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        PCB分層失效分析

        2020-04-18 06:07:06嚴(yán)澤軍
        印制電路信息 2020年3期
        關(guān)鍵詞:回流焊銅箔板材

        嚴(yán)澤軍

        (麥可羅泰克(常州)產(chǎn)品服務(wù)有限公司,江蘇 常州 213031)

        0 前言

        隨著電子產(chǎn)品的功能越來越強(qiáng)大,作為電子元器件載體的PCB組裝結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。純粹的回流焊或波峰焊已經(jīng)無法滿足安裝要求,2次回流焊+1次波峰已變?yōu)槌R姾附臃绞?,另外含鉛焊料的禁用,焊接需要更高的溫度(由230 ℃提升至250 ℃),這對(duì)PCB材料的耐熱性和PCB的加工工藝提出了更高的要求。本文介紹了一款車用PCB在2次回流焊后分層失效的分析。

        1 不良信息調(diào)查

        (1)失效現(xiàn)象和不良比例:與客戶溝通后了解到,這款產(chǎn)品在2次回流焊后局部區(qū)域有分層起泡現(xiàn)象,分層起泡位置沒有固定位置,不良比例大約在90%以上。

        (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):4層板,疊構(gòu)是外層銅箔(1 oz)+粘結(jié)片+芯板(2 oz銅箔)+粘結(jié)片+外層銅箔(1 oz),無埋、盲孔設(shè)計(jì)。此產(chǎn)品已經(jīng)過多批次量產(chǎn),之前未發(fā)現(xiàn)分層起泡現(xiàn)象。

        (3)生產(chǎn)狀況:鉆孔參數(shù)、層壓工藝、棕化工藝、回流焊工藝正常。

        (4)存貯條件:該產(chǎn)品使用的粘結(jié)片和芯板儲(chǔ)存的溫度和濕度正常。

        (5)通過以上調(diào)查,初步排除了鉆孔、壓合、棕化和焊接異常造成的PCB分層。

        2 原因分析

        2.1 失效模式確認(rèn)

        隨機(jī)選取2塊失效樣品,在每塊樣品上用金剛石刀片移取3個(gè)分層區(qū)域進(jìn)行垂直剖切,切片顯示所有分層均發(fā)生在外層銅箔和粘結(jié)片之間,導(dǎo)體的“銅牙”長(zhǎng)度和導(dǎo)體底部的“奶油層”厚度沒有明顯異常(見圖1)。

        圖1 分層現(xiàn)象

        2.2 分層面外觀分析

        在失效樣品上用手術(shù)刀片把分層區(qū)域剝開,在放大鏡下觀察分層面是否存在異常,分層面未發(fā)現(xiàn)有明顯劃傷、異物和銅箔氧化變色等異常。

        2.3 材料吸濕導(dǎo)致的分層分析

        (1)PCB板材如果吸入了過量的水分,在焊接到達(dá)高溫階段時(shí),板材內(nèi)的水分被瞬間汽化膨脹,使PCB發(fā)生分層爆板。

        (2)吸水量分析:從失效樣品上移取試樣,去除試樣上的銅箔,切割10~30 mg重量的試樣,用砂紙或等效工具打磨試樣的邊緣。將試樣放入TGA(熱重量分析)試驗(yàn)儀中,以升溫速10 ℃/min從室溫升到105 ℃,并恒定120 min。分析掃描曲線,求出吸水量,PCB 的吸水量是0.18%(見圖2),符合企業(yè)技術(shù)要求(一般CCL企業(yè)規(guī)定板材吸水量應(yīng)小于0.35%,如果大于這個(gè)值,PCB在焊接中有分層爆板的風(fēng)險(xiǎn))。

        圖2 吸水量掃描曲線

        (3)模擬回流焊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):取5塊與失效樣品同批次未焊接的PCB放入烘箱中,在105 ℃條件下烘烤24小時(shí),使樣品中水分徹底去除。然后參照IPC-TM-650方法2.6.27進(jìn)行模擬回流焊(峰值溫度260 ℃±5 ℃)測(cè)試,回流焊參數(shù)如圖4所示。測(cè)試結(jié)果顯示有1塊樣品在過完第一次回流焊后就出現(xiàn)了分層起泡,其余的最多在過完三次回流焊也出現(xiàn)了分層起泡(對(duì)于汽車板,一般要求5次回流焊后無分層起泡現(xiàn)象)。該實(shí)驗(yàn)說明此產(chǎn)品的分層起泡與板材是否吸濕無關(guān)。

        圖3 無鉛回流焊參數(shù)

        2.4 材料耐熱性分析

        2.4.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和固化因素(△Tg)分析

        參照IPC-TM-650 方法 2.4.25D,從失效板上切割一塊試樣,用砂紙或等效工具打磨試樣邊緣,使重量符合(10~40)mg。試樣在溫度(105±2)℃下處理(2±0.25)h,然后放在干燥器中保存至少0.5 h,冷卻至室溫。將樣品壓入鋁盤中,并安裝在DSC儀的平臺(tái)上,以20 ℃/min的速率從30 ℃到190 ℃進(jìn)行預(yù)掃描,后立即冷卻到初始溫度。以速率20 ℃/min掃描到210 ℃。如果需要固化因數(shù),在210 ℃恒溫(15±0.5)min后立即冷卻到初始溫度,以速率20 ℃/min進(jìn)行第二次升溫,升溫至210 ℃。分析掃描曲線,求出玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和固化因數(shù),檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求(Tg要求150 ℃以上,△Tg要求3 ℃以內(nèi)),見表1和圖5。

        表1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和固化因素(DSC法)

        圖4 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度掃描曲線

        2.4.2 Z軸熱膨脹系數(shù)

        參照IPC-TM-650 方法 2.4.24C,從失效板上按尺寸6.35 mm×6.35 mm切割試樣(內(nèi)層無銅區(qū)域),用砂紙或等效工具打磨試樣邊緣。將試樣在溫度(105±2)℃下處理(2±0.25)h,然后放在干燥器中冷卻至室溫;將試樣安裝在TMA儀的平臺(tái)上,并對(duì)其施加5 g的負(fù)荷。;以10 ℃/min的升溫速率從室溫加熱到260 ℃;分析掃描曲線,求出Z軸熱膨脹系數(shù),檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求(Tg前小于50 μm/m℃,PTE(熱膨脹百分比)小于5%)(見表2、圖5)。

        2.4.3 結(jié)論

        從以上分析數(shù)據(jù)可知,樣品的Tg、△Tg及CTE均符合客戶技術(shù)要求,說明板材的耐熱性正常。

        2.5 分層面、未壓合的銅箔粗糙面SEM/EDS分析

        (1)失效樣品分層面用SEM/EDS 分析,SEM顯示外層導(dǎo)體一側(cè)的銅箔粗糙面上大部分區(qū)域沒有明顯的樹脂殘留,說明PCB在壓合后銅箔與樹脂間結(jié)合力較差。從銅箔粗糙面的形貌來看,粗糙度均勻性不佳(見圖6); EDS顯示分層面未發(fā)現(xiàn)異常元素,排除了污染造成的分層(見圖7)。

        (2)未壓合的銅箔(與失效樣品同批次)粗糙面用SEM/EDS分析,SEM顯示銅箔粗糙面大部分區(qū)域很平坦,沒有形成均勻的粗糙形貌(見圖9)。銅箔在加工中有一個(gè)粗化、固化處理過程,處理完后形成均勻的葡萄球狀顆粒形貌(見圖10),這種處理的目的是增大銅箔粗糙面的接觸面積,使銅箔與樹脂結(jié)合后的粘結(jié)強(qiáng)度增大。

        2.6 銅箔的抗剝離強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)

        把與失效樣品同批次的銅箔按正常工藝壓合成20 mm×20 mm的PCB,在樣品上蝕刻3 mm左右寬度的導(dǎo)線若干條,然后按IPC-TM-650方法 2.4.8把樣品上導(dǎo)線夾在拉力機(jī)上,以恒定速率50 mm/min的速度,至少剝離25.4 mm長(zhǎng)的導(dǎo)線,記錄最小平均剝離力(LM),檢測(cè)結(jié)果顯示導(dǎo)線剝離強(qiáng)度在(0.82~1.10)N/mm(客戶技術(shù)要求是大于1.5 N/mm),銅箔的抗剝離強(qiáng)度明顯偏小。

        表2 Z軸熱膨脹系數(shù)(TMA法)

        圖5 熱膨脹系數(shù)掃描曲線

        圖6 分層面的銅箔粗糙面形貌

        圖7 分層面的銅箔粗糙面元素成分

        圖8 異常銅箔粗糙面形貌

        3 總結(jié)和建議

        PCB分層失效機(jī)理是由銅箔和粘結(jié)片高溫壓合后形成物理結(jié)合,但不同材料的膨脹系數(shù)存在差異(樹脂的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于銅箔),形成內(nèi)部應(yīng)力。一旦內(nèi)應(yīng)力超過銅箔與粘結(jié)片樹脂間的結(jié)合力,就會(huì)導(dǎo)致原來粘合在一起的結(jié)合面分離出現(xiàn)分層。

        PCB板材的耐熱性正常。銅箔粗糙面瘤化不均勻,導(dǎo)致壓合后銅箔與樹脂間結(jié)合力偏小,是造成PCB在焊接受熱后分層的主要原因。

        圖9 正常銅箔粗糙面形貌

        銅箔廠對(duì)銅箔的外觀檢驗(yàn)主要通過目視檢查或光學(xué)顯微鏡檢查,以上方法無法看清銅箔粗糙面的微觀形貌是否正常,建議增加SEM的放大檢查(1000倍以上)和銅箔的抗剝離強(qiáng)度測(cè)試。銅箔粗糙面形貌不良往往是整批次的,做成PCB成品后將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

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