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FPC线路发黑失效分析

2022-08-26  浏览量:69

 

引言

 

柔性电路板是一种具有高度可靠性、绝佳的可挠性印刷电路板,简称软板或FPC,具有配线密度高、重量轻、厚度薄等特点,被广泛应用于手机、笔记本电脑、PDA等多种产品中。因其成本高、工艺要求严格,导致FPC失效问题时有发生,造成严重的经济损失。本文以FPC线路发黑失效为例,分析其异常原因,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

FPC线路蚀刻后,当天贴包封/固化,制程检验无氧化腐蚀现象,FPC出货检验合格。制程TP检验发现氧化腐蚀现象。现进行测试分析,查找FPC线路发黑的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜对线路发黑FPC及正常FPC进行外观检查检查结果如下:

不良FPC线路表面发现点状发黑现象,发黑点分布于FPC的两面,分布无明显规律性;正常FPC未发现明显异常现象。

 

2. 剥离分析

为了观察发黑区域微观形貌及成分信息,选取典型失效样品(NG)将发黑区表面PI层及黏结胶机械剥离,利用电子扫描显微镜对剥离界面进行观察分析:

发黑区域剥离后,铜箔表面发现氧化现象,局部氧化层有脱落痕迹。EDS结果显示,发黑区域及正常区域都含有C、O、Cu元素,未发现其他异常元素,发黑区域氧含量明显偏高,即表明发黑区域存在氧化现象。正常区域无此异常现象。

 

NG样品发黑区域及正常区域剥离后界面SEM观察形貌及EDS能谱图

图1. NG样品发黑区域及正常区域剥离后界面SEM观察形貌及EDS能谱图

 

3. 剖面分析

为了确认发黑区域氧化层深度及形貌状况,选取NG样品对发黑区域及正常区域切片^,利用SEM对截面形貌进行观察分析,结果如下:

针对发黑区域切片,铜箔表面发现氧化层痕迹,氧化层厚度为218nm,放大观察后,铜箔与黏结胶界面局部存在微间隙现象。正常区域未观察到异常现象。需要特别指出的是,发黑区域存在深度方向的氧化腐蚀现象,该现象与表面的腐蚀形貌差异极大,说明腐蚀与线路蚀刻制程相关性较大。

 

NG样品发黑区域及正常区域切片后截面SEM观察照片

图2. NG样品发黑区域及正常区域切片后截面SEM观察照片

 

上述切片样品常温常湿环境中放置2天后,发黑区域截面明显观察到液体渗出现象,正常区域未发现液体渗出现象。经EDS分析,液体渗出区域较正常区域含有较高Cu元素。

 

NG 样品发黑区域及正常区域切片后,常温常湿环境放置2天后截面SEM形貌及EDS能谱图

图3. NG 样品发黑区域及正常区域切片后,常温常湿环境放置2天后截面SEM形貌及EDS能谱图

 

以上结果表明,发黑区域铜箔存在氧化现象,且铜箔与黏结胶界面存在微间隙。

 

4. PI膜分析

4.1 PI膜表面分析

为了观察不同厂商PI膜表面形貌是否存在差异,利用SEM+EDS对不同厂商PI膜观察分析。

1# PI膜表面存在斑点较多,平整性不佳;2# PI膜表面光滑,无明显异常;3#PI膜平整性略差,但好于1#样品。

成分测试显示不同厂商PI膜主要含有C、O元素,但2# PI膜表面局部探测到Na/Cl/K元素,怀疑是人体汗液污染所致。

 

不同厂家PI膜表面SEM观察照片

图4. 不同厂家PI膜表面SEM观察照片

 

不同厂商PI膜表面SEM形貌及EDS能谱图

图5. 不同厂商PI膜表面SEM形貌及EDS能谱图

 

4.2 PI膜厚度测量

为了确认不同厂商PI膜厚度是否存在差异,对三款PI膜厚度方向切片,利用SEM对PI膜厚度进行测量,三者PI膜厚度差异性不大。

 

不同厂商PI膜切片后厚度测量照片

图6. 不同厂商PI膜切片后厚度测量照片

 

4.3 PI膜FTIR官能团分析

利用FTIR傅里叶红外光谱对三款PI膜材质(官能团)进行表征分析。

3#与1#红外光谱图一致,2#在波长1018.73cm-1、829.51 cm-1及803.85 cm-1位置峰值强度存在差异,推测2#与另外两款样品化学单体存在一定差异,但三者在材质构成上无本质区别。

 

不同厂商PI膜FT-IR测试图谱

图7. 不同厂商PI膜FT-IR测试图谱

 

4.4 PI膜吸水率测试

参考标准GB/T 1034-2008塑料吸水性的测定对三款PI膜样品进行吸水率测试,测试结果如下:

如表所示,2#PI膜吸水率最高,而1#PI膜吸水率最低。吸水率越低,受水汽影响就越小,反之,更容易受水汽影响。

 

表1. 不同厂商PI膜吸水率测试结果

不同厂商PI膜吸水率测试结果

 

4.5 盐雾试验后PI膜剖面分析

对盐雾试验后不同成品发黑线路位置进行切片,利用SEM+EDS对切片后截面进行观察与分析。

线路发黑位置PI膜完好,未见明显空洞、破损等异常。PI膜下成分测试显示,未发现明显Na元素存在,但2#探测到Cl元素。

 

不同成品线路发黑位置切片后SEM形貌及EDS能谱图

图8. 不同成品线路发黑位置切片后SEM形貌及EDS能谱图

 

5. 未覆膜铜箔表面分析

为了确认未覆膜铜箔表面状态,利用SEM+EDS对铜箔表面进行观察分析。

铜箔表面放大观察后,明显发现异物残留现象,异物分布无明显规律性。成分测试显示,异物主要含C元素,初步推测为线路蚀刻后去膜不完全所致。

 

未覆膜铜箔表面SEM形貌及EDS能谱图

图9. 未覆膜铜箔表面SEM形貌及EDS能谱图

 

三、总结分析

 

外观检查结果显示,不良样品FPC线路表面均存在点状发黑现象,发黑点分布于FPC的两面,分布无明显规律性;正常FPC未发现明显异常现象。

 

剥离分析显示,发黑区域铜箔表面存在明显氧化现象,局部氧化层有脱落痕迹。正常区域未发现明显异常现象。

 

剖面分析显示,发黑区域存在厚度约为218nm的氧化层,氧化区域界面分层,且发现局部深度腐蚀的形貌,该形貌说明与蚀刻制程相关性较高。

 

未覆膜铜箔表面分析显示,铜箔表面存在明显异物残留,异物分布无明显规律性。成分测试显示,异物主要含C元素,初步推测为线路蚀刻后去膜不完全所致。

 

PI膜分析结果显示,三款PI膜表面形貌存在一定差异,其中2# PI膜表面更为光滑;三款PI膜厚度无显著差异,2#、3#膜厚度较1#略大;2#PI膜红外光谱图部分峰值强度与另外两款PI膜存在一定差异,推测2#样品与另外两款样品化学单体存在一定差异,但三者在材质构成上无本质区别;2#PI膜吸水率高,3#PI膜次之,1#PI膜最优。以上PI膜分析结果显示,PI膜并未观察到与线路不规律发黑失效直接相关的证据。

 

(综上所述,FPC线路发黑的过程推测为:FPC线路蚀刻后去膜不完全,部份区域存在不规律的深度腐蚀情况,压合时该区域的界面结合不良,且会残留一定的蚀刻液成分。在后续存储和流转环节,受环境的影响,上述区域铜箔表面氧化程度逐渐劣化,直至表现出黑化特征。

 

当然也应该意识到,如果PI膜防护程度极为理想,例如百分百隔绝水汽,线路发黑的程度必然降低,但是PI膜的防护等级如何评价,目前行业内无明确标准,在此不做评判。

 

四、结论与建议

 

FPC线路发黑异常的原因推测为:FPC线路蚀刻后存在一定异常缺陷,在环境因素影响下,缺陷的影响进一步显现,最终观测到线路发黑现象。

 

改善建议

1. 加强FPC生产流程管控,尤其关注线路蚀刻后去膜环节及微蚀后漂洗、烘干环节。

2. 关注PI膜的防护性能,建议增加PI膜的选型评价,例如相同蚀刻线路,选择不同的PI膜压合,针对压合后的软板进行可靠性测试评价。

 

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