張永華 李成虎 劉立國(guó)

(無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所軍用印制板質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 無(wú)錫 214083)

0 前言

作為電子組裝件產(chǎn)品的“地基”，印制電路板（PCB）在電子產(chǎn)品中承擔(dān)了互連導(dǎo)通、電路絕緣和機(jī)械支撐的功能。在電子組裝件產(chǎn)品的調(diào)試階段或使用過(guò)程中，往往會(huì)遇到由于連通性失效造成的產(chǎn)品功能性缺陷問(wèn)題，此時(shí)工程師通常采取的解決手段包括組裝返修或更換器件，這對(duì)于因焊接缺陷或元器件失效引起的互連不良問(wèn)題基本可以得到良好解決，但當(dāng)此路不通時(shí)，則需要將失效分析的焦點(diǎn)瞄準(zhǔn)至印制電路板上。

精細(xì)化、小型化和高密度化的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)鉛焊接工藝的普遍采用，以及高頻高速應(yīng)用的增長(zhǎng)需求，均增大了印制電路板的開路風(fēng)險(xiǎn)。因此，熟悉印制板連通性失效的分析思路和方法，對(duì)于準(zhǔn)確定位故障原因，正確分析故障機(jī)理，進(jìn)而能夠及時(shí)幫助解決工藝問(wèn)題或管理問(wèn)題，具有重要意義。

1 故障確認(rèn)和失效點(diǎn)定位

失效分析的第一步是失效樣品的信息收集，重點(diǎn)包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用材料、生產(chǎn)時(shí)間、儲(chǔ)存環(huán)境、焊接條件、經(jīng)歷過(guò)的環(huán)境試驗(yàn)條件，以及返修情況等；然后是利用電測(cè)試設(shè)備（如萬(wàn)用表等）復(fù)測(cè)開路網(wǎng)絡(luò)，對(duì)送檢方所反應(yīng)的開路現(xiàn)象進(jìn)行確認(rèn)。通常情況下，對(duì)于完全開路的網(wǎng)絡(luò)，萬(wàn)用表阻值的測(cè)量結(jié)果會(huì)超過(guò)20 MΩ，而當(dāng)阻值低于1 MΩ，甚至只有幾百歐姆時(shí)，表明開路點(diǎn)可能只是存在導(dǎo)體裂縫或互連不良的“微斷”現(xiàn)象，在后續(xù)失效模式的確認(rèn)過(guò)程中應(yīng)更加小心，防止丟失關(guān)鍵證據(jù)。此外，在鍍覆孔對(duì)孔電阻的測(cè)量時(shí)，可能會(huì)存在與送檢方反映情況不一致的問(wèn)題，需要反復(fù)測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)，因?yàn)殄兏部坠战翘幒湾兏部變?nèi)的微裂紋可能會(huì)因?yàn)榘磯何恢没虬磯毫Χ鹊牟煌?，而出現(xiàn)重新導(dǎo)通的現(xiàn)象。

印制電路板中，起連通性作用的導(dǎo)體類型無(wú)外乎鍍覆孔、導(dǎo)線和連接盤等。因此定位失效點(diǎn)，首先要利用CAM軟件分析樣品板的Geber數(shù)據(jù)，明確開路網(wǎng)絡(luò)的互連情況，然后逐步排查出失效點(diǎn)的具體位置。

如圖1所示，送檢印制板為14層剛性印制板，D1球柵網(wǎng)格陣列封裝（BGA）R21腳和D4 BGA J7腳之間存在連通性失效現(xiàn)象，根據(jù)委托方提供的印制板CAM數(shù)據(jù)，D1 BGA R21腳通過(guò)第5層信號(hào)線連接至D4 BGA J7腳。將與D1 BGA R21腳和D4 BGA J7腳互連的鍍覆孔表面阻焊去除后，分別測(cè)量D1 BGA R21腳鍍覆孔和D4 BGA J7腳鍍覆孔的對(duì)孔電阻，發(fā)現(xiàn)D1 BGA R21腳鍍覆孔為開路狀態(tài)，D4 BGA J7腳鍍覆孔為通路狀態(tài)；然后測(cè)量D1 BGA R21腳鍍覆孔（A面焊盤）與D4 BGA J7腳之間的電阻，為通路狀態(tài)，D1 BGA R21腳鍍覆孔（B面焊盤）與D4 BGA J7腳之間的電阻，為開路狀態(tài)，說(shuō)明D4 BGA J7腳鍍覆孔、第5層信號(hào)線均無(wú)開路現(xiàn)象，故障點(diǎn)僅出現(xiàn)在D1 BGA R21腳鍍覆孔內(nèi)。

圖1 D1 BGA R21腳和D4 BGA J7腳互連網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

對(duì)于開路網(wǎng)絡(luò)連接較為復(fù)雜的情況，需要采用“分段測(cè)量”的方法，逐步縮短故障點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，并最終確認(rèn)出故障點(diǎn)位置。如圖2所示，送檢印制板安裝孔1和D22-8焊盤互連網(wǎng)路存在不通現(xiàn)象，分析該印制板CAM數(shù)據(jù)得知，安裝孔1通過(guò)第4層信號(hào)線、鍍覆孔2、第3層信號(hào)線、鍍覆孔3連接到D22-8焊盤。用萬(wàn)用表測(cè)試安裝孔1和鍍覆孔2之間為開路，鍍覆孔2和D22-8焊盤之間為通路，鍍覆孔2和安裝孔1的AB面對(duì)孔間均為通路，因此可以確認(rèn)安裝孔1和D22-8焊盤互連網(wǎng)路不通發(fā)生在安裝孔1和鍍覆孔2之間的網(wǎng)絡(luò)。

圖2 5XJ1-2安裝孔和D22-8焊盤互連網(wǎng)路

對(duì)于出現(xiàn)在鍍覆孔與內(nèi)層連接盤之間、內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)線之間、或是內(nèi)層導(dǎo)線上的開路現(xiàn)象，無(wú)法僅通過(guò)電測(cè)試的手段直接定位到故障點(diǎn)，但可借助X-RAY觀察印制板內(nèi)部的導(dǎo)體連接情況，如圖3所示，開路點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)層導(dǎo)線位置。

圖3 X-RAY觀察內(nèi)層導(dǎo)體

2 失效模式確認(rèn)和失效機(jī)理分析

通過(guò)各種無(wú)損檢測(cè)手段在準(zhǔn)確找到失效點(diǎn)后，需要通過(guò)顯微剖切，確認(rèn)出具體的失效模式，并結(jié)合相關(guān)測(cè)試手段，分析出失效機(jī)理。在進(jìn)行顯微剖切檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意選擇垂直切片的方向盡量與內(nèi)層導(dǎo)線相垂直，以減少對(duì)鍍覆孔與內(nèi)層導(dǎo)線連接處孔環(huán)的破壞，為后續(xù)的分析保留足夠的證據(jù)。

2.1 鍍覆孔開路

2.1.1 孔銅缺陷

圖4為焊接完成后，因孔壁環(huán)狀斷裂導(dǎo)致連通性失效的典型圖片；從圖中可知，孔壁銅鍍層厚度明顯不足，最厚處僅有12.4 μm，遠(yuǎn)低于IPC 6012E標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求（3級(jí)：平均厚度不低于25 μm，最薄處不小于20 μm），并且在孔壁斷裂位置處，存在內(nèi)層導(dǎo)體與基材分離的現(xiàn)象。

圖4 孔壁環(huán)狀斷裂

對(duì)同批次裸板在相同位置進(jìn)行顯微剖切（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)鍍覆孔存在明顯孔壁粗糙、鍍層褶皺、滲銅芯吸的現(xiàn)象，且銅鍍層厚度嚴(yán)重不足，表明該印制板制作過(guò)程中，不僅鉆孔質(zhì)量差，且電鍍參數(shù)控制不當(dāng)，當(dāng)印制板受到熱沖擊時(shí)，最終導(dǎo)致孔壁在最薄弱處出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

圖5 交收態(tài)印制板顯微剖切圖片

2.1.2 鍍層結(jié)晶態(tài)異常

圖6導(dǎo)通孔顯微剖切圖片中，孔壁無(wú)異常粗糙現(xiàn)象，銅鍍層厚度也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但同樣存在環(huán)狀斷裂現(xiàn)象，且與孔壁斷裂處相鄰的塞孔油墨呈分離狀態(tài)，同時(shí)在臨近的4個(gè)導(dǎo)通孔中，均在相同位置發(fā)現(xiàn)了相似的環(huán)狀斷裂現(xiàn)象。

圖6 油墨塞孔印制板孔壁環(huán)狀斷裂

微蝕后，對(duì)該導(dǎo)通孔進(jìn)行材料表面分析，發(fā)現(xiàn)孔壁銅鍍層為兩次電鍍完成，但兩次電鍍銅的結(jié)晶形貌明顯不同，其中一次電鍍銅結(jié)晶態(tài)正常，為無(wú)規(guī)則的多面體形貌，二次電鍍銅結(jié)晶態(tài)具有明顯的方向性。觀測(cè)孔壁斷裂處裂紋形貌，孔壁裂紋是從二次電鍍銅開始，往一次電鍍銅和孔壁基材方向延伸，如圖7所示。選擇該印制板另一位置處元器件安裝孔（孔徑較大）進(jìn)行顯微剖為分析，未見(jiàn)孔壁鍍層斷裂的現(xiàn)象，且銅鍍層結(jié)晶態(tài)形貌無(wú)異常表現(xiàn)。

圖7 材料表面分析圖片

孔壁銅鍍層柱狀結(jié)晶，通常表現(xiàn)為沿孔徑方向平行柱狀排列，此種結(jié)晶態(tài)致密性欠佳，導(dǎo)致銅鍍層的延展性較差，更易在印制板受到熱應(yīng)力時(shí)被拉斷，并呈現(xiàn)脆性斷裂的形貌，其形成的可能原因包括印制板厚徑比過(guò)大、鍍液溫度偏高、電流密度偏小等；如圖8所示，為柱狀結(jié)晶與正常結(jié)晶態(tài)鍍層的對(duì)比圖。

圖8 孔壁銅鍍層結(jié)晶態(tài)

2.1.3 孔壁斷裂魚骨圖

造成孔壁斷裂的原因可能很多，并往往是由綜合因素和累加效應(yīng)造成，如鉆孔工藝控制不良、孔壁鍍銅質(zhì)量不佳，基材的Z軸熱膨脹系數(shù)（PTE）過(guò)大、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）不合格，焊接溫度偏高，返修次數(shù)過(guò)多等，如圖9所示。因此，在出現(xiàn)孔壁斷裂失效時(shí)，如能找到同批次的裸板，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法（熱應(yīng)力、模擬返工、溫度沖擊、模擬回流焊等）對(duì)失效現(xiàn)象進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，同時(shí)測(cè)量材料的耐熱性參數(shù)（CTE、Tg、ΔTg等），并結(jié)合所有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，以準(zhǔn)確查找出失效機(jī)理。

圖9 孔壁銅鍍層斷裂原因分析圖

2.2 內(nèi)層互連失效

內(nèi)層互連失效是指鍍覆孔與內(nèi)層連接盤，或內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)線之間出現(xiàn)連通性缺陷的現(xiàn)象。內(nèi)層互連失效的根因是孔銅與內(nèi)層銅的結(jié)合力不足，此類缺陷在出廠電測(cè)試過(guò)程中較難發(fā)現(xiàn)，而往往會(huì)出現(xiàn)在焊接完成或環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)之后。

2.2.1 孔環(huán)分離

如圖10所示，為連接器安裝孔焊接完成后出現(xiàn)的孔壁與內(nèi)層連接盤結(jié)合處分離的現(xiàn)象，從垂直切片可以看出，該安裝孔鉆孔質(zhì)量不佳，孔壁粗糙，且個(gè)別位置存在鍍層空洞的現(xiàn)象。進(jìn)刀速率或轉(zhuǎn)速不當(dāng)，鉆頭磨損過(guò)度，蓋板或墊板材料不良，鉆頭在板材內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素，不僅會(huì)拉扯內(nèi)層連接盤，增大孔壁粗糙度，并且會(huì)增加后續(xù)除“膠渣”工序的難度，為孔壁和內(nèi)層連接盤的互連可靠性埋下隱患。

圖10 孔環(huán)分離

2.2.2 鉆孔偏位

如圖11所示，為因鉆孔偏位引起內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)體分離的現(xiàn)象。從圖可以看出，鍍覆孔孔壁質(zhì)量良好，除受熱后出現(xiàn)的樹脂凹縮（允許）的現(xiàn)象，未見(jiàn)其它缺陷，但鍍覆孔存在明顯的破盤現(xiàn)象（環(huán)寬為零），且破盤位置出現(xiàn)在連接盤與導(dǎo)線連接處，此時(shí)該網(wǎng)絡(luò)中起互連作用的結(jié)構(gòu)僅為鍍覆孔孔壁與內(nèi)層導(dǎo)線的小面積連接部，其在后續(xù)受熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象便不足為奇；按照IPC 6012E標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若連接盤末端未進(jìn)行填角或鎖眼設(shè)計(jì)，最小環(huán)寬應(yīng)為25 μm。

圖11 鉆孔偏位引起互連失效

2.3 導(dǎo)線開路

導(dǎo)線開路通常分為兩類，一種是因?qū)w缺損導(dǎo)致的開路，另一種是因?qū)w受力開裂造成的開路。出現(xiàn)在印制板表面的導(dǎo)線開路現(xiàn)象，可通過(guò)去除阻焊后目檢的方式進(jìn)行查找，而出現(xiàn)在印制板內(nèi)部的導(dǎo)線開路，可借助水平顯微剖切的方法進(jìn)行分析。

2.3.1 導(dǎo)體缺損

如圖12所示，在排查鍍覆孔和內(nèi)層互連處均無(wú)影響連通性的異?，F(xiàn)象后，最終將故障定點(diǎn)位在內(nèi)層導(dǎo)線，觀察得知開路網(wǎng)絡(luò)與相鄰網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線均存在相同的導(dǎo)體缺損現(xiàn)象，且開路處的形貌整齊，有明顯拉扯痕跡，因此可將該導(dǎo)線開路的原因定位為層壓工序前受外力劃傷所致。

圖12 導(dǎo)體缺損開路

2.3.2 導(dǎo)線斷裂

如圖13所示，某16層剛撓結(jié)合印制板，在試驗(yàn)后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不通的現(xiàn)象，分析該故障板CAM數(shù)據(jù)，F(xiàn)1X5連接器1腳通過(guò)第7層信號(hào)線連接至HX8鍍覆孔。萬(wàn)用表分別測(cè)量F1X5連接器1腳和HX8鍍覆孔的對(duì)孔電阻，確認(rèn)為通路狀態(tài)。將該印制板撓性段開路網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線表面覆蓋膜部分去除，露出導(dǎo)線，并用萬(wàn)用表分段測(cè)試HX8鍍覆孔至測(cè)試點(diǎn)1、測(cè)試點(diǎn)2至F1X5連接器1腳的網(wǎng)絡(luò)，均為通路狀態(tài)，測(cè)試點(diǎn)1至測(cè)試點(diǎn)2之間為開路，確認(rèn)開路位置在測(cè)試點(diǎn)1至測(cè)試點(diǎn)2之間的導(dǎo)線上。對(duì)網(wǎng)絡(luò)不通區(qū)域進(jìn)行目檢，發(fā)現(xiàn)存在覆蓋膜起泡現(xiàn)象，覆蓋膜表面有灼燒黑化的痕跡。

圖13 電測(cè)試分析

取開路位置進(jìn)行垂直顯微剖切測(cè)試，在制樣準(zhǔn)備過(guò)程中，部分信號(hào)線從覆蓋膜中脫落，脫落的銅導(dǎo)線表面有發(fā)黑現(xiàn)象；顯微剖切觀測(cè)開路位置處剩余導(dǎo)線，未見(jiàn)導(dǎo)線有裂紋、或局部厚度嚴(yán)重減少等影響導(dǎo)通電阻的缺陷，但導(dǎo)線與撓性基材和覆蓋膜均已分離，且分離處覆蓋膜存在明顯灼燒現(xiàn)象，因此可以判定該開路網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線斷裂是由電流過(guò)載導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱燒斷引起。

3 PCB連通性失效的分析思路

綜合前文的失效案例，PCB連通失效的分析流程如圖14所示。選擇分析方法時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從外部到內(nèi)部、從非破壞性到破壞性的基本原則，并應(yīng)做好失效分析過(guò)程中的證據(jù)保留工作，避免關(guān)鍵信息的丟失，同時(shí)還需要注意在進(jìn)行試驗(yàn)中防止人為失效機(jī)理的引入。

圖14 PCB連通性失效分析流程圖

印制板開路失效模式的確認(rèn)通常不會(huì)遇到太多困難，但失效機(jī)理的準(zhǔn)確分析卻并非輕而易舉的問(wèn)題，需要失效分析工程師不僅要熟練掌握失效分析的相關(guān)方法，還要足夠了解印制板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝。失效現(xiàn)象的出現(xiàn)往往并非單一因素引起，因此在下失效分析結(jié)論時(shí)應(yīng)堅(jiān)持“有一份證據(jù)說(shuō)一分話”，不妄定結(jié)論，能夠幫助正確查找出可能的失效機(jī)理，為工藝工程師制定出生產(chǎn)改進(jìn)的方向，已大有裨益。

4 結(jié)語(yǔ)

印制板連通性失效是印制板各種失效模式中故障現(xiàn)象最為明顯，失效模式最為明確，且失效機(jī)理分析相對(duì)簡(jiǎn)單的一種失效類型。初入行的失效分析工程師不妨先從印制板連通性失效開始，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，提升綜合分析的能力。