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嘉峪檢測網 2021-10-19 21:47
引言
隨著電子制造的高密度化發展和無鉛化焊接的高溫要求，多層板的層間連接導通孔面臨越來越嚴苛的考驗，而導通孔的可靠性在一定程度上決定印制線路板的可靠性。
特別是電子組件（PCBA）的工藝復雜程度在不斷提高，印制線路板需要承受多個周期的溫度沖擊，較高的溫度沖擊對導通孔內層銅與孔化銅形成較大的應力作用，這就要求生產商不僅要滿足相應的出場檢驗標準，還要從過程控制的角度對導通孔的質量和穩定性進行關注。
印制線路板導通孔出現質量問題的原因有很多，本文基于孔銅斷裂的實際失效案例，對孔銅斷裂的內在機理進行探討和分析，并提出工程應用的關注環節和改善方向。
1、案例失效背景
某PCB在制造階段100%測試無異常，在SMT貼片后測試環節發現通孔開路失效現象，不良率在20%左右。
2、 CT結構分析
對開路通孔進行CT掃描分析，測試結果顯示：通孔孔壁均勻性較差，存在異常陰影，見圖1（a）；通孔孔銅平直度差。
圖1. CT掃描圖（a）三維結構圖；（b）虛擬切片圖
3、剖面分析
將開路通孔進行縱向剖切研磨，利用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對通孔剖面結構進行顯微觀察，結果如圖2所示：通孔存在明顯的環形裂紋，孔壁粗糙度較大，且PCB整孔不良。
圖2.失效通孔剖面形貌
如圖3、圖4所示，孔壁厚度均勻性較差，裂紋萌生擴展區的孔壁有效厚度極小。SMT回流焊接過程中，PCB經歷高溫沖擊，通孔承受垂直于板面的拉應力作用，孔壁較薄區域屬于應力集中區。
此外，值得注意的是裂紋內含有明顯異物，異物成分主要為碳、氧元素（見表1），說明PCB除膠渣不夠徹底。
圖3.失效通孔A區域微觀剖面形貌
表1. 孔銅裂紋處EDS結果 (Wt.%)
對通孔開裂區域孔銅的最小有效厚度進行測量，孔銅最薄厚度僅為9.87µm，不符合標準IPC-6012A中關于最小孔銅厚度的要求。
圖4. 失效通孔B區域微觀剖面結構
4、孔銅晶粒形貌分析
決定通孔孔銅性能的因素有：
1）孔銅宏觀結構，如厚度、粗糙度等；
2）孔銅微觀金相組織，如晶粒形貌。
將開路通孔縱向機械研磨拋光后，利用離子研磨（CP）對樣品表面進行處理，將處理后的樣品采用聚焦離子束（FIB）離子成像。
圖5是孔銅金相組織圖片，從中可以清晰觀察到失效樣品的孔銅晶粒屬于典型的柱狀晶形貌，正常批次樣品的孔銅晶粒接近于等軸晶。柱狀晶具有各向異性，即垂直于晶粒生長方向的性能較差；等軸晶具有各向同性，即各個方向上的材料性能幾乎一致，這也是為什么行業內要求孔銅金相組織要避免柱狀晶的原因所在。
圖5. 孔銅金相組織（a）失效樣品孔銅；（b）正常批次樣品孔銅
5、PCB 熱性能測試
SMT焊接過程中PCB所受熱應力主要與Z軸熱膨脹系數相關，Z軸熱膨脹系數越大的材料在經受熱沖擊時對孔壁銅的沖擊力就越大，就會更容易造成金屬化孔的斷裂。
依照IPC-TM-650 2.4.24C 玻璃化轉變溫度和Z軸熱膨脹（TMA法）的方法，對失效批次和正常批次的PCB光板進行熱性能測試。
測試條件如下：
1）預處理：105±2℃，2±0.25h；
2）升溫速率10℃/min；
3）保護氣氛氮氣。
測試結果見圖6和表2，失效批次與正常批次PCB光板Z軸熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度（Tg）無本質差異，說明失效批次和正常批次的PCB光板基體材料熱性能無區別，失效與基板材質無關。
表2.PCB Z-軸熱性能測試結果
圖6. Z-CTE測試結果
6、討論與分析
從測試結果來看，PCB孔銅開裂的原因主要有：
①鉆孔、除膠渣工藝不良，孔壁粗糙度大，孔內膠渣殘留，導致形成應力集中區，有利于裂紋的萌生擴展；
②孔銅厚度不足，嚴重不符合標準IPC-6012A的最低要求；
③孔銅晶粒屬于柱狀晶，降低了孔銅的抗拉強度。
鉆孔優劣會直接影響孔化前處理的難易程度和鍍覆孔的質量，過大的鉆污量會增加除膠渣和凹蝕的困難度。如果除膠渣不凈或者凹蝕效果不好，就會導致通孔存在局部應力集中，如本案圖3、圖4所示。
除膠渣工藝的目的是去除鉆污，鉆污清除不徹底會帶來多種可靠性隱患，例如降低內層銅與孔壁的結合強度，孔銅內壁形成應力集中區等。
化學鍍銅工藝是保證金屬化孔電鍍銅厚度和孔壁銅鍍層均勻性、延展性的核心工序，確保金屬化孔能夠承受焊接制程中的熱應力。本案中孔壁厚度和異常的金相組織（柱狀晶）嚴重惡化了孔銅的性能。
7、結論與建議
本案PCB通孔斷裂與PCB鉆孔工序、除膠渣工序、化學鍍銅工序直接相關，這三個制程均存在嚴重不良，屬于典型的制板工藝能力失控的表現。
建議：
鉆孔前烘板，優化鉆頭轉速和進給；
保證合適的凹蝕深度，可考慮等離子處理方法；
化學鍍銅后，建議對其電鍍質量進行切片確認，重點關注孔銅金相組織。
參考文獻：
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來源：電子制造資訊站
