第五章PCB质量保证及失效案例分析

2012/11/251第五章无铅PCB质量保证及案例分析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PCBCAF失效机理及案例分析典型失效案例分析5.1PCB可靠性概述•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。2012/11/252无铅化带来的挑战•高热容（高温与长时间，热损伤）•小窗口（工艺窗口急剧变小，工艺控制难度？）•低润湿性（润湿性能严重下降，焊接质量更难保证？）无卤化带来的挑战•电气性能（SIR、CAF、介电）•硬度脆度增加（可加工艺性能）•剥离强度（分层剥离增加）2012/11/2535.2PCB工艺质量缺陷及控制办法下料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多层喷锡板工艺流程简介容易引起PCB质量的关键工序1）钻孔2）去胶渣3）电镀4）压合5）表面处理通孔质量案例1电镀不良—孔破2012/11/254金相切片分析案例2电镀显微结构缺陷—孔破据委托单位反映，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%2012/11/255金相分析孔铜断裂孔铜出现断裂，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板未见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2012/11/256晶界空洞孪晶孪晶晶界空洞1样品描述：所送5种型号的PCB有开路和短路现象。案例3PCB短路开路2012/11/257案例4PCB内层开路失效案例除胶渣不尽导致电镀开路2012/11/2581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。器件脱落后焊盘表面案例5器件脱落失效案例--FPC2012/11/259外观为黄色或略带黄色外观检查失效案例18Ni镀层Ni镀层在焊盘的铜基材上存在两个镀镍层，两镀镍层中间存在一层很薄的镀金层.SEM&EDS分析2012/11/2510失效案例18元件和PCB断裂面的主要元素均为NiAuP元素。失效案例18SEM&EDS分析失效案例181焊料和器件焊端润湿良好，合金层为SnCu合金2器件断裂面的主要元素为NiAuP，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。4焊点开裂发生在焊盘镀层中间。失效案例18综合分析2012/11/2511失效案例18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。断裂界面失效案例18分析结论PCB典型工艺质量缺陷控制方法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2012/11/2512试验方法：热应力+切片热应力方法分类a)漂锡：IPC通用的方法，一般为1次（288℃、10秒），对HDI为5次（260℃、10秒）b)浸锡：PCB企业内部常用，较严酷c)热油：260℃/20秒d)模拟回流焊：分为215℃/245℃/260℃，6次（IPC-TM-6502.6.28）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。PCB典型工艺评价手段工艺性能评估2012/11/2513PCB工艺质量评价案例2012/11/25145.3PCB润湿不良失效机理润湿角θ焊点的最佳润湿角Cu-Pb/Sn15～45°当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿。θ=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角润湿是物质固有的性质润湿是实现良好焊接的首要条件良好的润湿是形成良好焊点的基础润湿的重要性2012/11/2515润湿良好和润湿不良照片示意图不同润湿状态照片润湿条件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。润湿不良两种形式不润湿（nowetting）反润湿（dewetting)润湿条件及润湿不良形式2012/11/2516润湿不良的原因不润湿：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志膜（如不可焊的白油）等物质反润湿：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。PCB润湿不良的分类及原因PCB焊盘润湿不良照片2012/11/2517PCB焊盘润湿不良照片主要分析手段：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）润湿不良分析方法2012/11/2518无铅PCB焊盘主要镀层类型1、锡铅或无铅热风整平（HASL）2、Au/Ni：化学镀Ni和浸镀金（ENIG）3、OSP：Cu表面涂覆OSP4、浸银工艺（I－Ag）5、浸锡工艺（I－Sn）案例5HASL板上锡不良分析案例6HASL板上锡不良分析5.3.1无铅喷锡上锡不良机理及控制方法2012/11/25191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。案例6HASL板上锡不良分析2外观检查典型的焊盘润湿不良现象2012/11/25203金相切片分析PCB焊盘表面无可焊性镀层焊料对焊盘不润湿存在焊接残留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空焊盘金相切片分析2012/11/25214SEM分析存在焊接后残留5综合分析及结论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。2PCB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。结论：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PCBCu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。2012/11/2522案例7HASL板上锡不良分析2润湿不良的PCBA与PCB裸板RepresentativeSEMViewsandEDSSpectrumofthePads(AfterCleaning)焊盘表面SEM分析2012/11/2523焊盘侧面SEM分析2012/11/2524HASL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。分析结论48无铅喷锡过程解析SnCuNi锡炉热风刀刮蚀刻与助焊剂涂布后的PCB原因1无铅焊料？2热风整平工艺？2012/11/2525此类问题的总结及控制方法1无铅HASL板厚度控制不当时易出现上锡不良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。HASL板上锡不良总结5.3.2PCB化学镍金（ENIG）失效机理及控制黑焊盘的由来ENIG最为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。牙签试验机械性能测试黑焊盘失效的典型表现：上锡不良—发黑焊点强度差-开裂失效2012/11/2526导致焊点的随机开裂失效，且不能探测。化学镍金焊点失效PCB黑焊盘失效机理2012/11/2527NiNodulesBlackBandNiCuBlackBandCorrosionattack黑焊盘失效的主要特征焊盘润湿不良黑焊盘失效的主要特征2012/11/2528PCB黑焊盘典型特征1Ni层存在开裂2Ni层切片存在侧向腐蚀3镍层和IMC之间存在富磷层案例7化学镍金焊盘上锡不良1存在明显的不润湿2PCB焊盘Au层不溶解2012/11/2529外观润湿良好焊点SEM照片上锡不良焊盘SEM照片上锡不良焊盘SEM照片不上锡位置SEM照片2012/11/2530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-200204060801000246810121416EtchTime/minWeightPercent/wt％AuNiCOP光电子能谱分析（XPS）1上锡不良主要表现为不润湿和反润湿2Au层不溶解—Au表面存在问题3Ni层已经扩散到Au表面-Ni氧化将导致Au层不溶解4Ni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结论：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。综合分析及结论2012/11/2531案例8焊盘发黑失效分析失效模式：焊接后，部分焊盘上锡不良，焊盘发黑。2012/11/2532案例9焊盘发黑失效分析2失效现象：润湿不良焊盘发黑2012/11/2533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焊盘表面SEM分析镍层存在明显的侧向腐蚀痕迹焊点切片SEM分析2012/11/2534综合分析及结论1上锡不良主要表现为不润湿和反润湿2Ni层中存在明显的裂缝和腐蚀3镍层磷含量偏高结论：黑焊盘导致焊点上锡不良综合分析及结论案例10PCB焊盘氧化腐蚀导致器件脱落案例样品外观照片及脱落后焊盘照片2012/11/25351）金部分未溶解2）存在锡元素未焊接部位的SEM照片：存在较多的腐蚀和空洞SEM&EDS分析2012/11/2536未脱落的焊点金相分析1）存在润湿不良2）镍层存在腐蚀SEM&EDS分析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。结论：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啊焊盘的润湿能力继而降低焊点的强度。综合分析及结论2012/11/2537黑焊盘失效汇总1）总是表现为反润湿现象2）外观检查通常为焊盘发黑3）通常会伴随着镍层腐蚀4）失效原因为PCB化镍金异常，和工艺的相关性不大针对化学镍金焊盘，主要控制方法：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5.4PCB分层爆板失效控制2012/11/25385.4.1热分层的原因分析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分层的原因水蒸汽压力和温度之间的关系2012/11/2539