引言

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線路板的可靠性。

特別是電子組件（PCBA）的工藝復(fù)雜程度在不斷提高，印制線路板需要承受多個(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)的出場(chǎng)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。

印制線路板導(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在制造階段100%測(cè)試無異常，在SMT貼片后測(cè)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。

2、 CT結(jié)構(gòu)分析

對(duì)開路通孔進(jìn)行CT掃描分析，測(cè)試結(jié)果顯示：通孔孔壁均勻性較差，存在異常陰影，見圖1（a）；通孔孔銅平直度差。

圖1. CT掃描圖（a）三維結(jié)構(gòu)圖；（b）虛擬切片圖

3、剖面分析

將開路通孔進(jìn)行縱向剖切研磨，利用場(chǎng)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2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2.失效通孔剖面形貌

如圖3、圖4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3.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.%)

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

圖4. 失效通孔B區(qū)域微觀剖面結(jié)構(gòu)

4、孔銅晶粒形貌分析

決定通孔孔銅性能的因素有：

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5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，正常批次樣品的孔銅晶粒接近于等軸晶。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5. 孔銅金相組織（a）失效樣品孔銅；（b）正常批次樣品孔銅

5、PCB 熱性能測(cè)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)孔壁銅的沖擊力就越大，就會(huì)更容易造成金屬化孔的斷裂。

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(cè)試。

測(cè)試條件如下：

1）預(yù)處理：105±2℃，2±0.25h；

2）升溫速率10℃/min； 

3）保護(hù)氣氛氮?dú)狻?/p>

測(cè)試結(jié)果見圖6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(cè)試結(jié)果

圖6. Z-CTE測(cè)試結(jié)果

6、討論與分析

從測(cè)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3、圖4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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳雪,梅屈媛,許峰. 化學(xué)鍍銅的印制電路內(nèi)層斷裂問題研究[J]. 涂料涂裝與電鍍, 2004年05期, 第32-35頁.

[2] 周仲承,王克軍,符飛燕,余金,王龍彪. 金屬化孔常見缺陷及預(yù)防[J]. 印制電路信息, 2015年10期, 第49-53頁.

[3] 石磊,郭曉宇. 剛撓印制板鍍覆孔孔壁開裂原因分析[J]. 電子工藝技術(shù), 2011年01期, 第31-35頁.

[4] 林金堵,吳梅珠. PCB鍍通孔發(fā)生"空洞"的根本原因和對(duì)策[J]. 印制電路信息, 2010(4): 31-36.

*** 以上內(nèi)容均為原創(chuàng)，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處 ***