PWB失效问题分析

DeltaConfidential1PWB失效問題分析Preparedby:PFALabDate:2013.6.25DeltaConfidential2一.PWB概述二.分析重要參數三.PWB問題分析四.案例分享五.Q&A目錄DeltaConfidential3它是重要的電子部件之一，是電子元器件的載體，也是電子各零部件間電氣互連的中心樞紐。一.PWB概述PCBA----PrintedCircuitBoardAssembly.PWBA----PrintedWireBoardAssembly.1.何謂PWB?2.1根據IPC標準及Delta採購規範等;2.2實驗分析、主要參數量測進行最後判定。2.PWB允收定義:PWB=PCBDeltaConfidential43.1一級（CLASS1）:是指消費性產品包括電視﹑玩具﹑娛樂性電子製品﹐以及非關鍵性工業控制零組件。這一級的電路板（常見於單面板），只要電性功能沒有問題﹐有漆覆蓋也可，外觀的缺陷並不是很重要。3.2二級（CLASS2）:為一般工業製品（GeneralIndustry）﹐包括電腦﹑通訊設備﹑商務用機器﹑儀器等。這一級的板子﹐適用於高性能的商務及工業製品﹐而且需耐長期使用﹐穩定度較好，尚可忍受某些表面的缺陷。3.3三級（CLASS3）:為高信賴度需求之產品級,是指長時間連續操作並能發揮功效之設備，包括醫療，軍用，太空電子設備等。不可中斷特性為此產品之關鍵﹐例如救生設備﹐就無法忍受在使用中所發生之故障。3.PWB分類（根據IPC規範）DeltaConfidential54.PWB製作流程簡介前制程治工具製作開料內層製作壓合鑽孔內層幹膜內層蝕刻AOI檢查疊板鑽孔外層製作外層蝕刻檢查通孔電鍍整板電鍍外層幹膜電鍍外觀成型製作4.PWB組成與測試•基礎Epoxy•多功能環氧樹脂(Tg,α2filler)•固化劑(Td)•溴化劑(阻燃性)•膠片+壓合+鑚孔….表面處理PWB上下游耐熱性測試CCL:漂錫T288:5min/10min/20minPWB:漂錫T288:5sec/6~9timePWBA:Reflow:6times不暴板不暴板不起泡PWB的主要材料有：銅箔、PP、基板、防焊阻劑、文字油墨等（如圖1）。基板銅箔PP膠片圖1有機保焊膜OSP(開封後24Hrs內焊接完畢)浸鍍銀(ImmersionSilver)化鎳浸金(ENIG)鍍金板(ElectrolyticNi/Au)化鎳化鈀浸金(ENEPIG)噴錫板(HASL)化錫板(ImmersionTin)5.PWB選擇(Leadfree)PCBA照片銅表面處理DeltaConfidential86.1外觀檢查外觀檢查超景深3D立體顯微鏡、金相顯微鏡(200x)、普通體視放大鏡等工具來完成外觀檢查。a.污染物b.腐蝕c.掉漆d.斑點凸起位置e.裂痕等6.2X射線透視檢查a.檢查內部線路b.線材開路或短路等6.PWB失效分析技術(進料檢驗)6.3.金相切片分析切片分析就是通過定位、切樣、初磨、鑲嵌、抽真空、細磨、拋光、觀察、微蝕、再觀察等一系列手段和步驟獲得PWB截面結構的過程。通過切片分析可以看到PWB內部結構:a.通孔b.鍍層等的品質資訊，c.切片判定參考IPC標準的IPC－TM－650-2007，GJB4027A－2006和相關採購規範流程進行判定。由於LF焊接之熱量大增，除了對零組件與銲點造成重大影響外，又在現行板材樹脂的“耐強熱性”不足下，也對PWB帶來極大的傷害，其中尤以RCC中的背膠受傷最重。為了避免LF對板材所造成不定時不定點的漲裂起見，主樹脂的改善已成為必須的途徑。此等耐強熱的板材品質規範IPC-4101B，已在2005年Q3正式發佈，除將認同已久的Tg正式納入規格單（Spec.Sheet）之外，還更加入三項耐強熱的全新品質要求：a.裂解溫度b.Z-CTEc.耐熱裂時間1.板材漲裂二.分析重要參數以“熱重分析法”（ThermalGravityAnalysis）將樹脂加熱中失重5%（WeightLoss）之溫度點定義為Td。目前各種基材抗LF之起碼Td定在325℃以上。2.裂解溫度（DecompositionTemp，簡稱Td）10簡稱TMA量測板材Tg以上的“熱脹係數”（α2-CTE），目前此後段熱脹係數之上限定為300ppm/℃。α2-CTE玻璃態橡膠態3.Z-CTE——採“熱機分析法”（ThermalMechanicalAnalysis)採TMA法將板材逐步加熱到260℃、288℃，或300℃之定點溫度，然後觀察板材在此等強熱環境中，能夠抵抗Z脹多久而不致裂開，此種忍耐時間即定義為“耐熱裂時間”。目前訂定起碼規格:a.T260為30分鐘;b.T288為5分鐘;c.T300為2分鐘。測試報告:X軸為所經歷的時間,Y軸為板厚測試儀器4.耐熱裂時間（T260、T288、T300）綜合上述所論歸納以下三點板材特性:①α2Z-CTE橡膠態者上限為300ppm/℃,降低Z-CTE最有效的方法就是添加無機Filler(參無鉛焊接與爆板4.3.2.Fig18)②三種（T260、T288、T300）TMA式耐熱裂時間又以T288較常用，平均以5分鐘為允收標準③Td為主,而T288為客,T288等與無鉛焊接的峰溫高低有關，就總體耐熱性而言,Td訂定在325℃以上Td325℃α2/Z-CTE300ppm/℃maxT2885min13PWBA熱量增大的LFSoldering其對濕氣的受害敏感度更甚於T／L，也就是受到“電化學遷移”（ElectroChemicalMigration）的威脅將更為險惡。此種ECM針對PWB板面導體之間，會出現Dendrite的缺失，或在板材玻纖束中會發生CAF（ConductiveAnodicFilament）之絕緣性不良。通常各式ECM須在四種條件齊備下才會發生，即吸入水份板體不潔而帶有電解質露銅或露錫兩導體間出現偏壓（Bias）。PWB或板材較容易避免之項目即為“吸水”與“清潔”。而目前CCL業界最可行性的方法，就是將硬化劑由Dicy改為PN/BN以減少吸水。5.板材對濕氣敏感CAF的含有腐蝕的銅,起源於線路的次表面陽極向陰極生成,通常發生在玻纖與樹脂的介面PWB/H2O→1/2O2↑+2H++2e-/Cu→Cu2++2e-陰極端陽極端－/H2O+e-→1/2H2↑+OH-/Cu2++2e-→Cu銅逐漸腐蝕銅的逐漸生成+CAF發生的示意圖15PTH-PTH之間的CAF生長最快原因為:1.不良的鑽孔及後續的熱循環2.較多的玻纖束連接於PTH間產生正,負電極3.電鍍濕制程藥水的離子污染殘留於孔壁PS:CAF是生長於板材間的玻纖砂間,從陽極向陰極生長稱為:玻纖絲陽極漏電CAF最易發生的位置16電化學遷移的切片此為多層板PTH之間電化遷移的現象,特稱為CAF!17電化學遷移的反應機理18此為板面上電化遷移的現象,特稱為ECM!196.PCB可焊面表面處理保焊劑(OSP)--OrganicSolderabilityPreservatives噴錫(HASL)---HotAirSolderLeveling浸銀(ImmersionSilverAg,I-Ag)浸錫(ImmersionTinSn,I-Sn)化鎳浸金(ElectrolessNickelImmersionGold,ENIG)表面處理的功用:因為銅焊墊極易氧化,所以在焊錫製程之前,保護焊墊不被氧化,而且焊錫時能有良好的焊錫性!台達PWB使用現狀,以OSP表面處理為主;(台達規格:0.2~0.3um)20資料摘錄取於22期印刷電路板會刊成本最經濟a.各種表面處理比較21b.OSP的焊接過程:此為OSP表面處理焊接中,助焊劑把OSP皮膜驅逐而裸露出清潔銅面的焊接過程c.OSP之優點與缺點優點：•成本較便宜•製程簡單便捷•焊在銅面形成Cu6Sn5強度好•容易重工•第五代以後耐熱性能已大幅改善缺點：•量產板不易直接量測膜厚•皮膜顏色透明較不易外觀檢查•儲存較易受濕氣影響•錫膏印偏後不易重工•完工皮膜無法進行電測23ReflowThickness沾錫數據ReflowX0ReflowX1ReflowX2ReflowX3ReflowX5OSP0.1μm突破錫表面張力時間0.59sec0.020.130.393.035.032/3最大沾錫力量時間1sec0.110.360.852.155.03沾錫力量須00.251.051.040.26-0.02OSP0.2μm突破錫表面張力時間0.59sec0.030.170.190.295.032/3最大沾錫力量時間1sec0.150.310.450.635.03沾錫力量須00.711.840.90.73-4.3OSP0.3μm突破錫表面張力時間0.59sec0.020.290.010.380.892/3最大沾錫力量時間1sec0.180.520.240.752.11沾錫力量須01.351.150.630.450.7d.沾錫性測試比較(Wettingbalance)此表為OSP膜厚評比結果以0.3μm最佳,在實際組裝焊接工序上不可能重工到5次Reflow,24a.太薄的皮膜無法抑制銅面氧化;b.但太厚則會導致錫膏中的助焊劑,無法將皮膜完全驅除推開,會產生焊性差且容易形成空洞(無鉛時代大多採用低活性以降低離子污水)。f.OSP皮膜厚度對焊錫的影響外觀目視限度樣本26f.OSP厚度品質檢查現行間接測厚法BySEM/EDS27g.如何控制OSP膜厚?PH值•為控制膜厚穩定的最重要因素.•pH值通常會愈來愈高，因為醋酸會蒸揮發掉，水洗槽也會帶來水份.•高pH值會讓OSP膜厚增厚.浸泡時間•可由線速來控制膜厚槽液溫度•溫度愈高膜厚愈厚，建議控制在35-43℃.活化物的濃度•其濃度變動之因素包括槽液水份之蒸發、帶入之水量及帶出之槽液量、酸洗或微蝕液之污染………等28DeltaConfidential29X-Ray檢測特點：在不破外樣品的情況下，目視及其他外觀設備所不能看到的內部異常現象，透過X-Ray就可以輕鬆快捷地排查異常。常用檢測類型有：元器件內部結構檢測、連接線材內部開路&短路檢測、各類焊點焊接品質檢測、PWB&PWBA內部狀況檢測等。三.PWB問題分析左：PWBAX-Ray平視圖右：PWBAX-Ray側視圖1.X-ray穿透檢DeltaConfidential30超影深顯微鏡是外觀檢查系列設備中較先進的設備，能夠三維成像，多角度觀察，放大倍數最高達1000X,外觀細小的缺陷也能清楚看到。常用到的檢測項目有：元器件外觀檢測，焊點外觀檢測，PWB&PWBA外觀檢測等。PWB銅箔線路開路圖2.3D超影深顯微鏡(1000X)PWB銅箔線路橋連圖。DeltaConfidential31PWB銅箔凸起圖異常放大圖200X銅箔線路斷開圖DeltaConfidential322.基材空洞3.凹蝕4.負凹蝕15.滲銅（芯吸）6.內層互連缺陷7.樹脂縮陷8.釘頭10.焊盤翹起11.鍍層銅瘤12.孔壁粗糙14.通孔填塞16.毛刺/毛頭18.纖紋顯露1.PTH孔銅厚度不良9.基材與孔銅分離5.層間介質間距不良13.孔壁鍍層裂縫17.分層、起泡19.內層銅箔厚度20.孔破3.金相切片分析通過PWB切片分析可以查檢到的常見缺陷列表:DeltaConfidential33孔銅厚度是在鍍覆孔每側上大約等距離選取三個測試點量測所得的值，一般不測量有孤立缺陷的區域（空洞、裂縫、銅瘤、孔破等）。目標條件--1，2，3級：整個孔壁鍍層平滑而均勻，厚度滿足要求。可接受條件--1，2，3級：鍍層厚度不均勻，但滿足IPC-6010系列規定中的最低平均厚度要求和最小區域厚度要求。不符合條件--1，2，3級：缺陷不符合或超出規定要求。6123544.PWB失效分析判定：量測選點示意圖4.1PTH孔銅厚度：PWB切片結果統計附件:FAreport參考DeltaConfidential35銅厚度量測ok銅厚度量