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嚴澤軍(麥可羅泰克(常州)產品服務****)
摘要隨著焊接工藝從有鉛向無鉛轉換，焊接溫度的提高，使pc b在焊接過程發生分層的風險加大。造成pc b分層的因素很多，文章通過一款產品的分層失效案例，來表述失效分析過程使用的方法和儀器裝置。
0 前言
隨著電子產品的功能越來越強大，作為電子元器件載體的pcb組裝結構也越來越複雜。純粹的回流焊或波峰焊已經無法滿足安裝要求，2次回流焊+1次波峰已變為常見焊接方式，另外含鉛焊料的禁用，焊接需要更高的溫度(由230 ℃提公升至250 ℃)，這對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次回流焊後分層失效的分析。
(1)失效現象和不良比例：與客戶溝通後了解到，這款產品在2次回流焊後區域性區域有分層起泡現象，分層起泡位置沒有固定位置，不良比例大約在90%以上。
(2)結構設計：4層板，疊構是外層銅箔(1 oz)+粘結片+芯板(2 oz銅箔)+粘結片+外層銅箔(1 oz)，無埋、盲孔設計。此產品已經過多批次量產，之前未發現分層起泡現象。
(3)生產狀況：鑽孔引數、層壓工藝、棕化工藝、回流焊工藝正常。
(4)存貯條件：該產品使用的粘結片和芯板儲存的溫度和濕度正常。
(5)通過以上調查，初步排除了鑽孔、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
隨機選取2塊失效樣品，在每塊樣品上用金剛石刀片移取3個分層區域進行垂直剖切，切片顯示所有分層均發生在外層銅箔和粘結片之間，導體的「銅牙」長度和導體底部的「忌廉層」厚度沒有明顯異常(見圖1)。
2.2 分層面外觀分析
在失效樣品上用手術刀片把分層區域剝開，在放大鏡下觀察分層面是否存在異常，分層面未發現有明顯劃傷、異物和銅箔氧化變色等異常。
2.3 材料吸濕導致的分層分析
(1)pcb板材如果吸入了過量的水分，在焊接到達高溫階段時，板材內的水分被瞬間汽化膨脹，使pcb發生分層爆板。
(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)試驗儀中，以公升溫速10 ℃/min從室溫公升到105 ℃，並恆定120 min。分析掃瞄曲線，求出吸水量，pcb 的吸水量是0.18%(見圖2)，符合企業技術要求(一般ccl企業規定板材吸水量應小於0.35%，如果大於這個值，pcb在焊接中有分層爆板的風險)。
(3)模擬回流焊驗證實驗：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，使樣品中水分徹底去除。然後參照ipc-tm-650方法2.6.27進行模擬回流焊(峰值溫度260 ℃±5 ℃)測試，回流焊引數如圖4所示。測試結果顯示有1塊樣品在過完第一次回流焊後就出現了分層起泡，其餘的最多在過完三次回流焊也出現了分層起泡(對於汽車板，一般要求5次回流焊後無分層起泡現象)。該實驗說明此產品的分層起泡與板材是否吸濕無關。
2.4 材料耐熱性分析
2.4.1 玻璃化轉變溫度( t g )和固化因素(△ t g )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，然後放在乾燥器中儲存至少0.5 h，冷卻至室溫。將樣品壓入鋁盤中，並安裝在dsc儀的平台上，以20 ℃/min的速率從30 ℃到190 ℃進行預掃瞄，後立即冷卻到初始溫度。以速率20 ℃/min掃瞄到210 ℃。如果需要固化因數，在210 ℃恆溫(15±0.5)min後立即冷卻到初始溫度，以速率20 ℃/min進行第二次公升溫，公升溫至210 ℃。分析掃瞄曲線，求出玻璃化轉變溫度和固化因數，檢測結果符合技術要求( t g 要求150 ℃以上，△ t g 要求3 ℃以內)，見表1和圖5。
2.4.2 z軸熱膨脹係數
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(內層無銅區域)，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，然後放在乾燥器中冷卻至室溫；將試樣安裝在tma儀的平台上，並對其施加5 g的負荷。；以10 ℃/min的公升溫速率從室溫加熱到260 ℃；分析掃瞄曲線，求出z軸熱膨脹係數，檢測結果符合技術要求( t g 前小於50 μm/m℃，pte(熱膨脹百分比)小於5%)(見表2、圖5)。
2.4.3 結論
從以上分析資料可知，樣品的 t g 、△ t g 及cte均符合客戶技術要求，說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顯示外層導體一側的銅箔粗糙面上大部分區域沒有明顯的樹脂殘留，說明pcb在壓合後銅箔與樹脂間結合力較差。從銅箔粗糙面的形貌來看，粗糙度均勻性不佳(見圖6)；eds顯示分層面未發現異常元素，排除了汙染造成的分層(見圖7)。
(2)未壓合的銅箔(與失效樣品同批次)粗糙麵用sem/eds分析，sem顯示銅箔粗糙面大部分區域很平坦，沒有形成均勻的粗糙形貌(見圖9)。銅箔在加工中有乙個粗化、固化處理過程，處理完後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，使銅箔與樹脂結合後的粘結強度增大。
2.6 銅箔的抗剝離強度驗證試驗
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左右寬度的導線若干條，然後按ipc-tm-650方法2.4.8把樣品上導線夾在拉力機上，以恆定速率50 mm/min的速度，至少剝離25.4 mm長的導線，記錄最小平均剝離力(lm)，檢測結果顯示導線剝離強度在(0.82~1.10)n/mm(客戶技術要求是大於1.5 n/mm)，銅箔的抗剝離強度明顯偏小。
3 總結和建議
pcb分層失效機理是由銅箔和粘結片高溫壓合後形成物理結合，但不同材料的膨脹係數存在差異(樹脂的熱膨脹係數遠大於銅箔)，形成內部應力。一旦內應力超過銅箔與粘結片樹脂間的結合力，就會導致原來粘合在一起的結合面分離出現分層。
pcb板材的耐熱性正常。銅箔粗糙面瘤化不均勻，導致壓合後銅箔與樹脂間結合力偏小，是造成pcb在焊接受熱後分層的主要原因。
銅箔廠對銅箔的外觀檢驗主要通過目視檢查或光學顯微鏡檢查，以上方法無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)和銅箔的抗剝離強度測試。銅箔粗糙面形貌不良往往是整批次的，做成pcb成品後將會造成巨大的經濟損失。
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