前言

　　PCB 作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐已經(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定了整機設備的質(zhì)量與可靠性。隨著(zhù)電子信息產(chǎn)品的小型化以及無(wú)鉛無(wú)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)和應用過(guò)程中出現了大量的失效問(wèn)題，其中許多多與材料本身的熱性能或穩定性有關(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(wèn)題的辦法和分清責任，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(shí)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(shí)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償加熱絲，當試樣在加熱過(guò)程中由于熱效應與參比物之間出現溫差ΔT 時(shí)，可通過(guò)差熱放大電路和差動(dòng)熱量補償放大器，使流入補償電熱絲的電流發(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償的熱功率之差隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系，并根據這種變化關(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)轉化溫度，這兩個(gè)參數決定著(zhù)PCB 在后續工藝過(guò)程中的可靠性。

　　例2 PCB 中的環(huán)氧樹(shù)脂的固化情況分析

　　1. 2 熱機械分析儀 (TMA)

　　熱機械分析技術(shù)(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機械力作用下的形變性能，常用的負荷方式有壓縮、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(guò)馬達對試樣施加載荷，當試樣發(fā)生形變時(shí)，差動(dòng)變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應力和應變等數據進(jìn)行處理后可得到物質(zhì)在可忽略負荷下形變與溫度(或時(shí)間)的關(guān)系。根據形變與溫度(或時(shí)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 的應用廣泛，在PCB 的分析方面主要用于PCB 關(guān)鍵的兩個(gè)參數：測量其線(xiàn)性膨脹系數和玻璃態(tài)轉化溫度。膨脹系數過(guò)大的基材的PCB 在焊接組裝后常常會(huì )導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(shí)間)的變化關(guān)系的一種方法。TGA 通過(guò)精密的電子天平可監測物質(zhì)在程控變溫過(guò)程中發(fā)生的細微的質(zhì)量變化。根據物質(zhì)質(zhì)量隨溫度(或時(shí)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)反應或物質(zhì)定性定量分析方面有廣泛的應用;在PCB 的分析方面，主要用于測量PCB 材料的熱穩定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB 在經(jīng)過(guò)焊接過(guò)程的高溫時(shí)將會(huì )發(fā)生爆板或分層失效現象。

　　2 典型的失效案例

　　由于PCB 失效的類(lèi)型和原因眾多，且本文篇幅有限，下面將選擇幾個(gè)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)的運用以及解決問(wèn)題的基本思路，分析的過(guò)程則省略。

　　案例一 PCB 局部爆板分析

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

　　實(shí)際上，業(yè)界的PCB 爆板案例大多與板材選用不當相關(guān)，主要是熱分解溫度過(guò)低或水分含量過(guò)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(guān)(淺色部分對應的另一面為大器件―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(wú)鉛回流焊后發(fā)生爆板現象，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(guò)切片分析發(fā)現爆板分層位置在紙層內部(圖3)。然后對同一批次的PCB 空白板進(jìn)行260 度10秒的熱應力試驗，只發(fā)現部分爆板現象。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)轉化溫度Tg 與分解溫度Td(見(jiàn)圖4)，結果顯示，板材的Tg 約132 度，而Td 只有246 度。

圖3 爆板區域的切片照片

　　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(wú)鉛回流焊接過(guò)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論。對PCB 材料的熱分解溫度測試結果表明，該PCB 的熱分解溫度為246.6℃，考慮到無(wú)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(guò)程中，樣品器件較少位置的大器件對應的背面位置研磨方向紙層開(kāi)裂玻纖層溫度和PCB 熱分解溫度接近甚至更高，而當焊接溫度超過(guò)PCB 熱分解溫度時(shí)，PCB 將發(fā)生熱分解產(chǎn)生氣體，氣體膨脹產(chǎn)生的應力將導致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，從而導致一定比例的爆板失效。

圖4 樣品基材的TG 曲線(xiàn)

案例三 PCBA 局部爆板

　　一批PCBA 樣品其中的某個(gè)QFP 器件邊緣氣泡鼓起(見(jiàn)圖5)，PCB 內部分離界面在銅箔與PP層之間。經(jīng)過(guò)包括熱應力、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(méi)有發(fā)現類(lèi)似現象和參數不合格的問(wèn)題。后在用TMA 分析材料的Z 軸的膨脹系數(Z-CTE)時(shí)發(fā)現(圖6)，基材的膨脹系數無(wú)論在低于或高于Tg 段的系數都超過(guò)標準范圍。

　　PCB 材料本身的Z-CTE 相對較高，在無(wú)鉛回流焊接過(guò)程中升溫段樹(shù)脂與金屬銅箔的膨脹系數的不匹配(Z 軸)導致PCB 受熱膨脹，在隨后的降溫過(guò)程中，PCB 變形逐漸恢復，但是在器件下端，由于首先凝固的SOP 焊點(diǎn)的約束作用，導致其下PCB 無(wú)法恢復，并產(chǎn)生較大的縱向應力，當其縱向應力大于銅箔與樹(shù)脂之間的粘合力時(shí)，將導致該位置PCB 內部分層。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(shù)脂與銅箔界面。另一方面由于該位置處焊盤(pán)及通孔的分布和結構特點(diǎn)造成該處應力不容易釋放，導致該位置較其它位置更易發(fā)生爆板失效，因此該處焊盤(pán)設計特征是加劇爆板的一個(gè)因素。

圖5 PCB表面鼓起位置及其金相切片圖

圖6 PCB無(wú)銅區樣品TMA測試曲線(xiàn)(Z-CTE)

    結 論

　　為了因應環(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(guò)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(lái)早期失效現象頻頻發(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)、設計、工藝以及質(zhì)量保證技術(shù)等多方面著(zhù)手才能達到目的，其中作為質(zhì)量保證技術(shù)中的關(guān)鍵，失效分析也越來(lái)越發(fā)揮著(zhù)它的重要作用，只有通過(guò)失效分析才能夠找到問(wèn)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(guò)幾個(gè)典型的案例介紹了熱分析在PCB 分析中的應用，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。

來(lái)源：熱分析技術(shù)在PCB失效分析中的應用