FPC线路发黑失效分析

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

图4. 不同厂家PI膜表面SEM观察照片

 

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。

 

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。

 

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

 

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。

 

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。

 

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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