熱分析技術(shù)在PCB失效分析中的應(yīng)用

   前言

　　PCB 作為各種元器件的載體與電路信號傳輸?shù)臉屑~已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)品的為重要而關(guān)鍵的部分，其質(zhì)量的好壞與可靠性水平?jīng)Q定了整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。隨著電子信息產(chǎn)品的小型化以及無鉛無鹵化的環(huán)保要求，PCB 也向高密度高Tg 以及環(huán)保的方向發(fā)展。但是由于成本以及材料變更的原因，PCB在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中出現(xiàn)了大量的失效問題，其中許多多與材料本身的熱性能或穩(wěn)定性有關(guān)，并因此引發(fā)了許多的質(zhì)量糾紛。為了弄清楚失效的原因以便找到解決問題的辦法和分清責(zé)任，必須對所發(fā)生的失效案例進(jìn)行失效分析。本文將討論和介紹一部分常用的熱分析技術(shù)，同時介紹一些典型的案例。

　　1 熱分析技術(shù)

　　1.1 差示掃描量熱儀 (DSC)

　　差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry)是在程序控溫下，測量輸入到物質(zhì)與參比物質(zhì)之間的功率差與溫度(或時間)關(guān)系的一種方法。DSC 在試樣和參比物容器下裝有兩組補(bǔ)償加熱絲，當(dāng)試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差ΔT 時，可通過差熱放大電路和差動熱量補(bǔ)償放大器，使流入補(bǔ)償電熱絲的電流發(fā)生變化，而使兩邊熱量平衡，溫差ΔT 消失，并記錄試樣和參比物下兩只電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β手铍S溫度(或時間)的變化關(guān)系，并根據(jù)這種變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。DSC 的應(yīng)用廣泛，但在PCB 的分析方面主要用于測量PCB 上所用的各種高分子材料的固化程度(例如圖2)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，這兩個參數(shù)決定著PCB 在后續(xù)工藝過程中的可靠性。

　　例2 PCB 中的環(huán)氧樹脂的固化情況分析

　　1. 2 熱機(jī)械分析儀 (TMA)

　　熱機(jī)械分析技術(shù)(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機(jī)械力作用下的形變性能，常用的負(fù)荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通過馬達(dá)對試樣施加載荷，當(dāng)試樣發(fā)生形變時，差動變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可得到物質(zhì)在可忽略負(fù)荷下形變與溫度(或時間)的關(guān)系。根據(jù)形變與溫度(或時間)的關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。TMA 的應(yīng)用廣泛，在PCB 的分析方面主要用于PCB 關(guān)鍵的兩個參數(shù)：測量其線性膨脹系數(shù)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的PCB 在焊接組裝后常常會導(dǎo)致金屬化孔的斷裂失效。

　　1. 3 熱重分析儀 (TGA)

　　熱重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時間)的變化關(guān)系的一種方法。TGA 通過精密的電子天平可監(jiān)測物質(zhì)在程控變溫過程中發(fā)生的細(xì)微的質(zhì)量變化。根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量隨溫度(或時間)的變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。TGA 在研究化學(xué)反應(yīng)或物質(zhì)定性定量分析方面有廣泛的應(yīng)用;在PCB 的分析方面，主要用于測量PCB 材料的熱穩(wěn)定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB 在經(jīng)過焊接過程的高溫時將會發(fā)生爆板或分層失效現(xiàn)象。

　　2 典型的失效案例

　　由于PCB 失效的類型和原因眾多，且本文篇幅有限，下面將選擇幾個典型爆板的案例進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹上述熱分析技術(shù)的運(yùn)用以及解決問題的基本思路，分析的過程則省略。

　　案例一 PCB 局部爆板分析

　　該批樣品為CEM1 類型板材，無鉛回流焊后發(fā)生爆板失效，概率達(dá)3%左右，樣品呈長條型，其中有一排較大地電磁繼電器(見圖1)。爆板的區(qū)域集中在元器件分布少的部位，且該部位和對應(yīng)的背面的顏色較黃，顏色較其他部位要明顯深(圖2)。通過切片分析發(fā)現(xiàn)，爆板發(fā)生的區(qū)域內(nèi)部PCB 基材分層在紙質(zhì)層。用近似批次的樣板按照進(jìn)行熱應(yīng)力試驗，在260℃下由10 秒到30 秒都沒有發(fā)現(xiàn)類似的爆板失效，試驗后的樣品的顏色也沒有實際失效的樣品深。同時用熱分析方法(TGA 和DSC)對爆板區(qū)域的材質(zhì)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)的熱分解溫度和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度均符合材質(zhì)的技術(shù)規(guī)范。根據(jù)以上分析，可以推斷該無鉛回流焊組裝工藝的條件超出了該類型PCB 的技術(shù)要求，回流時為了保證吸熱的大器件的焊點(diǎn)合格或良好，設(shè)置的工藝參數(shù)主要是焊接的溫度與時間過高過長，導(dǎo)致元器件少或空白的區(qū)域局部溫度超過該類型板材的技術(shù)規(guī)范，終導(dǎo)致產(chǎn)品爆板失效。該失效與板材本身無關(guān)，而與材質(zhì)的選用、設(shè)計以及焊接工藝有關(guān)。

　　實際上，業(yè)界的PCB 爆板案例大多與板材選用不當(dāng)相關(guān)，主要是熱分解溫度過低或水分含量過高造成，而本案例則例外。

圖1 爆板樣品的局部  圖2 失效樣品背面的局部外觀(淺色部分對應(yīng)的另一面為大器件―電磁繼電器)

案例二 PCB 回流焊后爆板

　　該批PCB 樣品在經(jīng)歷無鉛回流焊后發(fā)生爆板現(xiàn)象，失效樣品爆板位置主要分布在器件較少和大銅面位置，經(jīng)過切片分析發(fā)現(xiàn)爆板分層位置在紙層內(nèi)部(圖3)。然后對同一批次的PCB 空白板進(jìn)行260 度10秒的熱應(yīng)力試驗，只發(fā)現(xiàn)部分爆板現(xiàn)象。后我們分別使用TGA 與DSC 分析技術(shù)分析了板材的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg 與分解溫度Td(見圖4)，結(jié)果顯示，板材的Tg 約132 度，而Td 只有246 度。

圖3 爆板區(qū)域的切片照片

　　由于失效樣品爆板位置主要分布在器件較少和大銅面位置，在無鉛回流焊接過程中，該位置由于熱容量較大器件位置小，且大銅面吸熱更多，從而造成樣品失效部位的溫度較別處偏高，失效部位的顏色較深也證明了上述結(jié)論。對PCB 材料的熱分解溫度測試結(jié)果表明，該P(yáng)CB 的熱分解溫度為246.6℃，考慮到無鉛回流焊接工藝下，焊接高溫度通常為245℃～255℃，顯然，在回流焊接過程中，樣品器件較少位置的大器件對應(yīng)的背面位置研磨方向紙層開裂玻纖層溫度和PCB 熱分解溫度接近甚至更高，而當(dāng)焊接溫度超過PCB 熱分解溫度時，PCB 將發(fā)生熱分解產(chǎn)生氣體，氣體膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力將導(dǎo)致PCB 爆板分層。由于該失效樣品的熱分解溫度和焊接高溫度相接近，從而導(dǎo)致一定比例的爆板失效。

圖4 樣品基材的TG 曲線

案例三 PCBA 局部爆板

　　一批PCBA 樣品其中的某個QFP 器件邊緣氣泡鼓起(見圖5)，PCB 內(nèi)部分離界面在銅箔與PP層之間。經(jīng)過包括熱應(yīng)力、玻璃態(tài)溫度分析、分解溫度分析與模擬工藝試驗等一系列的試驗都沒有發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象和參數(shù)不合格的問題。后在用TMA 分析材料的Z 軸的膨脹系數(shù)(Z-CTE)時發(fā)現(xiàn)(圖6)，基材的膨脹系數(shù)無論在低于或高于Tg 段的系數(shù)都超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。

　　PCB 材料本身的Z-CTE 相對較高，在無鉛回流焊接過程中升溫段樹脂與金屬銅箔的膨脹系數(shù)的不匹配(Z 軸)導(dǎo)致PCB 受熱膨脹，在隨后的降溫過程中，PCB 變形逐漸恢復(fù)，但是在器件下端，由于首先凝固的SOP 焊點(diǎn)的約束作用，導(dǎo)致其下PCB 無法恢復(fù)，并產(chǎn)生較大的縱向應(yīng)力，當(dāng)其縱向應(yīng)力大于銅箔與樹脂之間的粘合力時，將導(dǎo)致該位置PCB 內(nèi)部分層。而焊接面由于不存在QFP 引腳的限制可以自由回縮，因此失效主要發(fā)生在靠近QFP 器件面的芯板樹脂與銅箔界面。另一方面由于該位置處焊盤及通孔的分布和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成該處應(yīng)力不容易釋放，導(dǎo)致該位置較其它位置更易發(fā)生爆板失效，因此該處焊盤設(shè)計特征是加劇爆板的一個因素。

圖5 PCB表面鼓起位置及其金相切片圖

圖6 PCB無銅區(qū)樣品TMA測試曲線(Z-CTE)

    結(jié) 論

　　為了因應(yīng)環(huán)保以及電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展要求，電子制造的材料和工藝過程都發(fā)生了很大的變化。作為電子信息產(chǎn)品中關(guān)鍵的部件之一，近以來早期失效現(xiàn)象頻頻發(fā)生。為了更好的控制或保證PCB的質(zhì)量與可靠性，必須從研發(fā)、設(shè)計、工藝以及質(zhì)量保證技術(shù)等多方面著手才能達(dá)到目的，其中作為質(zhì)量保證技術(shù)中的關(guān)鍵，失效分析也越來越發(fā)揮著它的重要作用，只有通過失效分析才能夠找到問題的根源，從而不斷改進(jìn)或提升產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性，而在爆板、分層、變形等分析中熱分析手段必不可少。本文通過幾個典型的案例介紹了熱分析在PCB 分析中的應(yīng)用，希望能夠在PCB 業(yè)界的快速發(fā)展中起到一點(diǎn)點(diǎn)借鑒。