吳軍球，榮國光

（上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200240）

1 前言

爆板對PCB制造企業(yè)來說，是一種非常常見的缺陷。隨著后道無鉛焊接制程的導(dǎo)入，爆板問題出現(xiàn)得更為頻繁，特別在HDI產(chǎn)品上面表現(xiàn)尤為突出，因此，當(dāng)爆板發(fā)生的時候，如何對其進(jìn)行有效的分析并找出導(dǎo)致爆板的原因是解決爆板問題的關(guān)鍵。本文將根據(jù)實際的經(jīng)驗對分析爆板缺陷的方法進(jìn)行簡單總結(jié)。

2 常見的分析方法

2.1 傳統(tǒng)的垂直金相切片分析法

眾所周知，在分析PCB內(nèi)部缺陷時最常用的一種方法是垂直金相切片分析法。在分析爆板問題時，這種方法也被廣泛應(yīng)用。

首先，我們會取有爆板的不良樣品，將爆板區(qū)域做成垂直金相切片，通過砂磨、拋光找到想要的位置，然后在金相顯微鏡下觀察不良，拍照分析，如圖1、圖2所示。

圖1 爆板樣品

圖2 A-A切片圖

為了能更好地反映爆板的實際狀況，更方便地進(jìn)行問題的分析和對原因做出更準(zhǔn)確的判斷，通常我們會把幾個連續(xù)切片的照片或一個切片的幾個連續(xù)部分的照片拼接起來，這樣有助于提高我們對問題分析的準(zhǔn)確性。圖3所示為某一切片幾張連續(xù)照片拼接后的效果。

圖3 切片拼接效果圖

這種分析方法有一定的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：

（1）切片比較容易做，一般實驗室人員或技術(shù)人員都能完成；

（2）分析成本比較低；

（3）速度快，1 h左右就能完成。

缺點：

（1）只能觀察到某一個切面位置，比較難找到起爆點，有時可能會因為磨的位置不一樣，導(dǎo)致做出的判斷不準(zhǔn)確；

（2）切片的大小受到限制，不能覆蓋整個爆板區(qū)域，顯微鏡觀察到的區(qū)域也有限；

（3）由于切片是在砂皮上磨出來的，磨的過程中，有可能會把一些原始的形貌破壞掉，影響判斷。

2.2 平磨分析法

平磨分析法是一種比較新穎的分析方法。它是從與產(chǎn)品疊層平行的方向從上往下磨，通過磨去表面的銅來觀察內(nèi)層埋孔周圍是否有爆板。一般當(dāng)爆板不是特別明顯時或不確定產(chǎn)品內(nèi)部是否有爆板時，可采用平磨的方式。如圖4所示為平磨后內(nèi)層埋孔周圍的狀況。

圖4 平磨照片及局部放大圖

當(dāng)焊環(huán)上方的樹脂與焊環(huán)之間因爆板產(chǎn)生裂縫時，從平面切片看上去為白色，如圖4中下左圖所示。當(dāng)沒有裂縫產(chǎn)生時，從平面切片上看，焊環(huán)區(qū)域為黑色或棕色（取決于內(nèi)層是采用黑化還是棕化，如內(nèi)層用的是黑化處理，切片表面看上去是黑色，同理，棕化處理看上去將為棕色）。因此，通過觀察平磨切片的表面就能很容易地判斷HDI板內(nèi)部是否已爆板，而且根據(jù)內(nèi)層孔周圍白斑的大小可以判斷爆板的嚴(yán)重與否。

平磨切片法有很多優(yōu)點：

（1）可以通過肉眼很直觀地觀察到內(nèi)層是否有爆板，不需要借助任何儀器；

（2）平磨切片沒有面積、大小的限制，可以同時觀察到很多孔和很寬的區(qū)域，宏觀性強(qiáng)，有助于整體分析問題；

（3）平磨切片對技術(shù)要求不高，幾乎誰都可以做；

（4）平磨切片可以逐層往下磨，當(dāng)多層發(fā)生爆板時，一個樣品可以重復(fù)使用。

當(dāng)然，平磨分析法也有它的局限性：

（1）不能像垂直金相切片那樣可以看到爆板的具體形貌、產(chǎn)生的疊層位置（樹脂內(nèi)部、樹脂與玻纖布之間、樹脂與銅箔的交界處等等）；

（2）不能直接做進(jìn)一步分析（如SEM，EDX等）。

2.3 剝離分析法

剝離分析法是指在爆板位置用刀將其劃開，然后沿著爆開層將其剝離開，通過顯微鏡、SEM/EDX等對爆板界面進(jìn)行觀察和分析。圖5為爆板剝離后的圖片。

從剝開的樣品上可以看出，分層處外層銅皮上及埋孔上方均有殘留樹脂，棕化面顏色正常，由此可以判斷，爆板分層發(fā)生在樹脂內(nèi)部。

在有些情況下，通過肉眼或顯微鏡很難判斷剝離開的部分是否兩面都有樹脂殘留，通常我們會借助SEM和EDX來做進(jìn)一步的分析。如圖6，剝開爆板層后，下面一層幾乎看不到樹脂殘留在上面。

圖5 爆板剝離照片

圖6 爆板剝離照片

為了驗證圖6中圓圈區(qū)域表面是否有樹脂，對不良品取樣做EDX分析，分析結(jié)果如圖7和表1所示。

從分析結(jié)果可以看出，主要元素均為樹脂的成分，由此可以說明分層表面是有樹脂殘留的，因此分層是發(fā)生在樹脂內(nèi)部，不是樹脂與銅面之間，分層與棕化工序沒有關(guān)系。

與前面兩種方法相比較而言，剝離分析法的特點是：

（1）能在很快的時間內(nèi)作出初步判斷；

（2）在不破壞原始狀態(tài)下，可借助SEM/EDX作出比較精確的判斷。

當(dāng)然這種方法也有一些局限性和弱點：

（1）必須是表面看得見的爆板才能采用此方法進(jìn)行分析；

（2）在剝離的過程中，有可能會破壞原有的一些結(jié)構(gòu)；

（3）在割開爆板區(qū)域時，起爆點被破壞了，很難找到爆板的起爆點。

圖7 EDX分析

表1 EDX分析結(jié)果

2.4 Tg/ T260測試分析法

按照前面敘述的幾種分析方法，我們通常能分析出爆板失效的位置類型（發(fā)生位置是在樹脂內(nèi)部、樹脂與玻纖布之間、樹脂與銅箔的交界處等）。而當(dāng)爆板發(fā)生在樹脂內(nèi)部的時候，我們通常會去考慮材料固化是否完全的問題和材料本身耐熱性的問題。一般情況下我們通過測試產(chǎn)品材料的Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）來確認(rèn)材料在層壓過程中是否完全固化。

測試材料的Tg通常有三種方法：DSC（差示掃描量熱儀）法，TMA（熱機(jī)械分析儀）法和DMA（動態(tài)力學(xué)機(jī)械分析儀）法。最常用的是DSC法，測試方法在IPC-TM-650 2.4.25《Glass Transition Temperature and Cure Factor by DSC》中有詳細(xì)的描述[1]。

一般操作步驟如下：

（1）取樣（盡量不要含Cu）：＞20 mg；

（2）樣品預(yù)處理：105 ℃，烘2 h；

（3）DSC測試：第一次升溫10 ℃/min，至比玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn)溫度高約30 ℃，分析得到Tg1；保溫約15 min，第二次升溫10 ℃/min，至比玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn)溫度高約30 ℃，分析得Tg2；

（4）計算ΔTg= Tg2- Tg1。

判斷標(biāo)準(zhǔn)為：Tg1和Tg2都要達(dá)到材料本身Tg值允許范圍內(nèi)，同時ΔTg要小于4 ℃。

以下是對某不良樣品進(jìn)行測試的結(jié)果，參見圖8和表2。

當(dāng)產(chǎn)品固化良好時，為了確認(rèn)材料本身的耐熱性是否足夠，我們通常會測試材料的T260值。

表2 某不良樣品Tg測試結(jié)果

T260測試方法是利用熱機(jī)械分析儀（TMA，Thermo mechanical Analyzer）在設(shè)定氣氛下，勻速升溫至260 ℃后恒定，測量樣品隨時間變化而發(fā)生的厚度方向尺寸變化，其中尺寸突變的地方，即為爆板分層時間，也即T260值。目前該方法已被廣泛應(yīng)用于覆銅板行業(yè)，并作為評判板材耐熱性的一個重要技術(shù)指標(biāo)[2]。測試方法在IPC-TM-650 2.4.24.1 《Time to Delamination (TMA Method)》中有詳細(xì)的描述[3]， 且在IPC-4101B版本中已明確規(guī)定無鉛板材T260值≥30 min為滿足耐熱性要求[4]。

圖8 某不良樣品Tg測試結(jié)果

3 總結(jié)

從上面的介紹可以看出，對HDI板爆板缺陷進(jìn)行分析的方法有很多種，不同方法各有特點，可以從不同方面去分析問題，但爆板問題往往比較復(fù)雜，使用一種方法很難找到問題的根本，實際工作中往往需要多種方法聯(lián)合使用，這樣才能最終找出導(dǎo)致爆板的根本原因。

圖9 T260曲線

[1] IPC-TM-650 2.4.25. Glass Transition Temperature and Cure Factor by DSC[S].

[2] 萬海威. ROHS & Lead Free對PCB之沖擊[N]. 電子時報，2006/05/08.

[3] Douglas J. Sober. International Standards update for Base Materials (IPC-4101B)[C]. International Conference∶ IPC-4101B Lead Free and High Performance Base Materials.

[4] IPC-TM-650 2.4.24.1. Time to Delamination (TMA Method)[S].