淺析PCB兩種重要可靠性測試方法

黃世清 張利華

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，PCB行業(yè)對產(chǎn)品的長期可靠性要求越來越重視。冷熱循環(huán)測試（TCT）和互聯(lián)應(yīng)力測試（IST）的應(yīng)用越來越普遍，不管是PCB的材料制造商，還是PCB產(chǎn)品制造商，直至終端客戶都在廣泛使用這兩種可靠度測試方法。這兩種可靠性方法在業(yè)內(nèi)的主要用途有：材料制造商隊板材的性能進行評估，沉銅電鍍藥水制造商用于評估藥水的特性，而PCB制造商則主要用來對制程和產(chǎn)品的特性比較、排除制程故障、保證產(chǎn)品質(zhì)量等，PCB應(yīng)用客戶用來對供應(yīng)商資質(zhì)考核、預(yù)覽產(chǎn)品的使用壽命、指導(dǎo)PCB工程設(shè)計等等。

2 TCT和IST的測試方法與接收標(biāo)準(zhǔn)

2.1 冷熱循環(huán)測試原理與標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 測試原理

通常冷熱循環(huán)的測試模塊為孔鏈路設(shè)計，通過蝕刻導(dǎo)線將多個孔串聯(lián)構(gòu)成一個阻值在0.5歐姆左右的回路，測試時測量鏈路兩端的電阻，來監(jiān)控測試后電阻變化。更為簡易的測試方法是直接用PCB板子進行測試，測試結(jié)束后切片取樣確認樣品是否合格。

2.1.2 測試條件

冷熱循環(huán)測試箱通過電加熱和液氮冷卻來實現(xiàn)高低溫循環(huán)，按照IPC-TM650-2.6.7.2的測試條件見表1，要注意冷熱循環(huán)箱需在兩分鐘內(nèi)完成升溫及降溫。通常根據(jù)所使用的板材類型來選擇測試條件，最常用的是條件D，溫度范圍為-55 ℃ ～ 125 ℃。

2.1.3 冷熱循環(huán)測試步驟

2.1.4 冷熱循環(huán)的接收標(biāo)準(zhǔn)

IPC默認的標(biāo)準(zhǔn)是冷熱循環(huán)測試100循環(huán)，前后的電阻變化（增加）不超過10%，并且冷熱循環(huán)后切片滿足IPC Table 3-9。冷熱循環(huán)測試后常見的缺陷表現(xiàn)為鍍銅裂紋，IPC6012C 2級、3級標(biāo)準(zhǔn)不允許出現(xiàn)鍍層裂紋。

圖1 E型及F性鍍層裂紋示意圖

通常冷熱循環(huán)測試的接受標(biāo)準(zhǔn)會根據(jù)客戶的需求制定，表2是兩個不同的終端客戶對于冷熱循環(huán)測試標(biāo)準(zhǔn)，由此可見，不同的客戶對冷熱循環(huán)測試的接受標(biāo)準(zhǔn)差異很大。

表1 IPC-TM650-2.6.7.2 冷熱循環(huán)測試條件

表2 不同的兩個客戶冷熱循環(huán)測試接受標(biāo)準(zhǔn)

2.1.5 冷熱循環(huán)測試的特點

冷熱循環(huán)測試的特點是與常規(guī)的熱應(yīng)力測試相比，能夠測試產(chǎn)品的長期使用可靠性，測試結(jié)果也有較好的一致性，但是這種方法不易檢測內(nèi)層銅與電鍍銅連接點的失效，但是測試一個循環(huán)需要約35分鐘，如果需要測試500循環(huán)，需要近20天的時間，無疑不利于快速響應(yīng)客戶的要求。

2.2 互聯(lián)應(yīng)力（IST）測試原理與標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 測試原理

IST的測試原理為采用菊花鏈型交錯的內(nèi)層連接線與孔壁相連，形成兩個電阻在150 mΩ ～ 1.5Ω的鏈路（P鏈路和S鏈路），通過施加直流通電的方法使導(dǎo)體（包括導(dǎo)線與孔壁）發(fā)熱，在3分鐘內(nèi)升高到指定的溫度，然后再用風(fēng)扇強制冷卻，使其在2分鐘內(nèi)冷卻到室溫。過程中采用四線端子量測兩個鏈路的微電阻，當(dāng)電阻值變化（增大）超出10%時認為失效。科邦的設(shè)計示意圖如圖2。

圖2 P、S端走線立體圖（左上），P端走線縱切圖（右上），S端走線縱切圖（下）

測試時P端是加熱端，走線層次為L2/3層及N-1、N-2層，回路經(jīng)過的孔壁距離很小，所以P端主要用來檢測內(nèi)層銅與孔銅連接的可靠性。測試時S端是感應(yīng)端，每個孔都與P端的孔相鄰，P端的熱量傳遞到S端鏈路上。S端走線主要在L1/L2/L3層及N-1、N-2、N-3層，經(jīng)過整個孔壁，所以S端主要用來檢測電鍍孔銅的可靠性。科邦上的孔間距常用有兩種，分別是1 mm和2 mm，由于篇幅原因，本文在這里就不贅述了。

圖3 常見的IST科邦設(shè)計圖

2.2.2 IST的測試條件

按照IPC-TM-650 2.6.26，互聯(lián)應(yīng)力測試（IST）的條件如下：

預(yù)處理條件：根據(jù)產(chǎn)品的裝配條件選擇預(yù)處理條件（IST就是要分析產(chǎn)品完成裝配后的可靠性，預(yù)處理模擬裝配時的受熱過程），通常分為有鉛（230 ℃）和無鉛（260 ℃），或者混合條件（245 ℃），預(yù)處理可以通過過回流焊或者使用IST設(shè)備自帶的功能完成預(yù)處理，預(yù)處理的次數(shù)通常為3次（相當(dāng)于兩次SMT，一次波峰焊）或者6次（3次焊接，3次返工），通常更建議使用IST設(shè)備進行預(yù)處理，以排除產(chǎn)品、回流爐的差異對預(yù)處理的效果產(chǎn)生影響，兩種預(yù)處理的溫度曲線圖如圖4。

圖4 IST與回流焊預(yù)處理溫度曲線

測試條件：IPC-TM-650 2.6.26的測試條件見表3。

表3 IPC-TM-650 2.6.26IST測試條件

條件中加熱時間為3 min，冷卻的時間為2 min。

2.2.3 IST測試步驟

測試過程中，設(shè)備是通過目標(biāo)電阻與熱阻系數(shù)及溫度之間的關(guān)系來監(jiān)控實際溫度的，其計算公式如下：

其中αT=互聯(lián)熱電阻系數(shù)，Rrm=室溫電阻，Th=需要達到的溫度，Trm=室溫

每個循環(huán)過程中系統(tǒng)會記錄低溫電阻和高溫電阻，當(dāng)其中一個變化率超出了10%是，認為失效，系統(tǒng)停止該通道的測試，其余的通道繼續(xù)測試。

2.2.4 IST測試接收標(biāo)準(zhǔn)

在IPC中，只明確了當(dāng)電阻變化率超過10%時認為測試失效，至于循環(huán)數(shù)則沒有明確規(guī)定，因為不同的預(yù)處理條件對產(chǎn)品所通過的循環(huán)次數(shù)有很大的影響，因此客戶對于IST的通過次數(shù)要求也各不相同。表4是某PCB檢測機構(gòu)給出的循環(huán)次數(shù)建議。

表4 IST測試循環(huán)次數(shù)

2.2.5 IST失效分析

當(dāng)測試失效產(chǎn)生之后，將失效科邦進行紅外掃描，找到失效點切片進行分析切片分析，能夠找到失效位置（圖5）。

圖5 IST失效紅外掃描圖

而一些細微的缺陷卻很難通過紅外掃描的方式發(fā)現(xiàn)，只能通過加大切片分析量來尋找失效點。

不過，按照科邦的設(shè)計，如果發(fā)生在P端失效，則分析重點應(yīng)該在內(nèi)層連接位置，如果發(fā)生在S端失效，則重點分析孔壁鍍層位置。根據(jù)失效的電阻走勢圖，也能指導(dǎo)我們判斷失效的現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 不易檢測到的細微裂紋

圖7中，左圖三個曲線可以認證第一個科邦是有缺陷的科邦，第二個出現(xiàn)了細微裂痕導(dǎo)致失效，第三個表示結(jié)果很好；右圖中可以區(qū)分出測試過程中的幾個階段：

曲線1：退火—出現(xiàn)疲勞—應(yīng)力釋放—內(nèi)層與鍍層良好結(jié)合；曲線2：退火—裂紋產(chǎn)生—裂紋擴大—阻值增大失效。

圖7 常見的IST測試電阻曲線

2.2.6 IST的特點

IST測試的特點是測試效率高，只需要5 min/循環(huán)，一天能完成250循環(huán)，還能模擬出板件上件時的受熱情況，系統(tǒng)能自動分析說明測試數(shù)據(jù)，不管是預(yù)處理還是循環(huán)測試都能保證很好的一致性。另外，IST測試能夠分析失效的過程，各通道獨立測試，阻值變化超出10%的即停止測試，能確保產(chǎn)品中最脆弱的位置先暴露出來，這無疑是IST測試最大的優(yōu)點。

3 失效分析與改善

3.1 失效影響因子分析

冷熱循環(huán)測試與互聯(lián)應(yīng)力測試原理都是通過循環(huán)加熱與冷卻，使測試樣本的內(nèi)部出現(xiàn)疲勞，最脆弱地方最先出現(xiàn)失效。兩種測試常見的失效現(xiàn)象有：1、鍍銅裂紋[圖8（A）]；2、內(nèi)層銅與電鍍銅分裂、孔壁浮離[圖8（B）]；3、爆板分層[圖8（C）]；4、微孔底部分離、蟹腳等[圖8（D）]。

圖8 冷熱循環(huán)與IST測試常見失效切片圖

對導(dǎo)致以上失效現(xiàn)象進行分析，對影響冷熱循環(huán)、互聯(lián)應(yīng)力測試失效的關(guān)建因子及關(guān)鍵控制點總結(jié)如下：

（1）測試的條件：預(yù)處理、測試循環(huán)條件越嚴(yán)格，越易出現(xiàn)失效；B、材料特性：PCB所選用的板材的CTE（尤其是Z-asix CTE）越大，在循環(huán)測試中的膨脹越大，電鍍銅越容易出現(xiàn)疲勞點，引起失效；

（2）鍍銅厚度與鍍銅質(zhì)量：通常認為鍍銅的厚度越厚、延展性越好，抗疲勞能力越強，能通過循環(huán)次數(shù)就越高；

（3）除膠質(zhì)量與沉銅效果：除膠不凈、除膠量不足會導(dǎo)致孔壁浮離或者鍍銅與內(nèi)層銅分離，沉銅的速率越大，集中的應(yīng)力越多，也更容易出現(xiàn)失效；

（4）孔壁質(zhì)量：凹凸度大、玻纖突出嚴(yán)重的孔壁容易形成應(yīng)力集中點，往往在孔壁粗糙和玻纖節(jié)點出最容易出現(xiàn)鍍銅裂紋；

（5）時效、烘烤：板件在線的時效控制及是否烘烤也會對測試結(jié)果有很大的影響；

（6）設(shè)計：板子的結(jié)構(gòu)（層數(shù)等）、銅箔厚度、設(shè)計（孔間距、內(nèi)層鋪銅、隔離間距等）也會對測試結(jié)果有影響。

3.2 關(guān)鍵因子驗證

為了對比不同加工條件對IST結(jié)果的影響，使用某材料A加工，采用兩種不同加工條件加工，預(yù)處理230 ℃3次后進行500循環(huán)IST測試對比結(jié)果見表5。

表5 不同加工條件下IST測試結(jié)果對比

通過對比，說明加工參數(shù)對IST測試結(jié)果有重大影響。為了驗證不同材料對IST、冷熱循環(huán)測試結(jié)果，對三種材料進行對比測試。

首先對樣品進行TMA測試，結(jié)果見表6。

TMA測試結(jié)果分析：

（1）三種材料的Z-axes CTE都比材料datasheet中的要高很多；

（2）Tg前的Z-axes CTE A最大，遠超出了60×10-6/℃，按照IST 150 ℃的測試條件，Tg前Z-axes CTE越大，將越容易出現(xiàn)IST、冷熱循環(huán)失效；

（3）三種材料的Tg后Z-axes都超出了300×10-6/℃，這與測試樣品的樹脂含量有關(guān)，半固化片或者芯板的樹脂含量越高，CTE也會越大；

表6 三種材料TMA測試數(shù)據(jù)

表7 三種材料IST測試結(jié)果對比

（4）材料B和C測試的Tg遠大于理論Tg，這與材料樹脂體系有關(guān)，因為測試曲線拐點不明顯，不同的結(jié)果相差會很大；

根據(jù)TMA測試結(jié)果推斷，A材料將最容易出現(xiàn)失效，而實際的測試結(jié)果與此一致：

小結(jié)： 在加工條件相同的情況下，CTE越大的材料越容易出現(xiàn)IST失效。

而冷熱循環(huán)測試中，A材料的電阻變化明顯，測試結(jié)果也有相同的結(jié)論：

圖9 三種材料冷熱循環(huán)測試電阻變化走勢圖

在關(guān)鍵因子驗證中，為對沉銅、電鍍這兩個關(guān)鍵因素進行驗證。從驗證結(jié)果看來，材料B與C的鉆孔質(zhì)量明顯不如材料A，但是B和C的冷熱循環(huán)測試結(jié)果卻明顯比A材料好，說明材料CTE影響相比加工參數(shù)的影響更為顯著。

表8 三種材料冷熱循環(huán)測試結(jié)果對比

4 結(jié)語

當(dāng)今，常規(guī)的熱應(yīng)力測試、回流焊測試已經(jīng)不能滿足行業(yè)的發(fā)展的需求，因為這些方法通常不能發(fā)現(xiàn)內(nèi)層連接點的故障，也不易得到良好的再現(xiàn)性和一致性，冷熱循環(huán)測試能雖然能滿足以上幾點要求，但是由于其所需要的測試時間太長，一個周期需要測試30 min，根本無法滿足對客戶快速響應(yīng)的需求，而IST測試只需要5 min/循環(huán)，一天能完成250循環(huán)，還能模擬出板件上件時的受熱情況，系統(tǒng)能自動分析說明測試數(shù)據(jù)，能保證很好的一致性。另外，IST測試能夠分析失效的過程，各通道獨立測試，阻值變化超出10%的即停止測試，能確保產(chǎn)品中最脆弱的位置先暴露出來，這無疑是IST測試最大的優(yōu)點。由于IST測試具備多種優(yōu)點，未來行業(yè)內(nèi)將更加普遍的使用這種測試方法，也因此寫下這篇文章，希望能讓大家對IST有更充分的認識。

[1]IPC-TM-650 2.6.7.2.

[2]IPC-TM-6502.6.26.

[3]IPC-6012C.