从热应力到工艺缺陷：有限元仿真分析盘中孔界面撕裂

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在如今高密度互连（HDI）的PCB 的设计中，为了节省布线空间、提升信号完整性，盘中孔（Via in Pad / POFV）技术已经成为了行业标配。为了实现盘中孔结构，PCB 需要经历图形电镀、孔壁电镀和盖帽电镀等多道工序。在理想状态下，这些金属铜层应当融为一体、难以分离。然而，在实际的回流焊（Reflow）高热冲击下，可能会出现可靠性问题——焊盘铜与通孔表面的电镀铜发生层间剥离（Plating Separation），尤其是在过孔角部（Corner）频频上演界面撕裂。

这种铜与铜之间的金属层间分离，其根源是因为回流焊升温时，塞孔树脂与金属结构CTE不匹配产生的热应力。如果工艺质量合格，一般不会出现问题，但是如果工艺存在“先天不足”（如微蚀过度、二次电镀前胶渣残留或表面氧化），则有可能导致界面发生撕裂。普通的金相切片能够记录断裂的惨状，却无法给出层间结合力的失效临界点，更无法定量回答：到底是工艺缺陷占了主因，还是热机械结构设计存在死角？

本期推文，我们将聚焦于铜-铜电镀界面撕裂问题，借助有限元仿真，引入断裂力学中的高级接触内聚力模型（Contact-based CZM），定量还原回流焊温度下金属界面的复合型应力演变，演示如何用有限元仿真给复杂的电镀层结合力做一次深度的全面定量评估。

首先，需要建立一个盘中孔的几何模型，如下图所示。孔直径为0.2mm，板厚1mm，通孔铜镀层和焊盘铜厚度都设置为0.02mm，由于绿油对该界面的应力影响较小，其几何被简化。

建立几何后，就需要划分网格，注意到该几何结构是轴对称的，可以先划分2D网格，然后通过旋转创建1/4模型的网格。划分2D网格时注意，所有单元必须为四角形单元，如此旋转后才能生成全六面体单元。

划分完网格后，就可以赋予材料属性。对于电镀铜，在高温下会发生明显的弹塑性变形。如果不设置塑性阶段，仿真计算出的应力会远超真实值，导致结果不准。对于塞孔树脂这个导致撕裂的元凶，关键在于温度超过 Tg 点后，模量降低，CTE暴涨，对焊盘产生巨大的挤压力。本文设置的塞孔树脂材料参数如下图所示。

完成网格划分和材料赋予后，就是边界条件设置的部分。由于模型为1/4对称模型，剖面设置对称约束即可，在对称面上任选一节点约束Z向自由度，避免产生刚体位移。全局施加260℃温度载荷，模拟回流过程中热应力。

为了分析焊盘与过孔电镀层的界面撕裂，在此界面创建接触并且引入CZM内聚力模型模拟界面的撕裂行为。采用工业界最经典的双线性本构，将复杂的金属界面剥离简化为三个清晰的力学阶段：

线性弹性阶段（未受损）：在回流升温初期，焊盘铜与过孔镀铜紧密结合。界面被赋予一个极高的初始接触刚度，此时界面响应完全呈线性弹性，几乎不产生相对位移。
损伤萌生阶段（裂纹产生）：随着温度继续升高，树脂剧烈膨胀。当界面所受的法向拉应力或切向剪切应力达到设定的强度阈值时（本文采用二次应力准则 QUADS 综合考虑两者的交互效应），界面开始产生微裂纹。
损伤演化阶段（裂纹扩展）：伴随应力进一步增大，界面进入损伤积累区，承载力开始逐渐衰减。直到界面吸收的应变能达到材料的临界值后，损伤因子为1，此接触点宣告彻底失效，退化为仅具相互挤压、无法传递拉力的滑动接触。这在宏观上便表现为电镀层间的物理撕裂与完全分离。

通过CZM 模型，我们不仅能看到接触界面有多大的力，也可以直观地看到裂纹的形状和演化过程。