軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)在理解和實(shí)施中的問(wèn)題探討

張永華 張 濤 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

緊隨印制電路板（PCB）產(chǎn)品高密度、高集成度和高可靠性的快速發(fā)展，新修訂的軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)一方面新增了銅蓋覆鍍層、盲埋孔樹(shù)脂塞孔、微導(dǎo)通孔等成熟工藝的性能要求，另一方面擴(kuò)展細(xì)化了連接盤(pán)缺陷、導(dǎo)體最終鍍層或涂層、阻焊膜、鍍覆孔孔壁缺陷等要求，并對(duì)應(yīng)IPC標(biāo)準(zhǔn)中的3A級(jí)產(chǎn)品，增加了宇航用印制板的性能要求。無(wú)論新增要求的提出，或是原定要求的修改，均是基于印制板連通性、非連通性（絕緣性）和長(zhǎng)期使用的可靠性的考慮。

為積極推動(dòng)軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)在工藝鑒定和產(chǎn)品質(zhì)量管控中的基礎(chǔ)作用，本文將基于標(biāo)準(zhǔn)最新規(guī)定，通過(guò)典型案例分析的方式，探討標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)性能要求提出的出發(fā)點(diǎn)，以及在理解和實(shí)施過(guò)程中可能遇到的一些問(wèn)題，希望可以減少因標(biāo)準(zhǔn)理解不當(dāng)而造成的損失。

1 外觀和尺寸檢驗(yàn)

印制電路板的外觀，包括標(biāo)識(shí)、絕緣基材、表面涂鍍層、導(dǎo)電圖形等，是印制電路板加工質(zhì)量最直觀的反映，也是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)順利交付的重要基礎(chǔ)，其檢驗(yàn)方法是使用3倍線(xiàn)性放大鏡（仲裁檢驗(yàn)應(yīng)在至少30X的放大鏡下進(jìn)行）在合適的光照條件下進(jìn)行目檢。而印制板尺寸，包括外形、板厚、孔位精度、外層環(huán)寬、導(dǎo)體寬度和間距等，表征了印制板加工與布設(shè)總圖和相關(guān)規(guī)范的符合性，是保證后續(xù)電裝和安裝質(zhì)量的重要前提，應(yīng)采用精度不低于0.01 mm的量具進(jìn)行測(cè)量。

1.1 露織物、顯布紋和露纖維

如果層壓過(guò)程中流膠過(guò)多或受到化學(xué)侵蝕，印制板表面會(huì)出現(xiàn)明顯的纖維紋理。若未斷裂的織物纖維完全暴露在空氣中，為露織物，而當(dāng)其表面仍有樹(shù)脂覆蓋時(shí)，則為顯布紋（見(jiàn)圖1）。

圖1 （A）露織物（B）顯布紋

由于缺少了樹(shù)脂的保護(hù)，裸露的玻纖更易吸附水分和化學(xué)殘留物，引起印制板絕緣性能的劣化，因此露織物的印制板不可接收。顯布紋的印制板可以接收，但粗糙的表面往往給人一種質(zhì)量不高的觀感，且很難僅通過(guò)目檢與露織物的印制板區(qū)分開(kāi)。

由于基材受到機(jī)械應(yīng)力沖擊、劃傷或化學(xué)侵蝕，而出現(xiàn)的增強(qiáng)纖維裸露的現(xiàn)象，稱(chēng)為露纖維。與露織物相比，露纖維通常只會(huì)在局部位置出現(xiàn)；因此，只要增強(qiáng)材料未出現(xiàn)明顯的切斷或變形，并且未使導(dǎo)電圖形之間的間距低于布設(shè)總圖規(guī)定的最小值，可以接收。

1.2 白斑和微裂紋

白斑和微裂紋都是發(fā)生在基材內(nèi)部玻璃纖維與樹(shù)脂分離的現(xiàn)象，并表現(xiàn)為基材下的白色斑點(diǎn)或十字紋，其中白斑呈分散狀（見(jiàn)圖2），微裂紋呈陣列狀（見(jiàn)圖3）。

圖2 白斑

白斑的產(chǎn)生多源于印制板已受潮，并在受到熱應(yīng)力沖擊時(shí)，急劇的膨脹破壞了玻纖與樹(shù)脂結(jié)合的化學(xué)鍵，最終導(dǎo)致經(jīng)緯玻纖在交織處出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象；白斑常發(fā)生在大面積銅箔邊緣。由于白斑存在于基材內(nèi)部，并不會(huì)吸收離子污染物，也沒(méi)有證據(jù)能夠證明白斑會(huì)成為CAF（導(dǎo)電陽(yáng)極絲）的生長(zhǎng)通道，因此只要白斑的尺寸不大于0.80 mm且未跨接相鄰導(dǎo)體，是可以接收的；但白斑的存在降低了印制板的絕緣和抗電強(qiáng)度，尤其是高海拔、低氣壓環(huán)境下，絕緣性能下降更為明顯，因此對(duì)于高電場(chǎng)（通常指1000 V）和宇航用印制板，白斑不可接收。

圖3 微裂紋

微裂紋的產(chǎn)生通常是由于基材受到了外部強(qiáng)烈的機(jī)械應(yīng)力沖擊；微裂紋降低了基材的剛性和絕緣性，因此微裂紋區(qū)域不應(yīng)超過(guò)相鄰導(dǎo)體間距的50%，且在熱應(yīng)力、模擬返工或溫度沖擊試驗(yàn)后裂紋不應(yīng)擴(kuò)大；宇航用印制板不允許微裂紋。

1.3 粉紅圈

多層板內(nèi)層孔環(huán)處的黑化層（氧化銅）或棕化層（氧化亞銅）側(cè)緣，因受鍍孔工藝中強(qiáng)酸槽液的橫向浸蝕，而變?yōu)樵~色，當(dāng)這一區(qū)域超過(guò)了外層孔環(huán)的覆蓋范圍時(shí)，成品印制板上便可觀察到沿孔環(huán)邊沿分布的粉紅圈。目前還沒(méi)有證據(jù)證明粉紅圈會(huì)影響到印制板的功能性，因此粉紅圈可認(rèn)為是一種制程預(yù)警，只要未跨接相鄰導(dǎo)體，不應(yīng)作為拒收的理由；但粉紅圈的存在破壞了黑化層的微觀結(jié)構(gòu)，事實(shí)上降低了內(nèi)層銅箔與樹(shù)脂間的物理結(jié)合力，因此在印制板受到熱應(yīng)力沖擊時(shí)，如果出現(xiàn)了分層現(xiàn)象則不可接收；對(duì)于高密度印制板，粉紅圈的出現(xiàn)會(huì)增加CAF風(fēng)險(xiǎn)，因此必須進(jìn)行良好的管控；粉紅圈的出現(xiàn)，通常會(huì)伴有三角形的楔形空洞（已被電鍍銅填充），如圖4所示。

圖4 楔形空洞

1.4 銅鍍層空洞和最終涂覆層空洞

銅鍍層空洞會(huì)影響鍍覆孔的孔電阻和載流能力，成品印制板目檢時(shí)，孔內(nèi)不應(yīng)有銅鍍層空洞，因?yàn)槟繖z時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)的鍍層空洞，其尺寸通常較大，將對(duì)后續(xù)電裝的成品率和電路的性能產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。顯微剖切方法檢驗(yàn)時(shí)，允許銅鍍層厚度減少不超過(guò)規(guī)定銅鍍層厚度（通常為25 μm）的20%，但應(yīng)是孤立的且不大于板厚的10%，這是針對(duì)鍍覆孔個(gè)別位置銅鍍層厚度小于平均厚度要求，但又滿(mǎn)足最小銅鍍層厚度要求的情況；銅鍍層厚度小于規(guī)定值的80%（通常為20 μm），視為鍍層空洞，每塊板的空洞數(shù)不多于1個(gè)，且空洞的最大尺寸未超過(guò)板厚的5%時(shí)，可以接收，這是針對(duì)銅鍍層厚度小于最小銅鍍層厚度要求的情況；內(nèi)層導(dǎo)電層和鍍覆孔孔壁的界面處應(yīng)無(wú)鍍層空洞；宇航用印制板不允許銅鍍層空洞。典型銅鍍層空洞缺陷如圖5所示。

圖5 銅鍍層空洞

如果最終涂覆層空洞垂直方向的長(zhǎng)度不大于孔長(zhǎng)度的5%，并且橫向尺寸未超過(guò)孔周長(zhǎng)的25%時(shí)，鍍覆孔內(nèi)允許存在1個(gè)最終涂覆層空洞；過(guò)大的涂覆層空洞，尤其是當(dāng)暴露基底鍍銅層時(shí)，會(huì)極大地降低鍍覆孔的可焊性；宇航用印制板不允許涂覆層空洞。

1.5 阻焊膜

阻焊膜的主要作用是防焊、絕緣和減少印制板面污染。由于起泡、脫落、褶皺、跳?。┯。⑽軤羁障兜热毕?，均會(huì)導(dǎo)致PCB吸潮、藏匿污染物，導(dǎo)致印制板導(dǎo)電圖形間的絕緣性降低，增大電化學(xué)遷移的風(fēng)險(xiǎn)，因此均不允許。

圖6 阻焊膜厚度測(cè)量圖

如圖6所示，為保證阻焊膜對(duì)導(dǎo)體起到足夠的覆蓋保護(hù)作用，防止假性露銅等現(xiàn)象，B處的阻焊膜厚度應(yīng)不小于0.018 mm；A處阻焊膜厚度過(guò)厚，會(huì)導(dǎo)致其與鄰近待焊接焊盤(pán)高度差過(guò)大，阻礙焊料與焊盤(pán)的接觸，極易引起可焊性不良現(xiàn)象的發(fā)生，尤其是對(duì)于阻焊限定的連接盤(pán)的情形，因此基材上阻焊膜的厚度不應(yīng)大于0.1 mm；C處的阻焊膜厚度應(yīng)能覆蓋導(dǎo)電圖形。對(duì)于厚銅板，如銅厚大于70 μm（2 oz/ft2）以上的印制板，為保證C處阻焊膜不會(huì)出現(xiàn)暴露導(dǎo)體的情形，通常都會(huì)增大阻焊膜的印刷量，此時(shí)A處的阻焊膜厚度要求，可由供需雙方共同商定。

1.6 導(dǎo)電圖形尺寸

印制板導(dǎo)線(xiàn)的寬度和間距是衡量印制板加工質(zhì)量和工藝能力的重要尺度；由于邊緣粗糙、缺口或露基材的劃痕使導(dǎo)線(xiàn)寬度的減小應(yīng)不大于布設(shè)總圖規(guī)定的最小導(dǎo)線(xiàn)寬度的20%，由于孤立的突出、殘?jiān)驅(qū)ξ徊涣际箤?dǎo)線(xiàn)間距的減小應(yīng)不大于20%；對(duì)于微波印制板有阻抗控制要求的導(dǎo)線(xiàn)，上述缺陷造成的尺寸減小應(yīng)不大于10%。

2 顯微剖切要求

顯微剖切方法是評(píng)價(jià)PCB內(nèi)部質(zhì)量的重要手段，選取的試樣應(yīng)包括3個(gè)在同一直線(xiàn)上的鍍覆孔（涵蓋PCB上最小孔徑的孔），并在100X的放大倍率下檢驗(yàn)（仲裁檢驗(yàn)放大倍率不低于200X）。需要注意的是研磨和拋光應(yīng)使觀察面在孔中心±10%以?xún)?nèi)，否則將導(dǎo)致鍍層厚度測(cè)量結(jié)果誤差較大；鍍層分離的判定、殘銅引起的介質(zhì)層厚度的減小、芯吸長(zhǎng)度的測(cè)量，都應(yīng)在微蝕之前進(jìn)行評(píng)定；鍍層厚度（如鍍金層）小于1.25 μm時(shí)，顯微剖切方法的測(cè)量誤差較大，應(yīng)采用其它替代方法（如X-熒光鍍層測(cè)厚儀）進(jìn)行測(cè)量。

2.1 分層和層壓空洞

分層和層壓空洞都是在層壓制程中出現(xiàn)的缺陷，其中分層指的是基材中的絕緣層間或絕緣層與銅箔之間分離的現(xiàn)象，層壓空洞是指因樹(shù)脂填充不充分而出現(xiàn)的局部區(qū)域缺膠的現(xiàn)象。在受到較大的機(jī)械應(yīng)力或較強(qiáng)的熱沖擊時(shí)，極易出現(xiàn)分層的擴(kuò)大甚至爆板，導(dǎo)致失效。因此印制板不應(yīng)有任何形式的分層現(xiàn)象，層壓空洞的出現(xiàn)會(huì)降低印制板的絕緣性能，其尺寸應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。

熱應(yīng)力、模擬返工或溫度沖擊試驗(yàn)后，A區(qū)（鍍覆孔或微導(dǎo)通孔周?chē)?.08 mm以?xún)?nèi)的受熱區(qū)）的層壓空洞不做評(píng)定，但應(yīng)進(jìn)行分層的評(píng)定。因此，印制板在受熱后出現(xiàn)在內(nèi)層銅箔和基材之間的分離現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為狹長(zhǎng)、規(guī)則的形貌（分離界面整齊），并時(shí)常伴有內(nèi)層銅箔的變形，應(yīng)作為分層進(jìn)行判定不予接收；而出現(xiàn)在內(nèi)層銅箔和基材之間的層壓空洞，通常表現(xiàn)為一種不規(guī)則的形貌，其在A區(qū)的尺寸不做測(cè)量，只要其延伸部分在B區(qū)（層壓評(píng)定區(qū)）的尺寸不超過(guò)0.08 mm，允許接收（見(jiàn)圖7）。

圖7 出現(xiàn)在內(nèi)層銅箔和基材之間的分層和層壓空洞

2.2 樹(shù)脂凹縮和孔壁分離

層壓電鍍后的印制電路板，鍍覆孔孔壁背后的基材若未徹底硬化，在受熱后會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域繼續(xù)硬化聚合，造成樹(shù)脂從孔壁處退縮而出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象，稱(chēng)為樹(shù)脂凹縮。交收態(tài)印制板顯微剖切后，樹(shù)脂凹縮深度應(yīng)不大于0.08 mm，且被評(píng)定鍍覆孔每一邊上的樹(shù)脂凹縮應(yīng)不大于該邊基材累積厚度（被評(píng)定的介質(zhì)層厚度的總和）的40%。由于孔壁銅鍍層與基材結(jié)合力不足，印制板受熱后造成的孔壁與基材的分離現(xiàn)象，會(huì)極大地降低孔壁銅鍍層的機(jī)械強(qiáng)度，因此不可接收。

樹(shù)脂凹縮通常表現(xiàn)為沿孔壁邊緣向基材方向收縮的圓弧形，鍍覆孔孔壁形貌基本保持不變；而孔壁分離現(xiàn)象常常伴有孔壁的變形，且分離處兩側(cè)的形貌相似對(duì)稱(chēng)，呈彈開(kāi)狀態(tài)（見(jiàn)圖8）。

熱應(yīng)力、模擬返工或溫度沖擊試驗(yàn)后，樹(shù)脂凹縮產(chǎn)生的應(yīng)力只要未造成孔壁銅鍍層斷裂，可不進(jìn)行判定。

圖8 樹(shù)脂凹縮和孔壁分離

2.3 層間重合度

只要印制板最小內(nèi)層環(huán)寬不小于0.05 mm，即滿(mǎn)足層間重合度的要求，過(guò)小的內(nèi)層環(huán)寬甚至破孔現(xiàn)象，會(huì)極大地降低鍍覆孔和內(nèi)層導(dǎo)電圖形之間的互連可靠性。層間重合度測(cè)試不需單獨(dú)取樣，但為防止因顯微剖切的選取方向可能引起的誤判，應(yīng)對(duì)兩個(gè)附連測(cè)試板（“交收態(tài)”和“熱應(yīng)力”）分別沿長(zhǎng)度（X）方向和寬度（Y）方向進(jìn)行顯微剖切測(cè)試。

內(nèi)層環(huán)寬的測(cè)量應(yīng)在微蝕后進(jìn)行，并選取印制板各層中的最小環(huán)寬，從內(nèi)層孔環(huán)邊緣測(cè)量至內(nèi)層連接盤(pán)與孔壁連接處，如圖9所示。

圖9 內(nèi)層環(huán)寬測(cè)量示意圖

2.4 銅包覆鍍層和銅蓋覆鍍層

為保證鍍覆孔的高可靠性，樹(shù)脂塞孔工藝變得更為普遍，并對(duì)銅包覆鍍層和蓋覆鍍層提出了新的要求。銅包覆鍍層是指由孔壁鍍層延伸至表面連接盤(pán)上的銅鍍層，銅蓋覆鍍層是指覆蓋在塞孔絕緣材料和銅包覆鍍層之上的表面銅鍍層。

導(dǎo)通孔的銅包覆鍍層厚度應(yīng)不小于12 μm，測(cè)量的位置是表面連接盤(pán)除去基底銅和蓋覆銅之后的總厚度（見(jiàn)圖10）。

圖10 銅包覆鍍層厚度測(cè)量圖

樹(shù)脂研磨、蝕刻或整平處理，均會(huì)造成表面銅包覆鍍層厚度的減少，但不應(yīng)小于規(guī)定值的20%；銅包覆鍍層厚度不足時(shí)，會(huì)極大地降低連接盤(pán)上銅鍍層和基底銅箔之間的結(jié)合力，嚴(yán)重情況下，如過(guò)度研磨造成銅包覆鍍層厚度為零，極易在印制板受熱后，造成鍍層分離現(xiàn)象的發(fā)生（見(jiàn)圖11）。

圖11 銅包覆鍍層厚度不足引起的鍍層分離

銅蓋覆鍍層的常見(jiàn)缺陷是因塞孔樹(shù)脂固化不良或鍍層氧化，引起的銅鍍層空洞，以及因樹(shù)脂研磨不凈或清潔不良，引起的蓋覆鍍層與包覆鍍層之間的分離。由于樹(shù)脂塞孔不足或鏟平操作不當(dāng)，引起的銅蓋覆鍍層的凸起或凹陷，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以降低后續(xù)焊接時(shí)，因蓋覆鍍層平整度問(wèn)題可能引起的虛焊、橋連、焊點(diǎn)空洞等問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖12）。

2.5 凹蝕

圖12 銅蓋覆鍍層空洞

凹蝕默認(rèn)指正凹蝕，理想情況下鍍覆孔銅鍍層和內(nèi)層銅箔之間形成良好的三面連接；允許單側(cè)凹蝕陰影（凹蝕陰影未超過(guò)180°）的存在，即凹蝕應(yīng)至少對(duì)每個(gè)內(nèi)層導(dǎo)體的上或下表面產(chǎn)生作用，以保證可靠的連接要求，如圖13所示。凹蝕的尺寸是沿內(nèi)層銅箔接觸區(qū)開(kāi)始，測(cè)量至孔壁鍍層與內(nèi)層銅箔的最深接觸點(diǎn)，最小凹蝕深度為0.00 5 mm；過(guò)度凹蝕不僅會(huì)造成孔壁異常粗糙，并且其產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)引起內(nèi)層銅箔的斷裂，因此凹蝕深度不應(yīng)超過(guò)0.080 mm（宇航用為0.040 mm）或規(guī)定的最小內(nèi)層環(huán)寬（兩者中取較小值）。

圖13 正凹蝕

當(dāng)去鉆污使孔壁基材去除的深度小于沉銅前內(nèi)層銅箔的蝕刻量時(shí)，便產(chǎn)生了負(fù)凹蝕。行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的觀點(diǎn)是正凹蝕比負(fù)凹蝕更為可靠，但并不絕對(duì)，因?yàn)橄啾日嘉g，負(fù)凹蝕形成的孔壁更為平滑，且不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，也有觀點(diǎn)認(rèn)為對(duì)于長(zhǎng)期使用可靠性，負(fù)凹蝕更有優(yōu)勢(shì)。因此當(dāng)布設(shè)總圖未做凹蝕要求時(shí)，允許零凹蝕或負(fù)凹蝕的存在，如圖14所示。負(fù)凹蝕過(guò)度，可能會(huì)在凹蝕連接處夾雜污染物，造成鍍層空洞或鍍層分離的缺陷，因此其深度也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)（負(fù)凹蝕深度“X”應(yīng)不大于0.013 mm，負(fù)凹蝕深度“Z”應(yīng)不大于0.0195 mm）。

圖14 負(fù)凹蝕和零凹蝕

為避免凹蝕工藝和芯吸作用共同引起孔壁非金屬材料去除過(guò)度，造成導(dǎo)電圖形間絕緣和耐壓性能的降低，增大短路風(fēng)險(xiǎn)，由凹蝕和芯吸引起的介質(zhì)去除量的總和，不應(yīng)超過(guò)最大凹蝕允許量與最大芯吸允許量（0.08 mm）之和，如圖15所示。

圖15 凹蝕和芯吸引起的介質(zhì)去除深度

2.6 去鉆污

附著在內(nèi)層孔環(huán)上的樹(shù)脂鉆污，會(huì)破壞鍍覆孔孔壁與內(nèi)層導(dǎo)電層間的互連性，增大開(kāi)路風(fēng)險(xiǎn)，因此熱固性樹(shù)脂基材印制板鍍覆孔應(yīng)清潔、無(wú)樹(shù)脂鉆污。去鉆污和凹蝕是兩個(gè)互為關(guān)聯(lián)，但又相互獨(dú)立的工藝；凹蝕工藝通常伴有去鉆污的過(guò)程，但去鉆污卻不一定會(huì)產(chǎn)生凹蝕效應(yīng)。與凹蝕工藝相似，為避免鉆污去除過(guò)度造成孔壁異常粗糙，針對(duì)僅做去鉆污處理未作凹蝕的印制板，去鉆污使孔壁徑向除去材料的深度應(yīng)不大于0.025 mm。

因?yàn)椴牧咸匦栽?，熱塑性?shù)脂基材印制板允許內(nèi)層導(dǎo)體層處鉆污殘留不大于內(nèi)層導(dǎo)體厚度的25%，但不允許內(nèi)層導(dǎo)體層與孔壁鍍層分離。對(duì)于上述樹(shù)脂鉆污和鍍層分離的準(zhǔn)確區(qū)分，可行的方法包括兩種，首先是對(duì)形貌進(jìn)行觀察，相比樹(shù)脂鉆污，鍍層分離的界面更為整齊對(duì)稱(chēng)，并且樹(shù)脂鉆污通常會(huì)填滿(mǎn)分離面，而鍍層分離的位置往往在微蝕后表現(xiàn)為空洞狀態(tài)，如圖16所示；更進(jìn)一步的方法是借助能譜分析的方法進(jìn)行確認(rèn)，鉆污處非金屬材料成分應(yīng)與基材處相同。

圖16 樹(shù)脂鉆污和孔壁分離

當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)層導(dǎo)體存在樹(shù)脂鉆污時(shí)，應(yīng)做水平切片進(jìn)行仲裁，鉆污累積長(zhǎng)度未超過(guò)孔環(huán)周長(zhǎng)的33%（120°）可接收，如圖17所示。

圖17 水平切片仲裁樹(shù)脂鉆污（不可接收）

3 結(jié)語(yǔ)

所謂“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖”，軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)是保證軍用電子設(shè)備用印制板產(chǎn)品獲得最優(yōu)質(zhì)量的基本保證。因此，熟練的掌握標(biāo)準(zhǔn)要求，靈活的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定更為嚴(yán)格、適用的產(chǎn)品鑒定和驗(yàn)收規(guī)范，也是供需雙方協(xié)作共贏，實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益的保證。