淺析印制板的可靠性

曾芳仔（江南計算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

譚永忠

（南京浦江電子有限公司，江蘇 南京 211800）

印制板的基本功能之一是承載電信號的傳輸。研究印制板的可靠性就是研究它的基本功能不喪失或者它的一些電性能指標(biāo)不衰退，也就是它的功能保持的持久性。本文擬從印制板下游用戶安裝后質(zhì)量、直接用戶調(diào)試質(zhì)量和產(chǎn)品使用質(zhì)量三方面研究印制板的可靠性，從而表征出印制板加工質(zhì)量的優(yōu)劣并提供生產(chǎn)高可靠性印制板的基本途徑。

1 印制板的可靠性分析

1.1 印制板安裝后的質(zhì)量表征

印制板安裝后，其質(zhì)量的好壞直接的反映是：目測印制板表觀是否出現(xiàn)起泡、白斑、翹曲等現(xiàn)象。其中最令人關(guān)注的是冒泡即業(yè)內(nèi)人士稱之“爆板或分層”，可靠性高的印制板安裝后不應(yīng)出現(xiàn)“起泡”缺陷。為了獲取高可靠性的印制板，則必須從以下幾個方面入手。

1.1.1 印制板材料的選擇

同一類型的印制板基材，不同的生產(chǎn)廠家，其性能差異較大，不同類型的印制板基材其性能差異就更大。印制板加工選擇基材時既要考慮材料的耐熱性能又要考慮材料的電氣性能，就安裝而言，我們更多考慮材料的耐熱性能。材料的耐熱性能一般以玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）和熱分解溫度（Td）作參考。目前，印制板安裝按元器件的焊點成份（有鉛、無鉛）分為有鉛、無鉛、混合安裝，相應(yīng)回流焊峰值溫度為215 ℃、250 ℃、225 ℃。因此，針對不同的安裝方式，印制板材料應(yīng)該區(qū)分選擇。對無鉛焊接，選用Tg高于170 ℃的板材；對于混裝焊接，選用Tg高于150 ℃的板材。對于有鉛焊接，所有材料均適用，但通常選用Tg高于130 ℃的板材。除了考慮Tg外，一般還要關(guān)注廠家品牌和型號，目前，性能較穩(wěn)定常用板材有Tuc 、IsoIa、Hitachi、 Neleo等[1]。

1.1.2 生產(chǎn)過程的控制

印制板出廠前都要抽樣進(jìn)行交收態(tài)和熱應(yīng)力實驗，其目的就是要保證安裝不分層等。盡管交收態(tài)和熱應(yīng)力實驗完全合格的產(chǎn)品不能保證安裝無缺陷，但交收態(tài)有缺陷的產(chǎn)品安裝時肯定存在隱患。因此，交收態(tài)和熱應(yīng)力試驗是安裝質(zhì)量的前期預(yù)告。這樣，交收態(tài)和熱應(yīng)力合格是印制板交付的必要條件。為此，在印制板的加工過程中應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下幾個方面，以確保交收態(tài)和熱應(yīng)力試驗合格，提升安裝后的質(zhì)量。

1.1.2.1 明確印制板的加工要求

印制板的層數(shù)、厚度、BGA的節(jié)距（或孔壁間的最小中心距），導(dǎo)體銅厚等影響印制板熱應(yīng)力試驗結(jié)果。層數(shù)超過12層，厚度大于3.0 mm的板，由于Z軸脹縮值大，容易在熱應(yīng)力后產(chǎn)生微裂，產(chǎn)生孔壁缺陷。BGA節(jié)距小于0.8 mm或孔壁中心距小于0.5 mm，由于熱容大，安裝時受熱集中，容易引起介質(zhì)層分層。因此，對于這類印制板加工應(yīng)選擇Tg大于170 ℃的基材。導(dǎo)體厚度大于35 μm，熱容大，樹脂流動阻力大，層壓時盡量利用多張高流動度的半固化片?？讖叫∮?.3 mm的印制板，鉆孔的質(zhì)量直接影響孔化孔壁質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔參數(shù)，確保孔壁清潔、平整、撕裂小。

1.1.2.2 精細(xì)化的工藝控制

交收態(tài)和熱應(yīng)力實驗出現(xiàn)分層，究其原因主要是內(nèi)層導(dǎo)體氧化處理質(zhì)量缺陷造成銅與半固化片結(jié)合力差或者半固化片沾染或吸潮所致。氧化處理因材質(zhì)不同其工藝也不盡相同，高Tg材料因質(zhì)硬而脆，采用絨狀的棕氧化，而常規(guī)材料可能為晶狀的黑氧化[2]當(dāng)然，導(dǎo)體表面的粗糙度直接影響銅與半固化片的結(jié)合力。因此，不管何種氧化處理必須明確規(guī)定氧化的表面粗糙度。同時，在層壓過程中，要盡量避免材料的沾污和吸潮。為此，單片必須定量控制其烘烤條件，半固化片必須去潮，疊板中必須控制環(huán)境的潔凈度和操作規(guī)范性。在層壓工藝控制中，必須根據(jù)板類和板量確立有效的層壓參數(shù)，確保樹脂充分濕潤和流變速度，避免空洞的產(chǎn)生。

1.2 印制板調(diào)試質(zhì)量的表征

印制板調(diào)試質(zhì)量好壞主要依據(jù)調(diào)試結(jié)果是否順利滿足設(shè)計要求，而安裝后印制板調(diào)試是否順利，涉及印制板的加工質(zhì)量，也是印制板可靠性表征的一個重要信息。一般地，調(diào)試順利的板，其可靠性就高；相反，調(diào)試不順利的板，其可靠性必然存在隱患，究其印制板的加工質(zhì)量，主要涉及印制板的線、盤、介質(zhì)層。

1.2.1 印制板導(dǎo)線對印制板質(zhì)量的影響

隨著電子產(chǎn)品的精細(xì)化發(fā)展，伴隨印制板加工工藝的不斷提升，印制板的導(dǎo)線不再是簡單的信號傳輸，而是輔以許多功能化的要求如阻抗線、等長線、電抗線等。因此，導(dǎo)線的缺陷如缺口、毛刺、形狀拐角等對印制板性能的影響越來越明顯（3），線寬10%的偏差帶來阻抗變化可能達(dá)20%，導(dǎo)線的缺口、毛刺使信號的延遲可達(dá)0.1 ns，導(dǎo)線的形狀差異產(chǎn)生反射、噪聲等干擾影響信號傳輸?shù)耐暾浴？梢姡€的質(zhì)量在印質(zhì)板制作過程中不容忽視。這一方面需要嚴(yán)格的過程控制，另一方面需要高精度生產(chǎn)設(shè)備和適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)（如半加成法和加成法），以確保線的精度滿足設(shè)計要求。

1.2.2 印制板連接盤對印制板質(zhì)量的影響

連接盤一般孔徑大，設(shè)計時考慮了環(huán)寬的要求，質(zhì)量可以保證，但過孔的質(zhì)量卻因廠家和工藝技術(shù)的不同差異較大。孔徑大于∮0.6 mm，采用開窗涂覆Pb/Sn，問題發(fā)生的可能性不大，但對小于∮0.3 mm的過孔，由于孔小鉆孔參數(shù)控制不同、溶液交換不順暢等因素，導(dǎo)致孔壁粗糙程度不一，撕裂的深淺不一，孔壁厚度和均勻性不相同。盡量后續(xù)采用不同過孔覆涂工藝，如覆蓋阻焊油墨甚至塞孔，但由于塞孔對孔電阻影響不大。因此，孔電阻差異依然存在。表1列舉了不同廠家∮0.25 mm孔電阻測試結(jié)果。

表1 孔電阻差異

孔電阻偏大，影響電信號傳輸質(zhì)量，同時，也折射出孔壁存在不導(dǎo)電性雜質(zhì)或空洞或裂紋。這樣的孔，經(jīng)過高溫沖擊，必然產(chǎn)生斷裂或裂紋，釀成印制板的功能完全喪失。因此，印制板的加工過程中，必須特別關(guān)注過孔的孔電阻值的大小。

1.2.3 印制板的層對印制板質(zhì)量的影響

印制板的層涉及印制板的加工材料和層間介質(zhì)層的厚度及均勻性，加工材料前面已經(jīng)闡述，這時重點說明介質(zhì)層的厚度和均勻性。

介質(zhì)層的厚度影響印制板的層間絕緣性，其表征參數(shù)是擊穿電壓。擊穿電壓越高其絕緣性越好。不同領(lǐng)域使用的印制板其擊穿電壓可能要求不一樣，但介質(zhì)層薄，擊穿電壓肯定低，同樣厚度的介質(zhì)層,介質(zhì)層中增強材料粗其擊穿電壓也低，因此，介質(zhì)層厚度的控制以擊穿電壓為依據(jù)兼顧半固化片的類型。介質(zhì)層厚度的均勻性，影響信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。厚度偏差10%，特性阻抗值偏差可達(dá)20%。厚度均勻性，一方面與材料的性能參數(shù)相關(guān)如凝膠時間、樹脂流動度等；另一方面與層壓的工藝參數(shù)及設(shè)備的精度密切相關(guān)。因此，介質(zhì)層厚度的均勻性的控制需借助于高精度設(shè)備和優(yōu)化的層壓工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

1.3 印制板使用質(zhì)量的表征

電子產(chǎn)品使用過程中性能是否穩(wěn)定涉及印制板的使用質(zhì)量。使用中常遇見印制板的缺陷有：離子遷移（CAF）和焊點質(zhì)量（Joint）等。銅離子遷移系透過玻纖紗束或紗束與樹脂之細(xì)縫，造成兩導(dǎo)體例如（孔壁到孔壁）間出現(xiàn)金屬銅的遷移，其產(chǎn)生機理是：印制板通電后由于電位差，高壓極(陽極)銅金屬在水氣中首先出現(xiàn)腐蝕而氧化成銅Cu2+，于是銅離子會沿著通道緩緩向另一端低壓極進(jìn)行遷移，同時，低壓端也會往陽極移動，于是兩者在通道途中遭遇后即可還原出金屬銅，形成兩地間的連通即漏電短路，一旦出現(xiàn)短路，電阻頗高的發(fā)熱將CAF燒斷，爾后又開始新的CAF。這樣周而復(fù)始發(fā)生，造成電子產(chǎn)品功能時有時無。如下圖CAF發(fā)生的幾種情形。

圖1 CAF發(fā)生的情形

可見，產(chǎn)生CAF必須具備下列五種條件：裸露的銅導(dǎo)體、水氣、電解質(zhì)、電位差和通道。前四項在電子產(chǎn)品的使用中不可避免。通道是唯一可控制產(chǎn)生CAF的途徑，而通道的形成主要與印制板的生產(chǎn)過程中材料、鉆孔、去沾污等因素相關(guān)。一般地來說材料的玻纖越細(xì)，樹脂含量越高，韌性越好，鉆孔撕裂的機率較低，因此，對于高密度的印制板或潮濕環(huán)境中使用的印制板盡可能采用細(xì)玻纖的材料。不同的材質(zhì)的鉆頭，不同鉆孔數(shù)量，不同的鉆孔參數(shù)，鉆孔時，鉆頭對增強材料的沖擊不同，孔壁質(zhì)量的差異較大，對孔壁的損傷也不盡一致，芯吸程度不一。因此，為了杜絕通道的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制鉆孔質(zhì)量，確?？妆诠饣秸?。去沾污主要目的是去除內(nèi)層導(dǎo)體鉆孔時吸附樹脂，當(dāng)然，也咬蝕孔壁絕緣層中的樹脂，有時為了形成負(fù)凹蝕，孔壁絕緣層樹脂甚至咬蝕更多。這時，咬蝕量需嚴(yán)格控制。否則，極易形成“通道” 。如下圖樹脂咬蝕過量情形。

圖2 樹脂咬蝕過量情形

印制板與元器件系通過焊接的焊點來連接，其焊點在電子產(chǎn)品使用中因環(huán)境的影響有時也會出現(xiàn)異常情況。這主要與印制板表面涂覆工藝密切相關(guān)。目前，印制板表面涂覆有：熱風(fēng)整平、鍍錫、化學(xué)鎳金、有機防氧化保護(hù)、化銀等。熱風(fēng)整平或鍍錫焊接時對形成Cu6Sn5IMC，長期使用不會發(fā)生變化，焊點牢固，其可靠性高；化學(xué)鎳金因布線不均勻性不可避免產(chǎn)生“氧化鎳”黑墊，同時，焊接時形成Ni3Sn4IMC ，又有金、磷的滲入，長期使用，焊點脆弱，可靠性下降；OSP焊接結(jié)形成Cu6Sn5IMC，而且沒有其它金屬（如Au、Ag）污染，強度較好，可靠性高；浸銀焊點形成Cu6SnIMC，強度好但不耐老化，而且因銀的滲入焊點可能形成微空洞；浸錫焊點邊形成Cu6Sn5，但浸錫層會逐漸被底銅所吸收成為IMC，外觀由亮白色轉(zhuǎn)為灰白色焊點強度發(fā)生變化；電鍍Ni-Au，雖然少了磷和黑墊的干攏，焊點強度高，但金的滲入也會逐漸影響焊點的質(zhì)量。因此，印制板表面涂覆的選擇，影響著焊點的質(zhì)量，涉及電子產(chǎn)品的使用效果。因此，在高可靠性產(chǎn)品設(shè)計時，印制板表面涂覆優(yōu)選熱風(fēng)整平或OSP。

2 結(jié)論

（1）印制板可靠性可以從安裝后質(zhì)量、調(diào)試質(zhì)量、使用質(zhì)量等三方面給予表征；（2）安裝質(zhì)量涉及材料的選擇和過程控制。（3）調(diào)試質(zhì)量主要與印制板基本要素精度控制密切相關(guān)；（4）使用質(zhì)量與環(huán)境和表面涂覆選擇有關(guān)。

[1]葛春. 淺淡PCBA分層爆板[J]. 印制電路信息(增刊), 2009,10:376-381.

[2]周敏. 最新印制板電路設(shè)計, 制作工藝, p1100-1408.

[3]黃生榮. 發(fā)展高頻微波板印制板技術(shù)分析[J]. 印制電路信息, 2008,11:51-55.