半導(dǎo)體測試板PCBA分層氣泡分析

分層樣品為Harbor生產(chǎn)的一塊PCBA樣品,型號為HiZFXX5。客戶反饋此板存在局部網(wǎng)絡(luò)開路問題,現(xiàn)對導(dǎo)致樣品局部網(wǎng)絡(luò)開路的原因進(jìn)行排查和失效分析。樣品外觀如下圖1所示:

對上圖1所示的PCB板 “導(dǎo)通不良區(qū)域”進(jìn)行取樣,通過微切片法對樣品進(jìn)行切片制作,使用顯微鏡進(jìn)行金相分析,排查PCB內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通情況。通過觀察后發(fā)現(xiàn),在此區(qū)域,PCB板內(nèi)部出現(xiàn)分層現(xiàn)象,具體分析結(jié)果如下圖2所示:

客戶反饋該板使用的材料為M6板材,使用TMA測試板材的固化度、CTE和PTE,分析方法按照IPC-TM-650標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的進(jìn)行,分析結(jié)果如下圖4所示。

由上圖可以看到,板材實際吸水率為0.18%。這說明此板在經(jīng)2遍回流后,板材吸水率為0.18%。

從圖6可知,回流曲線的平均峰值為212.0℃,液相線183℃以上熔錫時間為76.8S,為正常的有鉛回流溫度,未出現(xiàn)異常高溫的情況。

取孔徑為1.0mm的PTH孔,根據(jù)IPC-TM-650 2.6.8標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行熱應(yīng)力測試,然后進(jìn)行孔銅切片分析,比較熱應(yīng)力前后孔銅的變化,分析結(jié)果如下圖7所示:

對微切片加熱至350℃,在立體顯微鏡下進(jìn)行半孔實驗,觀察PCB內(nèi)部在受熱過程中隨溫度升高所發(fā)生的變化過程,在持續(xù)加熱過程中,觀察孔銅結(jié)果如下圖8所示:

為了進(jìn)一步驗證PCB板其他區(qū)域在回流焊過程中所受到的影響,對“BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”取樣進(jìn)行切片分析,分析結(jié)果如下圖9所示:

1. PCBA內(nèi)部部分區(qū)域發(fā)生分層現(xiàn)象,內(nèi)部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現(xiàn)為導(dǎo)通不良;

2. 分層主要發(fā)生在L21層棕化面與PP片的結(jié)合界面處,且樹脂塞孔存在有塞孔空洞的現(xiàn)象,同時,有部分樹脂孔的孔口斷面有CuSO4藥水溢出殘留的痕跡,這說明在分層之前,樹脂孔內(nèi)部存在有塞孔氣泡,甚至部分孔內(nèi)部殘留有藥水成分;

3. 板材固化度為ΔTg=-2.68℃,表明固化完全,PCBA板材吸水率為0.18%,說明此板經(jīng)2遍無鉛回流后吸水率為0.18%;

4. 且板材的實測CTE值為a1=59.65ppm/℃,a2=355.2ppm/℃(大于供應(yīng)商給的參考值260 ppm/℃),PTE=3.776%;在回流焊受熱過程中,板材CTE過大會導(dǎo)致PCBA板材快速膨脹,板材膨脹又對孔銅產(chǎn)生拉伸應(yīng)力作用,而且,在對鉆交刀口位置或是孔銅最薄弱的位置處應(yīng)力較集中,因此,在“BGA區(qū)域”和“通孔區(qū)域”的孔銅出現(xiàn)微裂紋,同時,部分樹脂孔中的塞孔氣泡和殘留藥水成分因受熱體積劇烈膨脹,從孔銅裂紋處溢出,使PCBA內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)一步增大,最終導(dǎo)致局部區(qū)域PP與棕化面之間發(fā)生分層和孔銅斷裂的現(xiàn)象,導(dǎo)致出現(xiàn)“導(dǎo)通不良區(qū)域”;

5. 通過熱應(yīng)力和半孔實驗?zāi)MPCBA內(nèi)部在受熱過程中的膨脹變化過程,也進(jìn)一步證明了由于板材CTE偏大,當(dāng)持續(xù)受熱時,PCBA內(nèi)部會先發(fā)生孔銅和塞孔樹脂開始出現(xiàn)裂紋,并逐漸開始斷裂,裂痕再逐漸延伸至基材上,然后進(jìn)一步擴大這樣一個漸變的過程。

型號為HiZFXX5的PCBA由于內(nèi)部部分區(qū)域發(fā)生分層現(xiàn)象,且內(nèi)部孔銅斷裂,因而在電氣性能上表現(xiàn)為導(dǎo)通不良,導(dǎo)致分層的主要原因為:板材CTE過大,受熱膨脹對孔銅產(chǎn)生拉伸應(yīng)力作用,導(dǎo)致對鉆交刀口位置或是孔銅偏薄的位置處應(yīng)力集中,孔銅出現(xiàn)微裂紋;而部分孔中殘留有塞孔氣泡和藥水,則進(jìn)一步導(dǎo)致這些區(qū)域發(fā)生分層和孔銅斷裂的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致導(dǎo)通不良。