曹秀娟 張 龍 劉綺瑩

（東莞長城開發(fā)科技有限公司 工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523921）

鄭佳華 劉 路

（深圳長城開發(fā)科技股份有限公司 工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518035）

0 引言

隨著科技的發(fā)展,不同類型、不同性能參數(shù)的基板材料被推向市場以滿足小型化、高密度的發(fā)展需求。印制電路板（PCB）基板選型過程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)方既要考慮功能信號(hào)的實(shí)現(xiàn),也要考慮成本及制造加工能力。若設(shè)計(jì)與板材間的兼容性問題被忽視,則會(huì)導(dǎo)致PCB可靠性問題時(shí)有發(fā)生,例如過近的設(shè)計(jì)間距匹配較差的板材帶來的導(dǎo)電陽極絲（CAF）失效。

同時(shí),PCB組裝行業(yè)為了滿足更高的焊接要求,多樣化的焊接工藝被應(yīng)用帶來較大的焊接條件變化。焊接溫度方面,有鉛到無鉛使SMT（表面安裝技術(shù)）回流焊接溫度提高了近40 ℃[1]；波峰焊、熱風(fēng)槍等多樣的焊接方式使最高焊接溫度超過380 ℃；水汽方面,PCB已基本取消了SMT焊接之前的烘烤,PCB在過爐時(shí)是帶著一定水分；同時(shí),PCB貼片后可能會(huì)二次受熱（波峰焊、返修等）,二次受熱之前也會(huì)不斷吸收環(huán)境中的水分。

IPC—TM—650中對PCB熱應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最高溫度僅到288 ℃[2][3],在實(shí)驗(yàn)前需對測試板做（125±2） ℃/6 h的烘干處理。評(píng)估條件無法完全覆蓋實(shí)際組裝工藝中焊接溫度和水汽帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于PCB評(píng)估不足導(dǎo)致在組裝工藝中或客戶端的失效問題對產(chǎn)品影響很大。

本文參考HDI板埋孔微裂紋導(dǎo)致分層的典型案例,通過多組實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及對比驗(yàn)證來討論微裂紋的產(chǎn)生機(jī)理以及如何降低微裂紋產(chǎn)生的方法,同時(shí)從PCB組裝方的角度提出如何提高產(chǎn)品的可靠性方面降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

1 典型案例

某款0.7 mm板厚,8層HDI板設(shè)計(jì)的PCB,經(jīng)過2次回流焊后僅放置一周,熱風(fēng)槍340 ℃返修時(shí)埋孔所在的第3層（L3）和第6層（L6）位置發(fā)生分層。

分層發(fā)生在密集孔區(qū)域,埋孔間孔壁間距0.3 mm,L2和L7有較大面積銅覆蓋；同時(shí),在未分層的孔環(huán)周圍有明顯凹形裂紋貫穿孔環(huán)（見圖1所示）。

圖1 埋孔區(qū)分層位置圖

取來PCB僅經(jīng)過2遍回流焊,切片后在埋孔孔環(huán)拐角同樣發(fā)現(xiàn)較明顯微裂紋見圖2所示,懷疑微裂紋是分層發(fā)生的起始位置。進(jìn)一步從PCB設(shè)計(jì)、材料特性、埋孔工藝和組裝工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證產(chǎn)生微裂紋的原因以及微裂紋和分層的關(guān)系。

圖2 來料PCB經(jīng)過2遍回流焊后切片圖

2 PCB設(shè)計(jì)的影響驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)首先選用和典型案例一樣的板材A,設(shè)計(jì)了通孔、盲孔、埋孔,每組實(shí)驗(yàn)孔設(shè)計(jì)成9×20的陣列,L2/L7整層鋪銅和不鋪銅的測試板在同一熱應(yīng)力條件下對比設(shè)計(jì)對微裂紋的影響,同時(shí)加入ANSYS仿真分析觀察PCB內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢。

2.2 仿真建模

對實(shí)驗(yàn)板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模見圖3所示。參考板材A的規(guī)格書和文獻(xiàn)參數(shù)[4]將仿真所需要的材料參數(shù)見圖4所示賦予幾何結(jié)構(gòu)體上,同時(shí)把SMT回流爐溫作為溫度載荷施加在幾何模型上,施加邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 仿真建模模型圖

圖4 板材A仿真參數(shù)圖

為了更好地觀察埋孔受熱后的應(yīng)力應(yīng)變情況,按照圖5所示的取點(diǎn)方式在PCB仿真模型內(nèi)部依次取15個(gè)觀察點(diǎn)用于后續(xù)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變仿真分析。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變值取點(diǎn)位置圖

2.3 熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及仿真分析

第一組實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)孔參考IPC—TM—650 2.6.27進(jìn)行對比驗(yàn)證,在同一焊接熱條件下只有埋孔的孔環(huán)位置出現(xiàn)微裂紋,這是由于PCB在SMT熱應(yīng)力加載時(shí)材料的熱適配特點(diǎn)使整體截面先縱向膨脹,膨脹過程中內(nèi)部介質(zhì)材料受到自身的內(nèi)應(yīng)力束縛和外部介質(zhì)材料以及銅的束縛導(dǎo)致所受應(yīng)力應(yīng)變更大。埋孔相比其他實(shí)驗(yàn)孔的結(jié)構(gòu)最特殊,是被包裹在介質(zhì)層中間,上下有更多的銅束縛,所以HDI板芯板位置在受熱過程中最容易發(fā)生異常（如圖6所示）。

圖6 SMT焊接過程中PCB截面應(yīng)力應(yīng)變分布圖

埋孔孔環(huán)A區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變較其他位置最大（如圖7所示）,因?yàn)锳區(qū)域受到介質(zhì)材料及銅的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大,這個(gè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)A區(qū)域最容易產(chǎn)生微裂紋的結(jié)果一致。

圖7 埋孔截面圖

在仿真模型中調(diào)整兩個(gè)埋孔間的孔壁間距,A區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變會(huì)隨間距的增大而降低（如圖8所示）,當(dāng)間距從0.25 mm調(diào)整到0.3 mm時(shí)應(yīng)力降低到43 MPa,該仿真評(píng)估方法可以應(yīng)用到安全孔壁間距的評(píng)估。

圖8 不同孔壁間距下A區(qū)域應(yīng)力值圖

第二組實(shí)驗(yàn)對比了不同孔密度、不同鋪銅設(shè)計(jì)對微裂紋的影響,根據(jù)裂紋長度和產(chǎn)生裂紋率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,降低孔密度、控制相鄰層銅箔的面積使內(nèi)部應(yīng)力可以有效釋放,同樣可以有效降低微裂紋的產(chǎn)生（如表1所示）。為了避免微裂紋帶來的風(fēng)險(xiǎn),PCB設(shè)計(jì)時(shí)孔壁間距、單位面積鉆孔數(shù)量,芯板相鄰層銅箔面積都是設(shè)計(jì)者重點(diǎn)考慮的因素。

表1 不同設(shè)計(jì)驗(yàn)證表

3 材料的影響

PCB選型一般以Tg的高低劃分板材等級(jí),替代選擇時(shí)優(yōu)先考慮Tg（玻璃化強(qiáng)度）做同等級(jí)替代。本次研究中第三組實(shí)驗(yàn)增加了一款替代料（材料B）驗(yàn)證,確認(rèn)不同材料對微裂紋的影響,雖然材料A和B都屬于高Tg材料（如表2所示）,但其他性能參數(shù)有不同的表現(xiàn)[5]。

表2 材料參數(shù)表

第三組實(shí)驗(yàn)將2種材料用TMA（熱機(jī)械分析）進(jìn)行分層測試,實(shí)驗(yàn)顯示材料B的Z軸膨脹系數(shù)更大,熱分解溫度（Td）更低,同樣受熱條件下首先發(fā)生分層（如圖9所示）。雖然實(shí)際焊接條件不會(huì)達(dá)到這樣的焊接條件,值得注意的是選材不能只從Tg值評(píng)估。

圖9 不同材料分層結(jié)果對比顯示材料B分層圖

另外,雖然兩款材料的吸水率數(shù)值差異較小但對實(shí)際成品板的影響較大（如表3所示）,第四組實(shí)驗(yàn)將材料A和B經(jīng)過2遍SMT在生產(chǎn)環(huán)境中靜置一定時(shí)間后進(jìn)行288 ℃/10 s/3次熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn),一周后材料A和B都已產(chǎn)生微裂紋,且A的微裂紋較B更嚴(yán)重,第2周時(shí)材料A發(fā)生分層。

表3 兩款材料試驗(yàn)對比表

這主要和板材吸水率有關(guān),A的吸水率更高,二次受熱時(shí)蒸汽壓會(huì)更大,這也說明材料B的可返修性更好。一款板材是否符合一款產(chǎn)品,是否和后續(xù)的焊接工藝相兼容,需要結(jié)合Td,Z軸膨脹系數(shù)以及吸水率綜合考慮。

參考材料一致性標(biāo)準(zhǔn)[6]及兩款板材的熱性能實(shí)驗(yàn)對比來看,PCB選材時(shí)Tg在±5 ℃,CTE在±1×10-5/℃,Td在±25 ℃內(nèi)都可以安全替代,如果超出以上范圍較大需要對板材耐熱性,尤其是吸水后的耐熱性能做重點(diǎn)評(píng)估,觀察實(shí)驗(yàn)后埋孔孔環(huán)位置受熱產(chǎn)生的微裂紋和分層。

4 埋孔填孔工藝的影響

本次研究中同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同填孔工藝也會(huì)影響HDI板內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生。第五組實(shí)驗(yàn)使用材料A驗(yàn)證了其他型號(hào)樹脂（A-SZ）和半固化片樹脂流膠（A-PP）兩種方式（如圖10所示）對埋孔微裂紋的影響。

圖10 其他樹脂和半固化片樹脂流膠填孔圖

從圖11所示中兩款樹脂的參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)相同條件下半固化片里的環(huán)氧樹脂和其他填孔樹脂的CTE差異不大但楊氏模量差異較大,理論上PP（半固化片）樹脂流膠板由于孔內(nèi)和孔外是同一樹脂,熱適配性會(huì)優(yōu)于2種不同型號(hào)的樹脂,耐熱性應(yīng)該更好。

圖11 樹脂材料參數(shù)圖

但這一理論結(jié)果和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不一致,實(shí)驗(yàn)顯示半固化片流膠板更容易在受熱后產(chǎn)生微裂紋。這主要是因?yàn)橥粭l件下PP流膠板的孔內(nèi)樹脂是從半固化片流出填孔,在孔環(huán)內(nèi)和孔環(huán)附近密度低于其他樹脂填孔,更易產(chǎn)生微裂紋。目前行業(yè)為了節(jié)省成本會(huì)優(yōu)選PP流膠的填孔方式,需要進(jìn)行埋孔過爐后的微裂紋評(píng)估。

5 焊接熱的影響

PCB發(fā)生分層的導(dǎo)火索一定是焊接熱,第六組實(shí)驗(yàn)增加了更嚴(yán)苛的熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)條件（6遍288 ℃/10 s/3次）觀察焊接熱對微裂紋和分層的影響。焊接熱應(yīng)力使98%的埋孔在孔環(huán)位置發(fā)生微裂紋（如圖12所示）,但即使最嚴(yán)苛的焊接熱也沒有使孔環(huán)處微裂紋的長度（＜65 μm）超過孔環(huán)的尺寸,也沒有發(fā)生分層。

圖12 極限焊接熱下的微裂紋圖

焊接熱應(yīng)力并不會(huì)直接使一些含水量低的板材發(fā)生立即分層失效,但可以使耐熱性能較差的板材過早地暴露出一些隱患。

6 水汽的影響

PCB主要靠表面吸收水分,物理吸附和化學(xué)吸附兩種形式[7][8]的吸附會(huì)同時(shí)發(fā)生,如果板材內(nèi)部有微裂紋會(huì)加速物理吸附,因?yàn)樗麜?huì)以分子簇的形式聚集在微裂紋中。研究中的最后一組實(shí)驗(yàn)分別對兩款不同填孔工藝的實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行兩遍SMT后靜置在生產(chǎn)環(huán)境中觀察板材的吸水量,第一周快速吸水,第2周后逐漸緩慢,吸水量隨環(huán)境中濕度波動(dòng)（如圖13所示） 。

圖13 板材吸水量觀察圖

參考IPC儲(chǔ)存建議T＞260 ℃時(shí)吸水率要控制在0.1%以下[9],觀察兩款板在環(huán)境中靜置1周后的吸水率已經(jīng)遠(yuǎn)大于0.2%,一旦返修溫度大于260 ℃時(shí)就有可能發(fā)生分層（如圖14所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期一致,2款板靜置2周以上,經(jīng)過288 ℃/10 s/3次的熱應(yīng)力后埋孔位置發(fā)生了較嚴(yán)重的分層。

圖14 不同吸水率耐熱實(shí)驗(yàn)圖

熱應(yīng)力會(huì)使PCB在承受應(yīng)力應(yīng)變最大的位置（埋孔孔環(huán)）產(chǎn)生微裂紋,材料在生產(chǎn)線測試環(huán)境中水汽不斷地吸附且聚集在微裂紋位置,再次加載波峰焊或返修熱應(yīng)力時(shí),水汽的蒸汽壓大于介質(zhì)材料的抗拉強(qiáng)度隨即發(fā)生分層。

水汽對分層的影響最大,IPC 1601A建議板材的吸水率控制在0.1%～0.5%較寬泛,板材的吸水率又是浸泡24 h后吸收的重量百分比[9],較多用來表征板材在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的吸水率,但實(shí)際考慮吸水率的影響需要在生產(chǎn)環(huán)境中儲(chǔ)存一定時(shí)間的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行耐熱評(píng)估。

7 總結(jié)

（1）HDI板埋孔區(qū)加熱后分層的失效機(jī)理是：芯板埋孔采用半固化片流膠時(shí),孔環(huán)拐角位置由于環(huán)氧樹脂較難聚集,密度較低,受熱時(shí)該位置的介質(zhì)材料所受應(yīng)力應(yīng)變最大產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)PCB吸收環(huán)境中的水汽并在微裂紋位置發(fā)生聚集,再次有較大熱應(yīng)力加載時(shí),水汽的蒸汽壓大于介質(zhì)材料的最大抗拉強(qiáng)度時(shí)微裂紋擴(kuò)展發(fā)生分層現(xiàn)象。

（2）HDI板內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展導(dǎo)致分層,分析時(shí)不僅需要從焊接熱應(yīng)力以及水汽方向考慮,需要結(jié)合PCB的設(shè)計(jì)、板材特性、加工工藝以及組裝條件全流程綜合分析和評(píng)估。

設(shè)計(jì)方面鉆孔密度,孔壁間距,布線設(shè)計(jì)決定了后續(xù)選材和焊接工藝可選擇的寬余度,當(dāng)孔壁間距＜0.3 mm,0.25 cm2上數(shù)量＞7個(gè)的埋孔區(qū)域需優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)的影響；PCB材料方面,除Tg和Td,吸水率也會(huì)影響板材的耐熱性能,出現(xiàn)分層異常時(shí)同步排查板材吸水性帶來的影響；最后,PCB加工廠多用芯板厚度確定填孔方式,一旦選用半固化片流膠方式,需要評(píng)估環(huán)氧樹脂膠量不足帶來的影響。

（3）PCB測試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是由研發(fā)和PCB加工廠完成,但發(fā)生較嚴(yán)重的問題一般是在PCB完成組裝后,受熱區(qū)域的異常又很容易被忽視[10][11]。此時(shí),作為PCB最后一道加工工序的PCB組裝方會(huì)很被動(dòng)。所以作為PCB組裝方人員需要積極參與到項(xiàng)目PCB的選型和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。針對可靠性要求較高的產(chǎn)品,結(jié)合設(shè)計(jì)以及組裝工藝的特點(diǎn)對PCB進(jìn)行整體耐熱性能評(píng)估,取PCB來料拆封后不經(jīng)過烘烤參考IPC—TM—650 2.6.27評(píng)估微裂紋風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)現(xiàn)有微裂紋,需對測試板過SMT后在生產(chǎn)環(huán)境中靜置至少一周不烘烤參考IPC—TM—650 2.6.8進(jìn)行2次分層評(píng)估。做到設(shè)計(jì)、加工及組裝共同選材、共同評(píng)估的方式,降低PCB失效發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。