PCB&PCBA-PTH失效原因分析

饒丹丹，樓倩，楊文靜

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

PCB&PCBA-PTH失效原因分析

饒丹丹，樓倩，楊文靜

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

介紹了一個典型的印刷電路板 （PCB）失效原因分析的案例。該PCB經(jīng)過波峰焊后因油墨塞孔導致孔壁斷裂而失效。分析結果表明：孔壁鍍層中存在的柱狀結晶及鍍層空洞削弱了孔銅鍍層的延展性及抗拉強度，這是導致在隨后的焊接工藝過程中承受不住相對較大的膨脹應力而發(fā)生孔銅鍍層斷裂失效的主要原因；PCB本身相對較大的膨脹系數(shù)也是導致孔銅斷裂的原因之一。

印刷電路板；失效分析；孔斷；柱狀結晶；鍍層空洞；膨脹系數(shù)

0 引言

失效是指產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。所謂失效分析，首先，基于失效現(xiàn)象，通過信息收集、功能測試和電性能測試，以及外觀檢查等手段來確定失效部位和失效模式，即失效定位或故障定位；其次，進行失效機理的分析，即使用各種物理、化學手段（X射線透視檢查、金相切片分析、掃描超聲顯微檢查、染色滲透檢測技術和掃描電鏡分析、X射線能譜分析等）來分析失效或缺陷所產(chǎn)生的機理，如虛焊、異物污染、氧化腐蝕和焊點開裂等；第三，失效原因分析，即基于失效機理尋找能夠導致失效機理發(fā)生的原因，必要時進行試驗驗證，以便準確地找到誘導失效的模式及其原因；最后，判斷失效的模式，查找失效原因和機理，提出一些預防再失效的對策的技術活動和管理活動[1]。

本文通過對失效樣品的失效定位和原因分析，提供了可參考的分析程序和手段，并找到了失效的具體原因，有針對性地對PCBA質(zhì)量加以改進，進而提高產(chǎn)品性能的可靠性。

1 樣品概況及分析過程

失效樣品為幾塊不同周期的PCB和PCBA，委托單位反映送檢PCB&PCBA中油墨塞孔而存在孔壁斷裂的失效現(xiàn)象。

隨機對樣品上的油墨塞孔進行金相切片分析[2]，結果發(fā)現(xiàn)：

a）失效樣品存在過孔現(xiàn)象，其孔壁有對稱性的 “F”型鍍層裂縫并集中在孔壁鍍層的拐角處；“E”型鍍層裂縫處于孔壁鍍層中，拐角處的鍍層中存在明顯的柱狀結晶。裂縫處未觀察到污染物及外來物夾雜物。過孔截面中未發(fā)現(xiàn)存在樹脂凹縮、膨脹應力過大導致的樹脂拉裂及玻纖松動現(xiàn)象?？妆阱儗舆B續(xù)且比較均勻。其代表性的金相切片圖如圖1所示。

圖1 失效樣品過孔金相切片的代表性圖片

b） “良品”PCB樣品均未發(fā)現(xiàn)過孔孔壁有開裂現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)有柱狀結晶現(xiàn)象。其代表性的金相切片圖如圖2所示。

對失效樣品和良品金相剖切所得過孔截面進行SEM觀察。結果發(fā)現(xiàn)：

a）失效樣品選定的過孔孔壁鍍層中的柱狀結晶得到進一步的確認，且失效樣品的過孔孔壁鍍層中還存在鍍層空洞現(xiàn)象。失效樣品過孔孔壁鍍層厚度為23.17～29.90μm。其代表性的SEM圖如圖3所示。

圖2 良品PCB金相切片的代表性圖片

圖3 失效樣品SEM的代表性圖片

b） “良品”樣品選定的過孔孔壁鍍層未發(fā)現(xiàn)有柱狀結晶現(xiàn)象。 “良品”樣品的過孔孔壁鍍層厚度為24.20～27.25μm。其代表性的SEM圖如圖4所示。

圖4 良品PCB的代表性SEM圖片

考慮到PCB樣品在高溫焊接時其基材膨脹必然產(chǎn)生較大的應力加載于PTH孔壁鍍層上，本案中對送檢的失效樣品及 “良品”PCB整體 （包含芯板、外層PP片與金屬銅箔）進行熱膨脹 （CTE）測試 [3]，如圖5、6所示。

圖5 失效樣品的TMA測試曲線 （Z-CTE）

圖6 良品PCB的TMA測試曲線 （Z-CTE）

經(jīng)過熱膨脹系數(shù) （CTE）的測試，發(fā)現(xiàn)所有樣品PCB整體的α2-CTE及PTE（%）值均超出IPC-4101規(guī)范中對一般Tg（Tg溫度110～150℃）基材的CTE要求 （α2-CTE之上限為300 ppm/℃，PTE上限為4.0%），表明了PCB樣品在高溫焊接時膨脹較大[4]。

3 綜合分析

通過對送檢樣品進行一系列的分析，結果表明：

失效樣品因油墨塞孔而存在對稱性的 “E”型及 “F”型鍍層裂縫 （孔壁裂縫和拐角裂縫），裂縫處均未觀察到有污染物及外來物夾雜物。過孔截面中未發(fā)現(xiàn)樹脂凹縮、膨脹應力過大導致的樹脂拉裂及玻纖松動現(xiàn)象。孔壁鍍層連續(xù)且比較均勻?？梢耘懦捎谕鈦砦镂廴?、去膠渣不良及焊接過程中過熱導致的孔銅斷裂失效。

失效樣品的過孔孔壁鍍層的厚度為23.17～29.90μm。符合IPC-6012對鍍覆孔中銅鍍層厚度的要求 （2級產(chǎn)品需大于20μm，3級產(chǎn)品需大于25μm）?？梢耘懦儗拥牟痪鶆蚧蚱е略陔S后的焊接過程中發(fā)生斷裂失效的可能性[5]。

失效樣品油墨塞孔的孔壁鍍層中存在明顯的柱狀結晶，且過孔孔壁的鍍層中還存在鍍層空洞現(xiàn)象。柱狀結晶及鍍層空洞的存在必然削弱了孔銅鍍層的延展性及抗拉強度，易導致在隨后的焊接工藝過程中承受不住相對較大的膨脹應力而發(fā)生孔銅鍍層斷裂失效。柱狀結晶及鍍層空洞的存在亦表明失效PCBA樣品所用的PCB孔金屬化工藝存在不良。

對比 “良品”PCB的金相切片結果 （孔壁鍍層中未發(fā)現(xiàn)柱狀結晶）和Z-CTE值，相對孔壁更加均勻、膨脹系數(shù)更小，但存在柱狀結晶及鍍層空洞的失效樣品反而發(fā)生了孔壁斷裂失效， “良品”油墨塞孔中的孔壁未發(fā)現(xiàn)異常。結合以上兩點可知失效樣品過孔孔壁鍍層中的柱狀結晶及鍍層空洞的存在，削弱了孔銅鍍層的延展性及抗拉強度，是導致在隨后的焊接工藝過程中承受不住相對較大的膨脹應力而發(fā)生孔銅鍍層斷裂失效的主要原因。PCB本身在高溫焊接時因膨脹產(chǎn)生的較大軸向 （Z軸）應力進一步地加劇了發(fā)生孔斷失效的可能性。

4 結束語

綜上所述，失效樣品過孔 （油墨塞孔）的孔壁鍍層上存在明顯的柱狀結晶及鍍層空洞現(xiàn)象，削弱了銅鍍層的延展性及抗拉強度，且PCB材料本身的膨脹系數(shù)相對較大，在焊接過程中PCB受熱膨脹產(chǎn)生較大的應力作用于鍍覆孔的孔壁，當作用的應力大于鍍覆孔強度時便導致孔壁鍍層斷裂失效的發(fā)生。

本文通過合理的分析程序和手段找到了PCB&PCBA過孔 （油墨塞孔）孔斷的失效現(xiàn)象及其失效原因，有針對性地對PCB&PCBA質(zhì)量加以改進，從而提高整機性能的可靠性。

[1]羅道軍.綠色電子組裝技術與案例研究 [Z].廣州：工業(yè)和信息化部電子第五研究所，2010：25-27.

[2]IPC-TM-650 2.1.1-2004，Microsectioning，manualmethod [S].

[3]IPC-TM-650 2.4.24-1994，Glass transition temperature and Z-Axis thermal expansion by TMA[S].

[4]IPC-4101C-2009，Specification for basematerials for rigid andmultilayer printed boards[S].

[5]IPC-6012C-2010，Qualification and performance specification for rigid printed boards[S].

Failure Analysis for PCB&PCBA-PTH

RAO Dan-dan，LOU Qian，YANGWen-jing
（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

A typical case of failure analysis for a PCB is introduced，which failed due to the plated-through hole crack after wave soldering.The result showed that the columnar crystal in the hole wall coating and the p lating cavity weakens the elongation and tensile strength of the barrel plating，which is themain cause leading to the plating could notwithstand the thermal stress generated during the wave soldering process and fail.The relatively large Z-CTE of the PCB itself is also one of the reasons leading to the crack.

PCB；failure analysis；hole crack；columnar crystal；plating cavity；Z-CTE

TN 41.06

：A

：1672-5468（2015）01-0011-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.01.003

2014-08-06

2015-01-12

饒丹丹 （1981-），女，安徽宿州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所 （中國賽寶華東實驗室）工程師，主要從事PCB&PCBA檢測和失效分析工作。