PCB分層失效分析

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(lái)越強(qiáng)大，作為電子元器件載體的PCB組裝結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。純粹的回流焊或波峰焊已經(jīng)無(wú)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(méi)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(wú)埋、盲孔設(shè)計(jì)。此產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)完第一次回流焊后就出現(xiàn)了分層起泡，其余的最多在過(guò)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(wú)分層起泡現(xiàn)象）。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明此產(chǎn)品的分層起泡與板材是否吸濕無(wú)關(guān)。

圖3 無(wú)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(wú)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(shuō)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(méi)有明顯的樹脂殘留，說(shuō)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(lái)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(méi)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(guò)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(guò)銅箔與粘結(jié)片樹脂間的結(jié)合力，就會(huì)導(dǎo)致原來(lái)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(guò)目視檢查或光學(xué)顯微鏡檢查，以上方法無(wú)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。