半導體測試板PCBA分層氣泡分析

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

樣品描述

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(xiàn)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:

圖1 樣品外觀圖

數(shù)據(jù)分析

2.1 微切片取樣分析

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(xiàn),在此區(qū)域,PCB板內部出現(xiàn)分層現(xiàn)象,具體分析結果如下圖2所示:

圖2 “導通不良區(qū)域”切片觀察圖

通過上圖2,從垂直切片(1)的整體效果圖可以看出,此板分層主要發(fā)生在L21層與L22層之間;從垂直切片(2)可知,分層現(xiàn)象發(fā)生在PP片與棕化面的結合界面處;從垂直切片(3)—(4)可知,孔銅厚度為18—19μm左右,孔銅偏薄,且分層區(qū)域存在對鉆交刀口位置孔銅斷裂的現(xiàn)象。從分層位置水平剝離圖(5)—(6)可以明顯的觀察到,樹脂塞孔存在有塞孔空洞的現(xiàn)象,同時,分層位置處L21層棕化面上有部分樹脂孔的孔口斷面出現(xiàn)溢出物質的痕跡,且溢出物質沿著孔口逐漸向外擴散。

2.2分層位置表面形貌及元素分析

對L21層分層位置處的棕化面進行SEM觀察和EDS元素分析,分析結果如下圖3所示。

圖3 棕化面EDS分析結果

從圖3中L21層棕化面的EDS元素分析結果可知,分層處棕化面主要含C、O、Cu三種元素,無其他異常元素,說明正常棕化面未受污染。而部分樹脂孔斷面的溢出物質經SEM放大3000倍后,外觀表現(xiàn)為形狀規(guī)則的多邊形結晶顆粒形態(tài),且這些結晶顆粒主要含有C、O、S、K、Cu等元素,因此,推斷溢出物質中可能含有CuSO4藥水成分。

2.3 PCB板材分析

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。

圖4 TMA測試結果圖

2.4 板材吸水測試

使用TGA測試板材的吸水率,下圖5為測試結果:

圖5 吸水率測試結果圖

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%。

2.5 回流爐溫曲線分析

此板在我司P5進行SMT貼裝,回流爐溫曲線如下圖6所示:

圖6 回流爐溫曲線圖

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(xiàn)異常高溫的情況。

2.6分層過程模擬實驗

2.6.1 熱應力實驗

取孔徑為1.0mm的PTH孔,根據(jù)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:

圖7 熱應力實驗前后PTH孔銅變化

從圖7中(1)和(2)可知,直徑為1.0mm的PTH孔,孔銅厚度大于42μm,銅厚合格,無微裂紋現(xiàn)象;從(3)和(4)可知,熱應力測試后,PTH孔孔銅斷裂,且斷裂位置為對鉆交刀口處。

2.6.2半孔實驗

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:

圖8 半孔實驗結果

在半孔實驗過程中,隨著溫度升高,PCB板逐漸膨脹,板材膨脹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,隨著持續(xù)加熱,PCB內部會發(fā)生“孔銅和塞孔樹脂在拉伸應力下開始出現(xiàn)裂紋→孔銅和樹脂開始斷裂→裂痕逐漸延伸至基材上→裂痕進一步擴大”這樣一個漸變的過程。

2.6.3 PCB板其他區(qū)域確認

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:

圖9 “BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”切片觀察圖

通過上圖9可知,“BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”孔銅均有微裂紋, BGA區(qū)域樹脂塞孔飽滿,無塞孔空洞,且PCB內部未出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。

綜合分析

PCBA內部部分區(qū)域發(fā)生分層現(xiàn)象,內部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現(xiàn)為導通不良;
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(xiàn)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;
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%;
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(xiàn)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(xiàn)象,導致出現(xiàn)“導通不良區(qū)域”;
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(xiàn)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。

檢測結論

型號為HiZFXX5的PCBA由于內部部分區(qū)域發(fā)生分層現(xiàn)象,且內部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象,從而導致導通不良。

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