無(wú)鹵PCB板可靠度與故障分析
文章出處：無(wú)鹵PCB板可靠度與故障分析__典型案例_蘇州天標檢測技術(shù)有限公司 發(fā)布時(shí)間:2018-08-17
印刷電路板( Printed Circuit Board，或稱(chēng)為Printed Wiring Board)為電子產(chǎn)品之母，藉由PCB，將各種電子零件予以結合導通，完成系統成品組合。
PCB之發(fā)展已數十年，然近年來(lái)，因終端產(chǎn)品日趨輕薄短小，加上電子組裝導入無(wú)鉛制程生產(chǎn)( Lead Free Process)后，不但回焊( Reflow Soldering)與波焊( Wave Soldering)組裝溫度提高，而且所增加的熱應力對傳統PCB潛在的影響更深遠，故PCB所導致產(chǎn)品失效( Defect)的案例，也較轉換無(wú)鉛制程前更為嚴重。雖然許多材料供貨商為克服熱應力( Thermal Stress)問(wèn)題而開(kāi)發(fā)出了high Tg基材或改善填充劑( Filler)種類(lèi)，卻因而衍生出許多其他問(wèn)題，如焊墊強度( Bond Pad Strength)降低、鉆孔質(zhì)量不佳以及陽(yáng)極細絲導通( Conductive Anode Filament，簡(jiǎn)稱(chēng)CAF)等狀況。因此PCB的可靠度(或稱(chēng)信賴(lài)性，Reliability)試驗，再度受到高度重視。
繼無(wú)鉛應用上的問(wèn)題外，目前各國際組織( NGO)亦積極推動(dòng)產(chǎn)品無(wú)鹵化( Halogen Free)。在必須符合無(wú)鉛制程需求且達到無(wú)鹵素含量要求，本公司亦開(kāi)發(fā)出一套針對PC板材料特性進(jìn)行可靠度驗證方法，可協(xié)助客戶(hù)產(chǎn)品進(jìn)行先期可靠度承認或產(chǎn)品固定抽樣分析。
無(wú)鹵素PCB之服務(wù)項目
|
|
溫度循環(huán)及動(dòng)態(tài)低阻試驗
PCB之溫度循環(huán)試驗( Temperature Cycling Test，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCT)為最普遍且重要之試驗手法，其經(jīng)常伴隨著(zhù)使用動(dòng)態(tài)阻值量測系統，如Data logger或Event detector。TCT的目的主要是因為利用各種材料間不同的熱膨脹系數不匹配( CTE mismatch)現象，在長(cháng)期的高溫與低溫循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生導通孔斷裂或產(chǎn)品脫層( Delamination)等問(wèn)題，以協(xié)助找到產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險。此試驗方法對于多層產(chǎn)品以及高密度互連( HDI)產(chǎn)品，具有很高的效益，亦可驗證及改善制程疊構結合( Lamination Bond)強度、電鍍質(zhì)量、制程穩定性等。溫度循環(huán)試驗亦可搭配非動(dòng)態(tài)試驗，取固定循環(huán)數予以進(jìn)行阻值測試。
對于本試驗用之PCB，可采用雛菊煉( Daisy Chain)設計，亦可采用實(shí)際產(chǎn)品板進(jìn)行試驗。使用Daisy Chain設計，有助于減少樣品數量并可觀(guān)察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。TCT試驗條件則通常以IPC-TM-650 2.6.6為主，或參考IEC60068建議。
|
|
|
濕式與干式溫度沖擊試驗
PCB之熱沖擊試驗(Thermal Shock Test，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TST)的目的是為了試驗其本體在瞬間暴露于不同的溫度環(huán)境下以及不同溫度下快速交替可能產(chǎn)生的問(wèn)題，包括本體受損、退變色、阻值變異等。
TST與傳統的溫度循環(huán)試驗(TCT)不盡相同，主要的差異在于TCT使用之溫度轉移為漸進(jìn)式，其目的系透過(guò)熱膨脹系數不匹配以突顯產(chǎn)品結構問(wèn)題。而TST在不同溫度槽之轉移時(shí)間僅10秒鐘，由于時(shí)間快速，其熱膨脹系數不匹配的現象較不顯著(zhù)，但因在冷或熱的瞬間沖擊導致材料本身無(wú)法承受而發(fā)生受損現象為此試驗之目的。
TST試驗可分為液槽式與氣槽式兩類(lèi)，均為雙槽模式。所謂的雙槽系指冷槽與熱槽分開(kāi)，透過(guò)樣品之移動(dòng)達到駐留，此駐留時(shí)間包含轉移時(shí)間，待測樣品必須于兩分鐘內達到要求之試驗溫度。依據IPC-TM-650 2.6.7中建議試驗條件，FR4材料使用condition D，而FR5材料使用condition E，總試驗循環(huán)數依規范建議至少100 cycles。
對于本試驗用之PCB，可采用雛菊煉(Daisy Chain)設計，亦可采用實(shí)際產(chǎn)品板進(jìn)行試驗。使用Daisy Chain設計，有助于減少樣品數量并可觀(guān)察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。
|
|
|
離子遷移試驗
PCB之離子遷移試驗( Electrochemical Migration Test，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ECM)為進(jìn)入無(wú)鉛化之后重要的試驗手法。與導通阻值測試不同，ECM是一種高阻值變化的試驗方法，其目的在測試兩個(gè)絕緣電路間發(fā)生短路之風(fēng)險。
ECM主要是透過(guò)金屬解離后游離至另一極性，并產(chǎn)生金屬沉積的形成dendrite 導致短路，或透過(guò)生成金屬化合物游離透過(guò)PCB內層延長(cháng)至另一導通點(diǎn)，兩者之差異主要為反應方程式的不同，發(fā)生的位置可分為PCB表面與內部。發(fā)生于表面時(shí)，其試驗方法稱(chēng)為表面絕緣電阻試驗( Surface Insulation Resistance，簡(jiǎn)稱(chēng)SIR)；發(fā)生于表面與內部間或者內部與內部時(shí)，則稱(chēng)為陽(yáng)極細絲導通( Conductive Anode Filament，簡(jiǎn)稱(chēng)CAF)。
對于本試驗用之PCB，一般采用梳型電路(comb design)設計，亦可采用實(shí)際產(chǎn)品板進(jìn)行試驗。使用梳型電路設計，有助于減少樣品數量并可觀(guān)察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。
無(wú)鹵素材料的CAF試驗結果普遍較傳統FR4材料或High Tg FR4來(lái)得差，主要因素為材料本身的特性以及其對鉆孔質(zhì)量影響甚大，造成CAF的風(fēng)險更加嚴重。
|
|
|
焊墊結合強度試驗
銅箔拉力試驗是PCB半成品壓合后必進(jìn)行之確認動(dòng)作，但此試驗僅對于半成品有效益，對于后續仍有諸多制程的成品來(lái)說(shuō)，并不顯著(zhù)。而使用焊墊結合強度試驗則是一個(gè)比較有意義的試驗方法，主要是在于其與實(shí)際的成品狀態(tài)相同，可有效模擬出組裝后維修過(guò)程中焊墊脫落的風(fēng)險度。但此項試驗并無(wú)允收規格，常是以樣品測試值的標準偏差或者Cpk來(lái)觀(guān)察質(zhì)量穩定度，亦可藉由歷史資料比對結果。
|
對于無(wú)鹵素材料來(lái)說(shuō)，文獻紀錄均以傳統的Peeling Test作為觀(guān)察，認為其接合強度較典型FR4差。
|
|
耐熱模擬試驗
耐熱試驗在PCB的使用上一般以浸錫法288度為主，但因為目前產(chǎn)品主要以SMT組裝為主要方式，因此進(jìn)行Reflow模擬成為更有效益的方式，此法已被列入標準測試方法中IPC-TM-650 2.6.27。
|
|
IPC-TM-650 2.6.27 回焊模擬測試建議條件
|
此試驗可采用Daisy Chain進(jìn)行阻值監控，每一次試驗后須進(jìn)行量測阻值已確認失效發(fā)生的試驗次數。此法亦可作為制程質(zhì)量仿真監控，尤其對于壓合站與電鍍質(zhì)量有很好的效益。
|
|
動(dòng)態(tài)熱油試驗
動(dòng)態(tài)熱油試驗，并不算是真正的可靠度試驗方式，經(jīng)由使用Daisy Chain進(jìn)行導通阻值的監控，以得到實(shí)際的失效位置以及失效現象。
熱油試驗???條件如圖所示，透過(guò)此快速試驗法，可將制程中早夭問(wèn)題點(diǎn)予以找出，可作為研發(fā)或新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程對制程質(zhì)量的確認，并進(jìn)行質(zhì)量改善，再以此重新驗證。
|
|
|
CTE與Tg量測
熱膨脹系數CTE與玻璃轉換溫度Tg是無(wú)鹵素板材基本試驗項目。由于多數無(wú)鹵素材料中使用大量的氫氧化金屬物質(zhì)作為填充劑，因此制程中壓合條件，必須做一有效的調整。壓合質(zhì)量的良窳，關(guān)系到產(chǎn)品結合強度，在組裝過(guò)程中，受到reflow或wave soldering熱的沖擊影響，易發(fā)生脫層( Delamination)或者爆板( Popcorn)問(wèn)題，進(jìn)而影響到周邊的導通孔結合問(wèn)題。此量測通?？梢允褂肨MA或TGA進(jìn)行。然無(wú)鹵素材料不如傳統FR4成熟，理論的Tg、delta Tg或CTE在試驗前應予以確認，作為協(xié)助判定之用。
|
|
熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion)
|
|
|
彎曲試驗
無(wú)鹵素板材，由于大量的無(wú)機氫氧化金屬填充劑的使用，導致PCB變硬變脆的問(wèn)題。彎曲試驗的主要目的在于觀(guān)察板材在彎曲后對導通孔與板材承受力的品質(zhì)風(fēng)險。彎曲試驗可分為破壞性與非破壞性?xún)煞N，依照需求或組裝程度，與以選擇進(jìn)行。
以攜帶型產(chǎn)品而言，常用的彎曲試驗為Cyclic Bending，目的是為了仿真產(chǎn)品使用時(shí)受到彎曲應力持續作用下，造成材料的疲勞問(wèn)題。另外，對于此PCB可搭配零件同時(shí)進(jìn)行，可觀(guān)察PCB于受外力時(shí)，因本身所產(chǎn)生的應變( Strain)對于零件焊點(diǎn)的影像，典型的問(wèn)題如Pad Peeling或者Pad Cratering等現象均可由此方法呈現。
此外，利用單次持續彎曲，可看出因無(wú)鹵板材硬度高，透過(guò)Daisy Chain監控下，在相同的彎曲程度下，其所發(fā)生的不良數量較傳統使用的high Tg FR4明顯高了許多。
|
|
|
機械沖擊試驗
PCB原材雖然也有機械沖擊試驗，但因裸板應力分布上的問(wèn)題，并無(wú)法顯現出產(chǎn)品結構上的真正問(wèn)題，因此機械沖擊主要是針對已完成組裝的產(chǎn)品進(jìn)行。在高G值的沖擊之下，PCBA所產(chǎn)生的形變，造成PCB與零件間的焊點(diǎn)( Solder Joint)潛變，常使結合無(wú)法承受，此問(wèn)題在無(wú)鹵素后因板子的硬度大幅增加，韌性不足，對于焊墊的結合力是一個(gè)很?chē)栏竦奶魬?，尤其在未?lái)零件腳間距( Pitch)越來(lái)越小的情形下，更值得去了解其存在風(fēng)險。
|
|
|
故障分析
如前所述PCB之發(fā)展已達數十年，由于制程的成熟，因此許多失效現象已不再發(fā)生，但由于無(wú)鉛制程及無(wú)鹵材料的導入，使得業(yè)界不得不重新重視材料變更后會(huì )遇到的問(wèn)題及現象。
|
本公司目前對于PCB可靠度試驗，依據IPC-TM-650 主要類(lèi)別，區分為化學(xué)性試驗、機械應力試驗、環(huán)境/可靠度試驗與SMT組裝模擬等，除可協(xié)助客戶(hù)進(jìn)行一系列的試驗外，并提供相關(guān)技術(shù)咨詢(xún)與故障分析服務(wù)。
