半導體測試板PCBA分層氣泡分析

分層樣品為Harbor生產的一塊PCBA樣品,型號為HiZFXX5。客戶反饋此板存在局部網絡開路問題,現對導致樣品局部網絡開路的原因進行排查和失效分析。樣品外觀如下圖1所示:

對上圖1所示的PCB板 “導通不良區(qū)域”進行取樣,通過微切片法對樣品進行切片制作,使用顯微鏡進行金相分析,排查PCB內部網絡導通情況。通過觀察后發(fā)現,在此區(qū)域,PCB板內部出現分層現象,具體分析結果如下圖2所示:

客戶反饋該板使用的材料為M6板材,使用TMA測試板材的固化度、CTE和PTE,分析方法按照IPC-TM-650標準中規(guī)定的進行,分析結果如下圖4所示。

由上圖可以看到,板材實際吸水率為0.18%。這說明此板在經2遍回流后,板材吸水率為0.18%。

從圖6可知,回流曲線的平均峰值為212.0℃,液相線183℃以上熔錫時間為76.8S,為正常的有鉛回流溫度,未出現異常高溫的情況。

取孔徑為1.0mm的PTH孔,根據IPC-TM-650 2.6.8標準,進行熱應力測試,然后進行孔銅切片分析,比較熱應力前后孔銅的變化,分析結果如下圖7所示:

對微切片加熱至350℃,在立體顯微鏡下進行半孔實驗,觀察PCB內部在受熱過程中隨溫度升高所發(fā)生的變化過程,在持續(xù)加熱過程中,觀察孔銅結果如下圖8所示:

為了進一步驗證PCB板其他區(qū)域在回流焊過程中所受到的影響,對“BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”取樣進行切片分析,分析結果如下圖9所示:

1. PCBA內部部分區(qū)域發(fā)生分層現象,內部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現為導通不良;

2. 分層主要發(fā)生在L21層棕化面與PP片的結合界面處,且樹脂塞孔存在有塞孔空洞的現象,同時,有部分樹脂孔的孔口斷面有CuSO4藥水溢出殘留的痕跡,這說明在分層之前,樹脂孔內部存在有塞孔氣泡,甚至部分孔內部殘留有藥水成分;

3. 板材固化度為ΔTg=-2.68℃,表明固化完全,PCBA板材吸水率為0.18%,說明此板經2遍無鉛回流后吸水率為0.18%;

4. 且板材的實測CTE值為a1=59.65ppm/℃,a2=355.2ppm/℃(大于供應商給的參考值260 ppm/℃),PTE=3.776%;在回流焊受熱過程中,板材CTE過大會導致PCBA板材快速膨脹,板材膨脹又對孔銅產生拉伸應力作用,而且,在對鉆交刀口位置或是孔銅最薄弱的位置處應力較集中,因此,在“BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”的孔銅出現微裂紋,同時,部分樹脂孔中的塞孔氣泡和殘留藥水成分因受熱體積劇烈膨脹,從孔銅裂紋處溢出,使PCBA內部應力進一步增大,最終導致局部區(qū)域PP與棕化面之間發(fā)生分層和孔銅斷裂的現象,導致出現“導通不良區(qū)域”;

5. 通過熱應力和半孔實驗模擬PCBA內部在受熱過程中的膨脹變化過程,也進一步證明了由于板材CTE偏大,當持續(xù)受熱時,PCBA內部會先發(fā)生孔銅和塞孔樹脂開始出現裂紋,并逐漸開始斷裂,裂痕再逐漸延伸至基材上,然后進一步擴大這樣一個漸變的過程。

型號為HiZFXX5的PCBA由于內部部分區(qū)域發(fā)生分層現象,且內部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現為導通不良,導致分層的主要原因為:板材CTE過大,受熱膨脹對孔銅產生拉伸應力作用,導致對鉆交刀口位置或是孔銅偏薄的位置處應力集中,孔銅出現微裂紋;而部分孔中殘留有塞孔氣泡和藥水,則進一步導致這些區(qū)域發(fā)生分層和孔銅斷裂的現象,從而導致導通不良。