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        1. 400-850-4050

          PCB孔銅斷裂失效分析與改善對策

          2022-01-20  瀏覽量:300

           

          引言

          隨著電子制造的高密度化發展和無鉛化焊接的高溫要求,多層板的層間連接導通孔面臨越來越嚴苛的考驗,而導通孔的可靠性在一定程度上決定印制線路板的可靠性。

           

          特別是電子組件(PCBA)的工藝復雜程度在不斷提高,印制線路板需要承受多個周期的溫度沖擊,較高的溫度沖擊對導通孔內層銅與孔化銅形成較大的應力作用,這就要求生產商不僅要滿足相應的出場檢驗標準,還要從過程控制的角度對導通孔的質量和穩定性進行關注。

           

          印制線路板導通孔出現質量問題的原因有很多,本文基于孔銅斷裂的實際失效案例,對孔銅斷裂的內在機理進行探討和分析,并提出工程應用的關注環節和改善方向。

           

          1、案例失效背景

          某PCB在制造階段100%測試無異常,在SMT貼片后測試環節發現通孔開路失效現象,不良率在20%左右。

           

          2、 CT結構分析

          對開路通孔進行CT掃描分析,測試結果顯示:通孔孔壁均勻性較差,存在異常陰影,見圖1(a);通孔孔銅平直度差。

           

          CT掃描圖

          圖1. CT掃描圖(a)三維結構圖;(b)虛擬切片圖

           

          3、剖面分析

          將開路通孔進行縱向剖切研磨,利用場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對通孔剖面結構進行顯微觀察,結果如圖2所示:通孔存在明顯的環形裂紋,孔壁粗糙度較大,且PCB整孔不良。

           

          失效通孔剖面形貌

          圖2.失效通孔剖面形貌

           

          如圖3、圖4所示,孔壁厚度均勻性較差,裂紋萌生擴展區的孔壁有效厚度極小。SMT回流焊接過程中,PCB經歷高溫沖擊,通孔承受垂直于板面的拉應力作用,孔壁較薄區域屬于應力集中區。

           

          此外,值得注意的是裂紋內含有明顯異物,異物成分主要為碳、氧元素(見表1),說明PCB除膠渣不夠徹底。

           

          失效通孔A區域微觀剖面形貌

          圖3.失效通孔A區域微觀剖面形貌

           

          表1. 孔銅裂紋處EDS結果 (Wt.%)

          孔銅裂紋處EDS結果

           

          對通孔開裂區域孔銅的最小有效厚度進行測量,孔銅最薄厚度僅為9.87µm,不符合標準IPC-6012A中關于最小孔銅厚度的要求。

           

          失效通孔B區域微觀剖面結構

          圖4. 失效通孔B區域微觀剖面結構

           

          4、孔銅晶粒形貌分析

          決定通孔孔銅性能的因素有:

          1)孔銅宏觀結構,如厚度、粗糙度等;

          2)孔銅微觀金相組織,如晶粒形貌。

           

          將開路通孔縱向機械研磨拋光后,利用離子研磨(CP)對樣品表面進行處理,將處理后的樣品采用聚焦離子束(FIB)離子成像。

           

          圖5是孔銅金相組織圖片,從中可以清晰觀察到失效樣品的孔銅晶粒屬于典型的柱狀晶形貌,正常批次樣品的孔銅晶粒接近于等軸晶。柱狀晶具有各向異性,即垂直于晶粒生長方向的性能較差;等軸晶具有各向同性,即各個方向上的材料性能幾乎一致,這也是為什么行業內要求孔銅金相組織要避免柱狀晶的原因所在。

           

          孔銅金相組織

          圖5. 孔銅金相組織(a)失效樣品孔銅;(b)正常批次樣品孔銅

           

          5、PCB 熱性能測試

          SMT焊接過程中PCB所受熱應力主要與Z軸熱膨脹系數相關,Z軸熱膨脹系數越大的材料在經受熱沖擊時對孔壁銅的沖擊力就越大,就會更容易造成金屬化孔的斷裂。

           

          依照IPC-TM-650 2.4.24C 玻璃化轉變溫度和Z軸熱膨脹(TMA法)的方法,對失效批次和正常批次的PCB光板進行熱性能測試。

           

          測試條件如下:

          1)預處理:105±2℃,2±0.25h;

          2)升溫速率10℃/min; 

          3)保護氣氛氮氣。

           

          測試結果見圖6和表2,失效批次與正常批次PCB光板Z軸熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度(Tg)無本質差異,說明失效批次和正常批次的PCB光板基體材料熱性能無區別,失效與基板材質無關。

           

          表2.PCB Z-軸熱性能測試結果

          PCB Z-軸熱性能測試結果

           

          Z-CTE測試結果

          圖6. Z-CTE測試結果

           

          6、討論與分析

          從測試結果來看,PCB孔銅開裂的原因主要有:

          ①鉆孔、除膠渣工藝不良,孔壁粗糙度大,孔內膠渣殘留,導致形成應力集中區,有利于裂紋的萌生擴展;

          ②孔銅厚度不足,嚴重不符合標準IPC-6012A的最低要求;

          ③孔銅晶粒屬于柱狀晶,降低了孔銅的抗拉強度。

           

          鉆孔優劣會直接影響孔化前處理的難易程度和鍍覆孔的質量,過大的鉆污量會增加除膠渣和凹蝕的困難度。如果除膠渣不凈或者凹蝕效果不好,就會導致通孔存在局部應力集中,如本案圖3、圖4所示。

           

          除膠渣工藝的目的是去除鉆污,鉆污清除不徹底會帶來多種可靠性隱患,例如降低內層銅與孔壁的結合強度,孔銅內壁形成應力集中區等。

           

          化學鍍銅工藝是保證金屬化孔電鍍銅厚度和孔壁銅鍍層均勻性、延展性的核心工序,確保金屬化孔能夠承受焊接制程中的熱應力。本案中孔壁厚度和異常的金相組織(柱狀晶)嚴重惡化了孔銅的性能。

           

          7、結論與建議

          本案PCB通孔斷裂與PCB鉆孔工序、除膠渣工序、化學鍍銅工序直接相關,這三個制程均存在嚴重不良,屬于典型的制板工藝能力失控的表現。

           

          建議:

          鉆孔前烘板,優化鉆頭轉速和進給;

          保證合適的凹蝕深度,可考慮等離子處理方法;

          化學鍍銅后,建議對其電鍍質量進行切片確認,重點關注孔銅金相組織。

           

          參考文獻:

          [1] 陳雪,梅屈媛,許峰. 化學鍍銅的印制電路內層斷裂問題研究[J]. 涂料涂裝與電鍍, 2004年05期, 第32-35頁.

          [2] 周仲承,王克軍,符飛燕,余金,王龍彪. 金屬化孔常見缺陷及預防[J]. 印制電路信息, 2015年10期, 第49-53頁.

          [3] 石磊,郭曉宇. 剛撓印制板鍍覆孔孔壁開裂原因分析[J]. 電子工藝技術, 2011年01期, 第31-35頁.

          [4] 林金堵,吳梅珠. PCB鍍通孔發生"空洞"的根本原因和對策[J]. 印制電路信息, 2010(4): 31-36.

           

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