复旦材料失效分析课件第5章材料表征分析方法第1节高端PCB用复合材料的失效分析

2011全国失效分析学术会议大会报告2011.9/西安高端PCB用复合材料的失效分析杨振国提要1.PCB技术的发展趋势2.PCB产品的质量状况3.PCB的失效形式和原因4.PCB的表征分析方法5.典型案例的失效分析2011.9/西安1.PCB技术的发展趋势2011.9/西安1.PCB技术的发展趋势●PCB(PrintedCircuitBoard)的功能印制电路板（PCB/FPC）是由金属体与绝缘体交替叠合的、并经热压及电镀互连的一种层状复合材料。作为微电子器件的载板，PCB有三个功能：1)支撑器件；2)互连器件；3)传送电子信号。●高密度PCB是指互连微孔及线间距均小于150um。●我国从2008年起PCB产值占世界第一位。*2011年产值为1520亿元，占世界份额的40％;2018年产值为1800多亿元，占世界份额的50%左右。2011.9/西安●当今微电子产品的特征是:“轻、薄、短、小”微电子产品向小型化、环保化、多功能化发展，促使PCB向高端化、低成本化方向发展。(1)微电子产品小型化PCB高密度化、互连线精细化(2)微电子产品环保化PCB无铅化、无卤化、加成化刚挠结合PCB(3)微电子产品多功能化IC载板埋嵌元件PCB光电一体PCB1.PCB技术的发展趋势2011.9/西安年份IC线宽（μm）PCB线宽（μm）比率(IC/PCB)197033001:10020000.18100~301:560~1:20020100.05101:200表1集成电路(IC)的微型化促进PCB的高密度化1.PCB产品的发展趋势*林金赌，现代印制电路板的技术进展，2010中日印制电路技术交流会，深圳，2010.102011.9/西安组装技术通孔插装（THT）表面贴装(SMT)芯片级封装（CSP）系统封装（SIP）系统板（SIB）面积比率80:17.8:1≤1.2:1≤0.8:1/典型元件DIPQFP→BGAμBGASIB薄/超薄元件典型I/O数16~64121~1600≥1000≥3000/典型PCB单、双和多层PCB埋、盲孔PCB刚挠PCB高密度PCBIC载板部分埋嵌元件PCB/光-电PCB埋嵌元件PCB/光-电PCB现状衰老期高峰后期高峰前期发展期萌芽期表2组装技术推动PCB的高密度化1.PCB技术的发展趋势2011.9/西安智能手机用刚挠结合的FPC用量1.PCB技术的发展趋势2011.9/西安2000年后世界FPC/PCB比值的增长率1.PCB技术的发展趋势2011.9/西安2.PCB产品的质量状况2011.9/西安●国际IPＣ对PCB成品的验收要求出厂次品率：﹤300ppm(0.03%）●我国PCB产品合格率的现状(1)常规PCB：95％～98％,但无铅化后下降到95％；(2)高密度积层PCB：﹤90％；(3)刚挠多层PCB:﹤65％；(4)IC载板:﹤75％。●我国PCB的损耗量按2011年PCB产值1520亿元的5％次品率计算，每年损失就超过76多亿元人民币，损失巨大！2.PCB产品的质量状况2011.9/西安●PCB/PCBA的互连线、焊点、界面出现缺陷或故障都会引起整机故障，严重时导致重大经济损失和人员伤亡，影响社会的稳定。●曾发生的二起重大事故与PCB有一定的关联性（1）2011.7.23甬温动车（D301与D3115）追尾事故：传感器信号及显示板系统故障；（2）京沪高铁CRH380BL动车组：热轴误报、自动降弓和牵引丢失等故障。●IPＣ还没有制定PCB的失效分析技术的标准！2.PCB产品的质量状况2011.9/西安3.PCB的失效形式和原因2011.9/西安●PCB的失效模式PCB/PCBA在SMT后及使用时，一般出现三种典型的失效形式：（1）信号传送终止：短路、开路（断路）；（2）信号中断：瞬间短路或瞬间突变；（3）信号改变：漏电流、阻抗增大等。●PCB的失效模式就是电气失效这种失效与热的、电气、机械、化学、物理、材料、设计、环境等多因交互作用有关。只有开展系统的失效分析，才能找到失效的根本原因。3.PCB的失效形式和原因PCB的缺陷类型及其失效原因设计缺陷材料缺陷加工缺陷表面缺陷电镀缺陷钎焊缺陷焊料缺陷绿油缺陷存放缺陷使用缺陷选材不当、器件配置不适、EMI欠考虑材质不均、互连线不良、CTE不匹配界面分层、孔壁沾污、制孔偏心、底片划伤、层合欠准表面污染、孔壁残渣、棕化不良、工艺不佳、OSP不均镀层不规整、铜层开裂、镍黑盘、杂质吸附、药剂不良虚焊、塌陷、孔洞、冷脆、回流焊不当氧化、浸润不良、焊膏不均、焊剂飞溅绿油开裂、老化、厚度太薄翘曲变形、吸湿气、表面玷污、放置过长ESD、EOS、EM、CAF、过热、污染、跌落、锡须2011.9/西安●PCB制程易产生缺陷的六个工艺：♦表面处理工艺♦图形转移工艺♦化镀电镀工艺♦热压层合工艺♦互连孔制作工艺♦表面回流焊工艺●PCB最棘手的四种缺陷：孔壁分离、可焊性不良、层间分层和镀层内应力。3.PCB的失效形式与原因2011.9/西安4.PCB的表征分析方法2011.9/西安●PCB失效分析的特殊性PCB与金属一样，也涉及断裂、腐蚀、磨损、畸变和衰减等失效模式，但由于材料多样化、工艺复杂化、结构微细化和尺寸效应化，其失效机理和缺陷定位比金属难得多，需要对缺陷微区乃至整体进行力学的、物理的、化学的、电学的等性能的综合分析。PCB的失效与基材、线条、表面、界面、焊料、器件及使用密切相关。只有系统分析，才能确定失效模式、失效机理、失效缺陷与失效起因的相互关系。这些通用表征分析方法大致分为十类。4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（1）缺陷定位技术♦自动光学检测（AOI）♦X-ray检测（X-ray）♦计算机断层扫描（CT）♦扫描声学显微镜（SAM）♦发光显微镜（EMMI）♦激光扫描显微镜（OBIRCH）♦红外热相分析（IRTI）♦红外显微镜（IRM）♦染色与渗透检测（Dye&Prytesting）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（2）宏微观形貌观察♦三维体视显微镜（3D-SM，无损）♦红外显微镜（IRM）♦光学显微镜（OM）♦扫描电子显微镜（SEM+EDS,EBSD,XRF）♦聚焦离子束（FIB）♦透射电子显微镜（TEM+EDS）♦原子力显微镜（AFM）♦扫描隧道显微镜（STM）4.PCB的表征分析方法（3）材料成分分析♦直读光谱仪（OES）♦X射线荧光光谱仪（XRF）♦激光诱导击穿谱仪（LIBS）♦能谱仪（EDS）♦波谱仪（WDS）♦红外光谱（FTIR）♦核磁共振谱（NMR）♦紫外-可见光光谱（UV-Vis）♦电感耦合等离子体-原子发射光谱（ICP-AES）♦电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）♦石墨炉原子吸收光谱（GF-AAS）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（4）表界面成分分析♦X-射线光电子能谱（XPS/ESCA,化学价态）♦俄歇电子能谱（AES）♦二次离子质谱（SIMS，H成分）♦拉曼光谱（RAMAN）♦紫外光电子能谱（UPS，价电子结构）♦电子能量损失谱（EELS）♦低能电子衍射（LEED）♦卢瑟福背散射谱（RBS）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（5）物相分析♦金相分析（MA）♦X-射线衍射（XRD）♦电子背散射衍射（EBSD）♦透射电子显微镜（TEM）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（6）材料热性能分析♦热失重分析（TGA）♦示差扫描量热分析（DSC）♦差热分析（DTA）♦热机械分析（TMA）♦同步热分析（STA）♦热重-质谱联用仪（TGA-MS）♦热重-红外联用仪（TGA-FTIR）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（7）液体介质成分分析♦离子色谱（IC）♦石墨炉原子吸收光谱（GF-AAS）♦高效液相色谱（HPLC）♦色-质联用仪（GC-MS）♦色谱-红外联用仪（GC-IR）♦凝胶色谱（GPC）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（8）力学性能试验♦3M胶带撕裂试验♦拉伸试验♦弯曲试验♦剪切试验♦挠性弯折疲劳试验♦界面接触角测试♦跌落冲击试验4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（9）可靠性分析与老化试验♦互连应力测试（IST）♦盐雾环境试验♦高低温热冲击试验(-700C~2000C/2min)♦高低温湿态试验(-200C~900C,20％~98％RH)♦高压蒸煮仪（2600C/h）♦离子迁移试验（EM）♦有限元分析（FEM）4.PCB的表征分析方法2011.9/西安（10）电性能参数分析（含IC载板）♦万用电表♦飞针测试机♦电阻率测量仪♦绝缘、高压测试♦抗静电放电能力分析(I,Vchange＜us)♦板面离子污染测试♦阻抗测试♦I-V特性曲线分析♦半导体参数分析♦频率特性分析4.PCB的表征分析方法2011.9/西安高密度PCB盲孔开裂的失效分析*●Li-NaJi,YiGong,Zhen-GuoYang*，Failureinvestigationoncopper-platedblindviasinPCBMicroelectronicsReliability，2010,50(8):1163-11705.典型案例分析2011.9/西安失效手机的基本概况该手机的PCB尺寸：81mm×38mm×0.98mm经SMT器件贴装后，存在无法开机或下载不稳定现象。经检测，确认焊点引脚间的开路为主要失效形式。(a)正面(b)反面PCB光板外观形貌2011.9/西安PCB的失效点位置PCB表面贴装器件后的失效点位置(a)正面(b)反面2011.9/西安多层PCB叠层结构•叠层类型：1+3+3+1积层多层板（BUM）1-2层、7-8层铜箔激光制盲孔2-4层、5-7层、机械埋孔•各层厚度：绿油：39μm，28μm铜箔：33μm,33μm,18μm,35μm,37μm,17μm，34μm，34μm。小计241μm绝缘层：63μm，113μm，158μm，81μm，161μm，103μm，60μm。小计739μm•总厚度：0.98mm•表面处理：化镍沉金（ENIG）该PCB明显存在局部翘曲变形2011.9/西安PCB光板－FTIR分析●该PCB是FR-4阻燃板，基体是溴化双酚A型环氧树脂(a)树脂的FTIR曲线（b）FTIR特征吸收波数的属性光板红外光谱特征吸收波数2011.9/西安PCB光板－TGA分析●PCB分解温度是323℃，回流焊温度在允许的加工温度范围内(a)光板的TGA曲线（b）表面器件贴装回流焊曲线2011.9/西安PCB-SAM分析（a）试验前●SAM试验表明试验前后显示颜色加深，但不能证明分层（b）试验后光板热疲劳循环的SAM检测2011.9/西安PCBA-SAM分析（a）芯片背面BGA焊点（b）底部器件焊块（c）引脚焊块（d）BGA焊点失效点附近叠层板没有明显分层。焊点焊块的失效与分层没有关系。2011.9/西安PCB-热疲劳循环试验试验条件温度循环的范围-40℃～125℃升温循环周期13min（升温）＋20min（保温）降温循环周期17min（降温）＋20min（保温）循环次数200●结合SAM试验结果，表明PCB并没有明显分层2011.9/西安PCB－盲孔A的缺陷形态（c）盲孔局部开裂形貌60×（a）盲孔开裂正面（b）盲孔开裂侧面●失效缺陷1：盲孔开裂；故障现象：电阻偏大。2011.9/西安PCB—盲孔A的SEM观察和EDS分析●开裂界面处有脆化的S杂质元素2011.9/西安PCB－盲孔A处S元素引起沿晶开裂2011.9/西安FIB法蚀刻盲孔A开裂处的形貌2011.9/西安盲孔B界面开裂的宏观形貌●失效缺陷2：盲孔B开裂形貌；失效现象：不开机。（a）盲孔开裂正面（b）盲孔开裂侧面（c）局部放大2011.9/西安PCB—盲孔B开裂的另一形态0201（a）盲孔界面开裂（b）盲孔开裂形貌2011.9/西安PCB—盲孔开裂界面的EDS分析位置12011.9/西安盲孔B电镀层界面的开裂形态（a）铜箔和电镀层（b）放大的界面4800×2011.9/西安ElementCOSBaCuTotalW