劉順華 劉興龍 王君兆

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隨著電子制造的高密度化發(fā)展和無鉛化焊接的高溫要求，多層板的層間連接導(dǎo)通孔面臨越來越嚴(yán)苛的考驗(yàn)，而導(dǎo)通孔的可靠性在一定程度上決定印制電路板（PCB）的可靠性。特別是電子組裝（PCBA）的工藝復(fù)雜程度在不斷提高，印制電路板需要承受多個(gè)周期的溫度沖擊，較高的溫度沖擊對(duì)導(dǎo)通孔內(nèi)層銅與孔化銅形成較大的應(yīng)力作用，這就要求生產(chǎn)商不僅要滿足相應(yīng)的出了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還要從過程控制的角度對(duì)導(dǎo)通孔的質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)行關(guān)注[1]-[4]。PCB導(dǎo)通孔出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因有很多，本文基于孔銅斷裂的實(shí)際失效案例，對(duì)孔銅斷裂的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行探討和分析，并提出工程應(yīng)用的關(guān)注環(huán)節(jié)和改善方向。

1 案例失效背景

某PCB（圖1）在制造階段100%測試無異常，在SMT貼片后測試環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)通孔開路失效現(xiàn)象，不良率在20%左右。

圖1 不良PCB外觀

2 CT結(jié)構(gòu)分析

對(duì)開路通孔進(jìn)行CT掃描分析，測試結(jié)果顯示（圖2）：通孔孔壁均勻性較差，存在異常陰影；通孔孔銅平直度差。

圖2 CT掃描圖

3 剖面分析

將開路通孔進(jìn)行縱向剖切研磨，利用發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)通孔剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察，結(jié)果如圖3所示：通孔存在明顯的環(huán)形裂紋，孔壁粗糙度較大，且PCB整孔不良。

圖3 失效通孔剖面形貌

如圖4、圖5所示，孔壁厚度均勻性較差，裂紋萌生擴(kuò)展區(qū)的孔壁有效厚度極小。SMT回流焊接過程中，PCB經(jīng)歷高溫沖擊，通孔承受垂直于板面的拉應(yīng)力作用，孔壁較薄區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力集中區(qū)。此外，值得注意的是裂紋內(nèi)含有明顯異物，異物成分主要為碳、氧元素（見表1），說明PCB除膠渣不夠徹底。

圖4 失效通孔A區(qū)域微觀剖面形貌

表1 孔銅裂紋處EDS結(jié)果（Wt.%）

圖5 失效通孔B區(qū)域微觀剖面結(jié)構(gòu)

對(duì)通孔開裂區(qū)域孔銅的最小有效厚度進(jìn)行測量，孔銅最薄厚度僅為9.87 μm，不符合標(biāo)準(zhǔn)IPC-6012A中關(guān)于最小孔銅厚度的要求。

4 孔銅晶粒形貌分析

決定通孔孔銅性能的因素：（1）孔銅宏觀結(jié)構(gòu)，如厚度、粗糙度等；（2）孔銅微觀金相組織，如晶粒形貌。

將開路通孔縱向機(jī)械研磨拋光后，利用離子研磨（CP）對(duì)樣品表面進(jìn)行處理，將處理后的樣品采用聚焦離子束（FIB）離子成像。

圖6是孔銅金相組織圖片，從中可以清晰觀察到失效樣品的孔銅晶粒屬于典型的柱狀晶形貌（圖6a），正常批次樣品的孔銅晶粒接近于等軸晶（圖6b）。柱狀晶具有各向異性，即垂直于晶粒生長方向的性能較差；等軸晶具有各向同性，即各個(gè)方向上的材料性能幾乎一致，這也是為什么行業(yè)內(nèi)要求孔銅金相組織要避免柱狀晶的原因所在。

圖6 孔銅金相組織

5 PCB 熱性能測試

SMT焊接過程中PCB所受熱應(yīng)力主要與Z軸熱膨脹系數(shù)相關(guān)，Z軸熱膨脹系數(shù)越大的材料在經(jīng)受熱沖擊時(shí)對(duì)孔壁銅沖擊力就越大，就更容易造成金屬化孔的斷裂[3]。

依照IPC-TM-650 2.4.24C 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和Z軸熱膨脹（TMA法）的方法，對(duì)失效批次和正常批次的PCB光板進(jìn)行熱性能測試。測試條件如下：（1）預(yù)處理：105±2 ℃，2±0.25 h；（2）升溫速率10 ℃/min；（3）保護(hù)氣為氮?dú)狻?/p>

測試結(jié)果見圖7和表2，失效批次與正常批次PCB光板Z軸熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）無本質(zhì)差異，說明失效批次和正常批次的PCB光板基體材料熱性能無區(qū)別，失效與基板材質(zhì)無關(guān)。

表2 PCB Z-軸熱性能測試結(jié)果

圖7 Z-CTE測試結(jié)果

6 討論與分析

從測試結(jié)果來看，PCB孔銅開裂的原因主要有：（1）鉆孔、除膠渣工藝不良，孔壁粗糙度大，孔內(nèi)膠渣殘留，導(dǎo)致形成應(yīng)力集中區(qū)，有利于裂紋的萌生擴(kuò)展；（2）孔銅厚度不足，嚴(yán)重不符合標(biāo)準(zhǔn)IPC-6012A的最低要求；（3）孔銅晶粒屬于柱狀晶，降低了孔銅的抗拉強(qiáng)度。

鉆孔優(yōu)劣會(huì)直接影響孔化前處理的難易程度和鍍覆孔的質(zhì)量，過大的鉆污量會(huì)增加除膠渣和凹蝕的困難度。如果除膠渣不凈或者凹蝕效果不好，就會(huì)導(dǎo)致通孔存在局部應(yīng)力集中，如本案圖4、圖5所示。

除膠渣工藝的目的是去除鉆污，鉆污清除不徹底會(huì)帶來多種可靠性隱患，例如降低內(nèi)層銅與孔壁的結(jié)合強(qiáng)度，孔銅內(nèi)壁形成應(yīng)力集中區(qū)等。

化學(xué)鍍銅工藝是保證金屬化孔電鍍銅厚度和孔壁銅鍍層均勻性、延展性的核心工序，確保金屬化孔能夠承受焊接制程中的熱應(yīng)力。本案中孔壁厚度和異常的金相組織（柱狀晶）嚴(yán)重惡化了孔銅的性能。

7 結(jié)論與建議

本案PCB通孔斷裂與PCB鉆孔工序、除膠渣工序、化學(xué)鍍銅工序直接相關(guān)，這三個(gè)制程均存在嚴(yán)重不良，屬于典型的制板工藝能力失控的表現(xiàn)。

建議：鉆孔前烘板，優(yōu)化鉆頭轉(zhuǎn)速和進(jìn)給；保證合適的凹蝕深度，可考慮等離子處理方法；化學(xué)鍍銅后，建議對(duì)其電鍍質(zhì)量進(jìn)行切片確認(rèn)，重點(diǎn)關(guān)注孔銅金相組織。