曹秀娟, 鄭佳華, 張龍, 梅聰, 劉路

(東莞長城開發(fā)科技股份有限公司，廣東 東莞 523921)

0 前言

關(guān)于CAF(Conductive anodic filament)失效機(jī)理的研究，PCB(Printed circuit board)耐CAF性能的改善以及壽命評估在20世紀(jì)70年代中期就被廣泛進(jìn)行[1]。

目前業(yè)內(nèi)為了降低或杜絕CAF失效的發(fā)生，主要從切斷通道產(chǎn)生的方向出發(fā)。例如設(shè)計方留有足夠的安全間距增加產(chǎn)品的耐CAF壽命；PCB制造方采用不同的環(huán)氧樹脂配方提高板材耐熱性，選用材質(zhì)更好的電子玻纖布或者優(yōu)化PCB制造工藝等方式降低介質(zhì)層通道產(chǎn)生[2]，但是電子產(chǎn)品高密度化的發(fā)展已經(jīng)使PTH(Plated through hole)孔壁到孔壁的設(shè)計間距從20世紀(jì)80年代的1.47 mm發(fā)展到如今的0.25 mm，有鉛到無鉛工藝的切換，焊接溫度的上升也使CAF失效的有效預(yù)防面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在板材耐CAF性能評估和測試方面，IPC 650中對PCB和PTH有相應(yīng)的耐熱性能評估測試方法，但是耐熱評估的溫度不足以覆蓋PCB的組裝溫度，標(biāo)準(zhǔn)中對PCB回流焊評估的最高溫度為260 ℃[3]，針對PTH評估的最高溫度也只有288 ℃[4]，而在PCB組裝方選擇性波峰焊的最高溫度～300 ℃，具有一定靈活優(yōu)勢的手工焊溫度至少大于380 ℃[5]。

基于以上背景和現(xiàn)狀，文中從PCB組裝方出發(fā)，參考某款產(chǎn)品發(fā)生失效的24個PTH的4層板設(shè)計，用仿真的方法觀察不同條件下手工焊接過程中熱應(yīng)力對介質(zhì)層應(yīng)力應(yīng)變的影響，為設(shè)計和不同厚度對應(yīng)不同失效率的機(jī)理解釋提供理論依據(jù)；選用不同固化體系板材參考CAF測試方法[6]進(jìn)行設(shè)計及測試，提出了一種對焊接孔CAF壽命評估的方法，以降低焊接孔發(fā)生CAF這一可靠性問題失效的風(fēng)險。

1 CAF形成機(jī)理及兩步模型簡介

CAF也叫導(dǎo)電陽極絲，是發(fā)生在PCB內(nèi)部，兩個導(dǎo)體之間導(dǎo)電銅鹽遷移從而降低導(dǎo)體間絕緣阻值的一種可靠性問題。研究者們把CAF產(chǎn)生的過程主要分為2個階段也就是著名的兩步模型[7]。

第一階段是環(huán)氧樹脂/玻璃纖維界面的物理降解為后續(xù)的電化學(xué)遷移提供通道(圖1)，降解原因可能與浸膠工藝，玻纖硅烷水解或應(yīng)力釋放等有關(guān)。

圖1 第一階段(產(chǎn)生裂紋并吸收水分和雜質(zhì))

第二階段是通道內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)見式(1)～(7)[8]，銅的腐蝕產(chǎn)物在通道內(nèi)借助電勢差提供的動力從陽極不斷反應(yīng)、遷移、沉積到陰極。

陽極主要化學(xué)反應(yīng)：

Cu→Cun++ne-

(1)

(2)

陰極主要化學(xué)反應(yīng)：

2H2O+e-→H2↑+2OH-

(3)

Cun++ne-→Cu

(4)

銅鹽的化學(xué)反應(yīng)：

Cu2++2OH-→Cu(OH)2

(5)

Cu(OH)2→CuO+H2O

(6)

CuO+H2O→Cu(OH)2→Cu2++2OH-

(7)

2 手工焊接熱對通孔間介質(zhì)層的影響分析

鑒于以上CAF失效機(jī)理，為了觀察手工焊接過程中PTH孔/孔間介質(zhì)層的變化，通過定性的分析焊接熱在不同條件下對基材的影響機(jī)理，查找實際失效產(chǎn)品中2.5 mm板厚的CAF失效率遠(yuǎn)高于1.6 mm板厚失效率的原因，并尋找有效的改善方案，采用以下仿真分析的方法為理論分析提供參考。

2.1 仿真建模

基于熱仿真軟件ANSYS ICEPAK，參考實際失效產(chǎn)品24個PTH雙排孔設(shè)計，模擬烙鐵焊接過程進(jìn)行幾何建模及網(wǎng)格劃分如圖2所示, 相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2，表3。

圖2 建模后2.5 mm厚度的幾何模型

表2 PTH設(shè)計參數(shù)

表3 熱場分布仿真所用參數(shù)

烙鐵焊接第30 s的溫度場分布仿真結(jié)果如圖3所示，熱量的傳遞方向是先縱向沿著孔壁方向擴(kuò)展，再橫向傳遞。這也意味著PCB厚度越厚，在垂直方向加載的熱量會越多，時間會越長。

圖3 焊接第30 s時PCB截面溫度場分布圖

進(jìn)一步進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合仿真，把計算出的溫度場導(dǎo)入幾何結(jié)構(gòu)體中同時附加參數(shù)(表4)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算得到PTH孔間介質(zhì)層在焊接過程中所受應(yīng)力和應(yīng)變情況。

表4 熱結(jié)構(gòu)耦合仿真參數(shù)

2.2 不同PCB厚度的仿真結(jié)果對比

參考實際失效產(chǎn)品中相同孔壁間距(0.65 mm)，不同厚度(2.5 mm和1.6 mm)的雙排焊接孔設(shè)計，仿真結(jié)果如圖4所示，受導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的影響，越接近銅壁的介質(zhì)層所受應(yīng)力應(yīng)變越大，在孔壁和孔環(huán)交界位置應(yīng)力最大；所以在通孔受熱后可以觀察到微裂紋及IPC610中所提到的樹脂凹縮現(xiàn)象[9]。

圖4 2.5 mm PCB焊接第30 s應(yīng)力仿真分布截面圖

為了對比2款不同板厚通孔介質(zhì)層在同一條件下所受應(yīng)力應(yīng)變情況，對PTH孔間介質(zhì)層按照以下方法取點對比：對2.5 mm厚度的介質(zhì)層自上而下從0.25 mm，1.25 mm，2.25 mm取3層；每層間隔0.1 mm取點。對1.6 mm厚度介質(zhì)層自上而下從0.16 mm，0.8 mm，1.44 mm取3層；每層間隔0.1 mm取點。

從圖5和圖6焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變分布趨勢顯示，應(yīng)力應(yīng)變從靠近孔壁向介質(zhì)層中間逐漸減小。

圖5 2.5 mm & 1.6 mm板厚橫向應(yīng)力對比圖

圖6 2.5 mm & 1.6 mm板厚橫向應(yīng)變對比圖

第一和第三層由于趨近PCB表面約束較小，所以由孔壁到中心的應(yīng)力應(yīng)變減小速度較快，而第二層位于芯板位置約束較大，受熱條件下此處為縱向應(yīng)力應(yīng)變最大位置，一旦孔壁2邊產(chǎn)生裂紋，芯板位置受應(yīng)力應(yīng)變影響會最先發(fā)生裂紋擴(kuò)展，所以貫穿性裂紋較多會發(fā)生在芯板位置。

不同厚度的對比也顯示2.5 mm厚度板材芯板位置所受應(yīng)力應(yīng)變大于1.6 mm芯板。基于熱場擴(kuò)散先垂直后水平擴(kuò)散，多層板的厚度越厚在垂直方向上加載的熱量時間越長，同時芯板位置介質(zhì)層受銅層和上下介質(zhì)層的束縛更大，熱應(yīng)力使該區(qū)域最先發(fā)生異常。

這一結(jié)果和實際失效產(chǎn)品的現(xiàn)象一致，很好的解釋了相同材質(zhì)，相同孔壁間距條件下，厚板發(fā)生失效的概率高于薄板的原因。

2.3 不同孔壁間距的仿真對比

為了改善焊接熱對孔間介質(zhì)層的損傷，調(diào)整孔壁間距是最低成本的一種改善措施。相同條件下增加間距意味著增大孔間受力面積，帶來應(yīng)力應(yīng)變的降低，所以設(shè)計安全的孔壁間距尤為重要。

在研究中對比相同板材，相同板厚(2.5 mm)，不同孔壁間距(0.5 mm和1 mm)條件下的雙排焊接孔仿真結(jié)果(取點參考圖4中縱向取點)，增加1倍的孔壁間距，焊接過程中介質(zhì)層縱向所受應(yīng)力應(yīng)變可以降低50%(圖7，圖8)。

圖7 0.5 mm和1 mm孔壁間距橫向應(yīng)力對比圖

圖8 0.5 mm和1 mm孔壁間距橫向應(yīng)變對比圖

3 手工焊接熱對通孔間介質(zhì)層影響的試驗驗證

粗糙度、芯吸、暈圈、裂紋都是衡量PCB耐CAF性能的重要指標(biāo)，因為這些現(xiàn)象會降低孔壁之間的有效距離。從仿真分析可以知道是因為焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變造成了暈圈和裂紋的擴(kuò)展。通過試驗對比8款板材手工焊接前后的數(shù)據(jù)(圖9)也證明PCB組裝過程中焊接熱不會對孔壁粗糙度和芯吸的長度造成影響，這2個參數(shù)主要受鉆孔和鍍銅工藝影響，但焊接熱會直接加劇暈圈和裂紋的長度，降低孔壁之間的有效間距，從而降低板材的耐CAF性能。

除了對不同材質(zhì)的暈圈和裂紋有影響，焊接熱對不同固化體系板材的影響也不同，由于PN(Phenolic novolac)固化劑耐溫較DICY(Dicyandiamide)高，所以使用PN固化劑的板材焊接后裂紋或分層多在玻纖和玻纖之間發(fā)生，而DICY的裂紋發(fā)生在膠體系之間(圖10，圖11)。這可能會造成焊接熱對DICY固化劑板材CAF壽命影響不明顯。

由于手工焊接的一致性較難控制，參考該試驗中不同板材的CAF測試壽命，對于PN固化劑板材焊接孔孔壁間距小于0.6 mm，DICY固化劑板材焊接孔孔壁間距小于1 mm時需要提前做好CAF壽命的評估，才能及時將CAF失效的風(fēng)險降到最低。

圖9 8款板材焊接前后參數(shù)對比

圖10 PN固化劑板材焊接后裂紋

圖11 DICY固化劑板材焊接后裂

4 焊接孔壽命評估方法

對該次試驗中4款PN固化劑板材和4款DICY固化劑板材的CAF測試壽命采用Bell labs模型進(jìn)行壽命分析，得到在產(chǎn)品設(shè)計過程中，針對焊接孔的安全孔壁間距確定方法，為產(chǎn)品設(shè)計提供DFR參考。

4.1 CAF壽命模型

為了更好的評估產(chǎn)品耐CAF壽命，很多研究者提出不同的壽命模型，但大多都是在貝爾實驗室的Bell Labs模型[10](公式(8))基礎(chǔ)上進(jìn)行演化，公式的前半部分對應(yīng)兩步模型的通道產(chǎn)生階段，主要由PCB常數(shù)α，β，濕度H及濕度相關(guān)系數(shù)γ，激活能Ea，波爾茲曼常數(shù)k及溫度T決定；后半部分除了繼續(xù)第一階段的影響，電化學(xué)遷移的時間和速度主要和孔壁間距L和電壓U有關(guān)，公式中n取4。

(8)

該研究中所用溫度，濕度以及PCB材料均是定量，只調(diào)整孔壁間距，尋找焊接孔的安全間距，所以將常數(shù)部分做簡化，簡化如公式(9)。

(9)

4.2 對PN固化劑板材的CAF壽命評估

參考前文焊接試驗結(jié)果，使用PN固化體系的PCB經(jīng)過焊接后一旦有裂紋產(chǎn)生，裂紋是發(fā)生在玻纖與玻纖之間，所以焊接后的耐CAF壽命可以參考相同孔壁間距的非焊接孔壽命，在原始安全間距L的基礎(chǔ)上減去焊接后的裂紋長度L1，如公式(10)所示。

(10)

當(dāng)焊接孔孔壁間距小于等于0.6 mm時屬于高風(fēng)險間距，可以對焊接后的孔壁切片檢查，統(tǒng)計玻纖裂紋長度進(jìn)行CAF壽命評估。

試驗中，某款PN固化劑板材非焊接孔安全間距為0.4 mm，為了評估該板材0.5 mm孔壁間距的焊接孔是否安全，先對0.5 mm的孔做焊接找到焊接后的最長裂紋長度(約100 μm)，在非焊接孔的安全間距基礎(chǔ)上加上裂紋長度即為該焊接孔的安全間距，使用該方法對0.5 mm焊接孔做CAF測試驗證，0.5 mm孔壁間距的焊接孔安全。所以針對PN固化劑板材焊接孔的安全間距至少在非焊接孔的安全間距基礎(chǔ)上加上焊接后裂紋的長度。

4.3 對DICY固化劑板材的CAF壽命評估

DICY固化體系板材受熱后裂紋發(fā)生在膠體系中間，所以其焊接孔壽命評估可以參考非焊接孔的評估方法，使用公式(9)評估。

取任意款該次試驗中的DICY板材且在相同孔壁間距條件下，使用Bell Labs模型推導(dǎo)非焊接孔和焊接孔在相同孔壁間距下的CAF壽命并進(jìn)行曲線擬合，實際測試壽命和擬合壽命接近，說明簡化后的Bell Labs模型適用于該次研究(圖12，圖13)。

圖12 DICY板材非焊接孔CAF測試壽命及擬合壽命

圖13 DICY板材焊接孔CAF測試壽命及擬合壽命

根據(jù)擬合的壽命曲線推導(dǎo)滿足500 h的安全孔壁間距，該DICY板材非焊接孔和焊接孔的安全間距較接近，可以輸出改款板材的安全設(shè)計間距為1.1 mm。

5 結(jié)論

(1)通孔與通孔之間的CAF失效機(jī)理是：孔與孔之間的介質(zhì)層由于多種原因(環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力)在玻纖和膠體系的界面上形成裂紋或分層，為CAF提供通道；裂紋或分層位置吸收環(huán)境中的水分和雜質(zhì)為離子的遷移提供媒介；當(dāng)2個通孔之間施加電壓的時候進(jìn)一步發(fā)生電離、遷移、分解、沉積等電化學(xué)反應(yīng)，銅鹽在通道內(nèi)從正極不斷遷移，沉積到負(fù)極，一旦正負(fù)極間阻值降低甚至發(fā)生擊穿，把這一失效現(xiàn)象稱為導(dǎo)電陽極絲失效。

(2)ANSYS仿真分析更直觀的解釋了產(chǎn)品失效機(jī)理及焊接過程中熱應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)力應(yīng)變影響，手工焊接過程中熱量傳遞的速度受銅壁的影響在縱向傳遞速度會快于橫向傳遞；相同板材，相同孔壁間距，不同厚度的雙排焊接孔仿真顯示PCB厚度越厚，中間芯板層所受應(yīng)力越大，所以芯板位置受熱應(yīng)力后最容易出現(xiàn)貫穿性裂紋；相同板材，相同板厚，不同孔壁間距條件下的雙排焊接孔仿真顯示，由于受力面積的增大，增加1倍的孔壁間距，焊接過程中介質(zhì)層所受應(yīng)力應(yīng)變可以降低50%，所以拉大孔間距可以適當(dāng)彌補(bǔ)板材帶來的不足。

(3)基于以上焊接熱的應(yīng)力機(jī)理分析，手工焊接熱會增加PTH孔壁間介質(zhì)層的暈圈和裂紋長度，降低孔壁間有效距離，從而降低耐CAF能力；焊接熱對不同固化劑板材的影響也不同，PN固化劑板材受熱后裂紋發(fā)生在玻纖與玻纖之間，DICY固化劑板材受熱后膠體系會先發(fā)生變化，裂紋發(fā)生在膠體系中間；PN固化劑板材孔壁間距小于0.6 mm，DICY固化劑板材孔壁間距小于1 mm時需要提前做好CAF壽命的評估，才能及時將CAF失效的風(fēng)險降到最低。

(4)為了更有效的對產(chǎn)品做好CAF壽命評估，需要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計和焊接工藝需求，對使用不同固化體系板材的焊接孔提前做好CAF壽命評估。例如PN固化劑板材某間距焊接孔的安全性能評估可以對比該間距和該板材非焊接孔的安全間距加上該焊接孔焊接后的裂紋長度，如果該間距大于總和則安全，反之則有風(fēng)險。DICY固化劑板材焊接孔和非焊接孔CAF壽命差異不明顯，所以可以用非焊接孔的評估方法評估焊接孔的CAF壽命和安全間距。