| 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。 |
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 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 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 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 热老化 讨论
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？ 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？ 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 致谢： [10] Yongning Yu, Metal and metallurgy Science and Engineering (in Chinese), Metallurgy Industry Publishing company, Beijing. 2000 |
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