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PCB可靠性问题概述
PCB工艺质量缺陷分析及控制方法
PCB润湿不良失效机理及案例分析
PCB分层爆板失效控制方法
PCB CAF失效机理及案例分析
典型失效案例分析
• PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分， 其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。下料CT→ 内层DF1→ 压合ML→ 钻孔DR → 一銅Cu1 → 線路DF2 → 二銅Cu2→ 蝕刻SES→ 防焊SM→ 喷锡HAL → 文字WP→ 成型RT→ 电测OS→ 成品检验VI钻孔
去胶渣 通孔质量
电镀
压合
表面处理
据委托单位反映，导通孔因断裂开路， 1135周产品在焊后ICT功能测试中失效，失效比率100%![]()
孔铜出现断裂，断裂位置基本位于孔中部，铜镀层厚度较为均匀，相对较薄处铜厚在24μm左右，PCB板未爆板分层和焊盘起翘，部分孔铜断裂位置发现基材开裂现象镀层显微结构缺陷—局部开裂照片![]()
1 样品描述：所送5种型号的PCB有开路和短路现象。1 样品描述：委托单位反映该样品FPC焊盘表面处理为化学镍金(ENIG)，在过完SMT后，连接器、电阻、LED焊接元件容易脱落，且脱落后焊盘表面为金色。1 焊料和器件焊端润湿良好，合金层为Sn Cu合金2 器件断裂面的主要元素为Ni Au P，说明断裂不是发生在焊料中或者IMC和焊盘之间。3 焊点的SEM&EDS分析表明，焊盘的ENIG结构异常。 造成元件脱落的根本原因是FPC焊盘的镀层结构异常。 导致FPC焊盘镀层结构异常的原因是化学镍金工艺控制不当。PCB结构完整性测试
外观检查/尺寸测量
热应力
金相切片分析
PCB关键性能测试
可焊性测试
热冲击试验
漂锡：IPC通用的方法，一般为1次（288 ℃、10秒 ），对HDI为5次（260 ℃、10秒 ）
浸锡：PCB企业内部常用，较严酷
热油：260 ℃ /20秒
模拟回流焊：分为215 ℃ /245℃/260℃，6次（IPC-TM-650 2.6.28）
热应力+金相切片是PCB评价中相对手段简单但最实用、最直观一种方法。θ=焊料和母材之间的界面与焊料
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表面切线之间的夹角
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焊点的最佳润湿角
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Cu-Pb/Sn 15～45 °
当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿。
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良好的润湿是形成良好焊点的基础![]()
润湿良好和润湿不良照片示意图 液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。
液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。
当焊料与被焊金属之间无氧化层和其它污染物。
不润湿（nowetting）
反润湿（dewetting)
焊盘严重氧化（通常表面处理工艺有关系）
焊盘受到有机物等污染
焊盘表面存在杂质膜（如不可焊的白油）等物质
焊盘氧化：
焊盘表面处理异常
注：反润湿和不润湿的最大区别在于直接接触面的可焊性存在差异。立体显微镜（判断润湿的类型）
金相切片（判断焊料和PCB焊盘之间润湿的情况）
扫描电镜和能谱分析（判断氧化和污染情况）
红外显微镜（判断有机污染的情况）
可焊性验证试验（验证特定情况下的可焊性）
锡铅或无铅热风整平（HASL）
Au/Ni：化学镀Ni和浸镀金（ENIG）
OSP：Cu表面涂覆OSP
浸银工艺（I－Ag）
浸锡工艺（I－Sn）
1 样品描述：委托单位称上述PCBA存在明显的吃锡不良现象（图中红色箭头标示处），且上锡不良均发生在第二次焊接面，通过改变锡膏、PCB板及不同的生产线都无法改善。![]()
PCB裸板焊盘的金相切片表明，焊盘可焊性镀层厚度不均匀，局部位置无明显的可焊性镀层![]()
存在焊接后残留1 由于润湿不良均发生在后焊一侧、故可能与高温过程导致的可焊性退化有关。由于高温作用导致焊盘的可焊性下降，从而加剧PCB焊盘可焊性不良 。2 PCB裸板的金相切片分析表明，PCB焊盘的可焊性镀层厚度不均匀，局部位置可焊性镀层在金相显微镜下观察不明显。局部位置可焊性镀层偏薄将导致PCB在经过一次回流焊接后，可焊性镀层全部参与合金和高温氧化，而导致PCB焊盘可焊性下降。 PCB焊盘的可焊性镀层厚度不均匀，局部位置的可焊性镀层偏薄，在经过一次回流焊接后，锡铅可焊性镀层与PCB Cu焊盘之间形成合金，降低了PCB焊盘的可焊性。 PCB焊盘的可焊性不良导致焊料在PCB一侧润湿不良，焊料全部爬升到器件引脚一侧，并在器件引脚和PCB焊盘之间形成较多的残留，进一步阻止焊料在PCB焊盘一侧的润湿，导致PCB焊盘的吃锡不良。![]()
润湿不良的PCBA与PCB裸板![]()
Representative SEM Views and EDS Spectrum of the PadsHASL工艺不当导致焊盘表面全部合金化，导致焊盘的可焊性下降是导致润湿不良的原因。2 通常不良出现在第二次焊接的表面或者面积较大的焊盘表面3 不适当的烘烤或者存储也可能导致该问题的产生，故要严格控制HASL板的烘烤处理4 为了避免该类失效的产生，最好对HASL层的最低厚度提出要求；控制方法：加强无铅喷锡PCB的存储控制，避免不必要的高温烘烤。对来料的PCB镀层厚度进行严格控制，原则上喷锡厚度要求在3um以上。ENIG为PCB和BGA封装基板焊盘表面处理，主要用来防止Cu焊盘的氧化，并得到可焊接的表面。黑盘是和ENIG处理的相关失效。在元件组装过程中，焊料对焊盘不润湿，不润湿的焊盘会显著变黑－－－黑盘的最初来源。所检焊盘浅表面存在10.2wt％的镍（Ni）元素，且在蚀刻3分钟后，镍（Ni）元素含量随着蚀刻时间的增加而增加。镍元素已经扩散到Au层表面3 Ni层已经扩散到Au表面-Ni氧化将导致Au层不溶解4 Ni层中存在明显的裂缝为镍扩散到Au表面创造了条件5 引脚一侧焊接良好表明焊接工艺和锡膏等应该不存在明显问题镍层扩散至金镀层浅表面而氧化以及镍层存在较严重的裂缝降低了PCB焊盘的可焊性，从而导致焊盘上锡不良。![]()
失效模式：焊接后，部分焊盘上锡不良，焊盘发黑。![]()
上锡不良位置存在明显的镍层开裂现象，且镍层中磷含量明显偏高黑焊盘的典型特征![]()
镍层存在明显的侧向腐蚀痕迹![]()
样品外观照片及脱落后焊盘照片![]()
未焊接部位的SEM照片：存在较多的腐蚀和空洞![]()
未脱落的焊点金相分析 1）存在润湿不良 2）镍层存在腐蚀1）已脱落器件对应焊盘位置发现了金元素，表明焊料对金的润湿存在异常。同时该位置存在一定的镍腐蚀。2）未焊接空焊盘镍层存在明显的腐蚀，且侧向腐蚀较严重。3）随机选择的焊点切片表明焊点内部均存在不润湿现象。显然，焊点不润湿降低了焊点的强度是导致器件脱落的直接原因，而焊料对焊盘不润湿的原因则可能与镍层存在腐蚀相关。1）焊盘表面的局部润湿不良是造成焊点强度不足甚至掉件的主要原因。2）焊盘表面镀层的质量不佳会降低焊盘的润湿能力继而降低焊点的强度。4）失效原因为PCB化镍金异常，和工艺的相关性不大对PCB供应商的化学镍金工艺进行控制来料PCB进行SEM分析和孔隙率测试![]()
在焊接过程中PCB发生分层，孔铜断裂是常见的失效模式焊接过程中由于高温导致基材等材料的变形或者分解，以及PCB吸收的水分等气体的作用产生了内部应力是导致PCB分层的原因1）无铅焊料需要50-70秒的再流时间来保证充分铺展。![]()
主要问题为热损伤（器件、PCB）在回流焊接条件下，PCB板内的水蒸气压力远高于传统的锡铅焊接---目前PCB问题的根源之一氮气氛围下，10℃/min的升温速率，室温至足够高的温度，当失重为5％时对应的温度，即PCB的使用上限。依据IPC-TM-650 2.6.8标准，对PCB空板进行热应力分析，预处理：在125℃烘箱中烘烤6小时；
焊锡：Sn63Pb37；
温度：288℃；
浮焊时间：10s；
次数：1次；
助焊剂：松香助焊剂。
预处理：在110℃烘箱中分别烘烤6小时及24小时；将PCB0814样品进行吸湿率测试（测试条件：110℃烘烤24小时后，常温泡蒸馏水24小时。相对于IPC-4101B规范中对一般Tg（Tg温度110℃～150℃）基材的CTE要求α1-CTE之上限为60ppm/℃，α2-CTE之上限为300ppm/℃，PTE上限为4.0％。PCB的Tg以内的热膨胀系数（α1-CTE）在68.68ppm/℃，Tg以上的热膨胀系数（α2-CTE）在343.3 ppm/℃，Z轴膨胀百分比（PTE）在4.76%，均超出了规范的上限。PCB板中铜CTE约为16～17ppm/℃，与α2-CTE的差距过大容易引起通孔中孔环的断裂（Crack）、铜环自板材拉起、局部扯裂或爆板分层（Delamination）的情况。板内潮气是导致PCB板发生爆板失效的原因。PCB本身的高吸湿性能及板材本身物理性能的退化（Tg值相对较低，CTE值相对较高）进一步增大PCB在随后的工艺过程中发生爆板失效的可能。（纸质PCB最多不超过3个月，玻璃纤维不超过6个月）拆封后的PCB最佳生产时间：24小时内完成SMT焊接![]()
失效现象：波峰焊接后存在爆板![]()
泡分层均发生在内层铜的棕化面与外层粘接材料的树脂之间，内层铜棕化面上无树脂粘附，表面颜色发红而非良好的深棕色，而相对应部位的树脂面很平整起泡分层均发生在PCB外层，在起泡分层最严重的中心区域的内层铜棕化面上几乎无树脂粘附，粘接材料的底面树脂断面较平整，说明在层压之后，此处的树脂与内层铜没有粘接在一起形成一个整体PCB起泡失效是由于PCB板在层压之后，局部内层铜与粘接材料没有通过扩散、渗透而交织成一个整体，即发生内层铜与粘接材料之间的分离；在焊接高温过程中的热膨胀，促使这种分离进一步加剧，并使分离面发生延伸，使得外层粘接材料内部也发生分层，而造成内层铜与粘接材料在层压之后发生分离是由于内层铜表面棕化不良所致结论：PCB起泡失效的根本原因是由内层铜表面的棕化不良所致![]()
表面形貌![]()
切片形貌辅助判断信息：热性能测试结果合格；工艺参数主要是最高温度无异常；其余层间无分层现象。爆板分层都出现在PCB板的大铜面上且基本为大焊盘，具体表现为铜箔鼓起。用刀片将鼓起处的铜箔割开，在光学显微镜下发现底下的基材表面凹凸不平，且局部有玻纤裸露及白色物质用刀片将良好焊盘的铜箔剥离，在光学显微镜下发现基材表面平整，无玻纤裸露爆板分层发生表面铜箔下的树脂层，爆板分层处鼓起铜箔下表面“锯齿”部位完全被树脂填充，说明铜箔粗化良好，具有良好的粘接性，而在基材表面局部有玻纤裸露，说明该处树脂有缺失，而没有鼓起处的铜箔下树脂量较鼓起处明显要多。![]()
失效样品树脂形貌和良品形貌对比爆板分层处的基材表面则凹凸不平且局部裸露玻纤。![]()
OK品割破表层铜箔对基材表面检查，发现分层处的基材表面凹凸不平，且局部有露玻纤现象，而没有出有爆板分层的基材表面则很平整，无玻纤裸露，鼓起部位存在玻纤裸露说明该处树脂量相对正常位置的较少。金相切片分析发现爆板分层发生在基材的树脂层，铜箔下表面“锯齿”部位完全被树脂填充，证明铜箔粗化良好，有良好粘结性能，说明爆板分层与铜箔粘结性能无直接关系；鼓起和非鼓起位置的金相切片对比分析表明，铜箔鼓起处树脂量和正常位置的相比偏少。电子微镜（SEM）下发现无爆板分层处的基材表面呈现良好的蜂窝状，而出现爆板分层处的基材表面则凹凸不平且局部裸露玻纤。大铜面位置的树脂量不足及焊接过程中板内水汽或挥发性物质在高温下体积膨胀产生的较大外力的共同作用可能是导致印刷电路板（PCB）在焊接后爆板分层的主要原因。20世纪70年代，贝尔实验室发现了一种新的失效机理，表现为导体间绝缘电阻突然地难以预料的下降。该失效模式表层下含铜的丝状物生长。发现为从阳极向阴极。 bell实验室给出了该失效的模型：玻璃/环氧结合的物理破坏－－吸潮出现水介质－－形成了电化学迁移通道－－－导电阳极丝形成。![]()
孔到孔的结构更容易导致CAF的形成由于电镀通孔壁直接和玻璃纤维直接接触。导线到导线最难形成CAF![]()
导体结构基板材料对CAF的影响主要体现为吸水性和抗分层能力等方面。不同基板材料CAF的敏感性程度如下：MC-2>Epoxy/Kevlar>FR-4>PI>CEM-3>CE>BT为了确保不形成CAF，层压板最好选用BT。基板要素导致CAF案例分析电压梯度是形成CAF的另外一个关键因素。平均失效寿命和电压梯度之间的关系为：C 和d为常数；Ea为激活能；T为温度；L为导体间距；V为电压在焊接过程中，当温度达到PCB的玻璃转化温度后，聚乙二醇会扩散进入环氧基板，从而增加基板的吸湿性能，提高CAF形成的机会。应该尽量避免采用含氢溴酸的助焊剂或者熔融液体。在焊接过程中，过高的焊接温度会增加聚乙二醇等助焊剂材料的的吸收，同时增加PCB分层失效的可能，从而导致CAF形成的可能性大大增加。当湿度低于一个临界值时，CAF不会形成。临界值和工作的电压和温度相关。在产品的整个生命周期要求控制环境条件，特别是湿度的控制。委托单位反映失效样品在开机按TV键后P键出现连续拨号现象1）失效样品在开机按TV键后出现P键连续拨号的现象，通过模拟试验发现此现象与持续按住P键呈现的现象一样，说明P键的内环与外环之间极可能出现一个漏电通道。委位映![]()
失效现象：指定点之间电阻明显偏低，存在一定的漏电失效结论：导通孔之间绝缘电阻降低是由于导电性阳极丝（CAF）生长所致完结——以下无正文
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