比如无铅焊点令人“捉摸不定”的长期可靠性问题、焊 点的界面微洞问题等。

然而,PTH的可靠性并不唯一取决于设计因素,PTH孔 铜,像其它金属材料一样,其力学性能取决于它的微观组 织与结构,可事实上我们对此却关注得很少。究其原因, 一是普遍认为通孔的可靠性是设计问题,对制造的相关环 节往往由制造商自行解决,在铜结晶方面到目前还没有任 何一个标准提及,所以没有引起足够的重视;二是微观研 究依赖更精密的设备,电镀铜的晶粒一般在微米级,其晶 粒缺陷尺度更小,必须采用SEM/TEM(扫描电子显微镜/透 射电子显微镜)等分析方法,超出了常规检测的范围(通 常的来料检验,一般使用金相显微镜就可以了)。反观金 属结构件,由于晶粒尺寸比电镀金属大1-2个数量级,所以 铁和铜等材料的组织及结构已经得到了深入系统的研究。 值得庆幸的是,电镀与铸造、轧制等成型方式相比只是结 晶的驱动力、动力学行为有差异而已,并没有本质上的不 同,传统的金相组织结构理论以及研究方法均适用于电镀 铜。这为本文的研究提供了基础。

本文从一个PTH孔镀层失效案例出发,从微观组织结 构的角度分析了其失效机理与原因,并提出了对于铜镀层 的检验方法。

背景
在本公司对PTH可靠性的研究过程中,某批次的试验板在温度冲击(华为技术公司标准)试验中出现了异常的 早期失效,试验板主要设计参数为:板材普通FR4,厚径 比13,铜厚20微米,内层孔盘6个。切片证实,孔铜出现断 裂,但是铜厚、钻孔质量等良好,未发现明显缺陷,符合 来料检验要求。进一步的可靠性验证,如热应力试验(IPC— 6012)表明该批次单板的可靠性表现极差,不能通过三次的 280℃浸锡试验,并且出现的断裂位置也位于PTH中间而不 是拐角,因此认定此孔铜的力学性能较差。

进一步的腐蚀之后发现,镀层的结晶与正常的镀层具有 明显的差异(见图1),这是否是导致早期失效的关键因素呢?

试验设计
为了研究其失效机理是否与异常柱状结晶相关,进 行了如下的试验设计。考虑到正常的覆铜箔来料也是柱状 晶,以下试验均采用失效样品与正常样品、覆铜箔的对 比,从微观缺陷方面分析其失效原因与机理。

1、扫描电镜观察。采用Quanta ESEM环境扫描电镜对镀层显微形貌进行横切片与纵切片的观察,包括晶界与晶内缺陷;

2、显微力学分析。采用纳米压痕仪对镀层进行硬度分析,固定最大压入深度为500nm,线性加载正压力,加载和卸载速率均为:40mN/min,在最大载荷上的停留时间为0秒;

3、热老化。观察缺陷板微观组织在热老化方面的表现 有无差异。

结果分析

微观结构分析
对失效孔进一步进行了扫描电镜观察,发现二次铜 在水平方向呈现明显的柱状结晶,而正常的铜结晶为等轴 状。同时,值得注意的是二次铜的柱状晶粒之间存在少量 的微洞(见图2),而一次铜与对正常板的孔铜均未观察到 此现象(见图3)。

对缺陷板的水平切片发现,柱状晶的电镀铜晶粒内部 存在大量密集的亚晶,亚晶界为细微的平行直线段,直线 段起始均位于晶内,符合典型的孪晶特征,此为孪晶界(见图4)。

在垂直切片中覆铜箔虽然显示了类似的柱状结晶,但 是在水平切片中的孪晶密度却非常小(见图5。但在相同的 腐蚀条件下晶界比较明显),正常板的等轴晶也几乎不存 在孪晶现象,这表明高密度的孪晶是该缺陷镀层的特征。

纳米压痕分析
微观组织分析证实缺陷镀层存在大量的孪晶。为了进 一步了解这种镀层的力学特性,进行了纳米压痕分析。结 果如图6所示,缺陷镀层的硬度明显比正常镀层以及柱状晶 的覆铜箔高,同时弹性模量较低。

热老化
对三种样品分别进行了10分钟~2小时、180℃的老 化,结果发现随着时间延长,缺陷柱状晶的镀层晶界出现 越来越多的空洞(见图7),晶粒尺寸本身并没有显著变 化;正常镀层及覆铜箔均没有空洞现象,老化后正常镀层 的结晶晶粒尺寸变大,表明发生了再结晶(见图8)。

 

 

 

讨论
综合上述试验结果,缺陷的铜镀层具备以下特征: - 二次铜为柱状晶 - 在水平方向有密集的孪晶 - 硬度比正常高,弹性模量低 - 老化后出现大量的空洞


是否柱状晶就不能接受?

答案显然是否定的。因为至少覆铜箔也显示了柱状晶 但是在试验自始至终都没有表现出任何值得怀疑的问题, 在温度冲击、老化等试验之后并没有出现晶界空洞与裂 纹,所以柱状晶并不是失效的主要原因。

但是,这并不意味着柱状晶具备与通常的等轴晶一样 好的力学性能。以覆铜箔为例,IPC-MF-150对铜箔进行 了分级,通常的电镀铜箔分为STD标准型、HD高韧型与 HTE高温延展型[8],标准型的铜箔采用超高电流密度电解制 备,获得的往往是柱状晶,此种铜箔无法满足反复弯曲或 高温加工膨胀严重的情形,所以HD与HTE铜箔均不是柱状 晶而是等轴晶[9]。

本案例中缺陷板的失效机理?
试验结果表明缺陷板的柱状晶有两大缺陷:一是高密 的孪晶,二是晶界空洞。

孪晶[10]是以晶体中一定的晶面(称为孪晶面)沿着一 定的晶向(孪生方向)移动而发生的,孪晶不仅破坏了晶 格的长程有序,同时也是变形的主要机制之一;施加应力 时,一部分晶体将沿孪晶面相对于另一部分晶体切变。

通常情况下,孪晶的动力学特点为难萌生易扩展。 孪晶萌生一般需要较大的应力,但随后长大所需的应力较 小,其拉伸曲线呈锯齿状。本案例中的镀层在电镀时已形 成了高密的孪晶,所以在受到应力时变形非常容易,故弹 性模量下降。孪晶作为晶内缺陷,表明晶体局部存在高应 力区,所以纳米压痕显示硬度较高。纳米压痕的结果很好 的反映了缺陷柱状晶的组织特点。

晶界空洞则表明电镀铜结晶存在大量的缺陷。除了孪 晶之外,通常电镀缺陷还包括空穴、位错。这种类型的缺 陷为原子级,但是在老化过程中会发生聚集,而晶界理所 当然的成为聚集的理想场所;从图8的试验结果来看,晶界 缺陷也极大的阻碍了再结晶过程的发生。缺陷板老化后的 晶界空洞表明该板的电镀结晶过程引入了大量的空穴、位 错缺陷。

所以,电镀过程导致的高密孪晶与空穴、位错缺陷使 得铜镀层在温度冲击等过程中发生了早期失效。 本案例中缺陷板的失效原因?

由于供应商无法追溯准确的制程变异,而在PCB工厂 里将缺陷复现成本也很高昂,所以寻找具体的制程原因非 常困难。

电化学理论表明[11],过电位是影响电极反应动力学 的最主要因素,高的过电位将使电极反应速率增加。作者 认为,柱状结晶源于铜沉积反应的过电位异常高。电镀初 期的形核理论上是等轴状,为后续的沉积提供晶种;如 果过电位过高,沿晶种的生长速率将非常快,此时晶粒 的生长方向应沿介质的浓度梯度方向,即垂直于孔壁。 Merchant[12]通过大量的研究认为,增加电流密度,降低槽 液温度、阳离子浓度、搅拌速率和pH值等诸多制程因素, 均会显著增加过电位,而这些因素当中,电流密度、表面 活性剂的影响可能最为明显。电流密度取决于电源设备, 所以变异的可能性小,所以认为该批次单板异常结晶的原 因可能为电镀药水的表面活性剂出现了某种异常。

如何在来料检验中规避此类失效风险?
依据前文分析,理论上要确认镀层是否允收,需要观 察其结晶的平均孪晶密度,这需要借助至少是SEM (TEM更 好),对于日常检验来说,这不可实现。

所以建议拒绝所有的柱状结晶! 虽然目前的IPC-600等PCB来料检验标准中均未涉及铜 的结晶状况,但是仍建议PCB的下游用户须在各自的企业标 准中增加此项内容。同时,建议后续的IPC相关规范中纳入 此内容。

总结
本文介绍了一则PTH孔的早期失效案例,通过对镀层 的微观组织与微观力学性能的分析,结果表明镀层为异常 的柱状结晶,柱状晶粒内部大量密集的孪晶以及随老化逐 渐生成的大量晶界空洞使得孔铜的力学特性显著劣化导致 失效,并从客户的角度提出了来料检验方法:虽然柱状晶 不全都性能恶劣,但是修改来料检验规范,拒绝所有的柱 状结晶仍然是切实可行而安全妥善的方法。本文有助于使 越来越被淡忘的制造问题重新获得人们的关注。

 


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