第五章材料表征分析方法 主讲人 : 杨振国 单 位 : 材料科学系 办公室 : 先进材料楼 407 室 联系方式 : zgyang@fudan.edu.cn 65642523(O)
高端 PCB 用复合材料 的失效分析 杨振国 ( 复旦大学材料科学系 )
提要 1. PCB 技术的发展趋势 2. PCB 产品的质量状况 3. PCB 的失效形式和原因 4. PCB 的表征分析方法 5. 典型案例的失效分析
1. PCB 技术的发展趋势
1. PCB 技术的发展趋势 PCB(Printed Circuit Board) 的功能 印制电路板 (PCB) 是由金属体与绝缘体交替叠合的 并经热压及电镀互连的一种层状复合材料 作为电子器件的载板,PCB 有三个功能 : 1) 支撑器件 ; 2) 互连器件 ; 3) 传送电子信号 高密度 PCB 是指互连微孔及线间距均小于 150um 我国从 2008 年起 PCB 产值占世界第一位 2011 年产值为 1520 亿元, 占世界份额的 40%; 2017 年达到 1800 多亿元, 占世界份额约 47%
1. PCB 技术的发展趋势 当今电子产品的特征是 : 轻 薄 短 小 电子产品向小型化 环保化和多功能化方向发展, 即要求 PCB 向高端化 低成本化发展 (1) 电子产品小型化 PCB 高密度化 互连线精细化 (2) 电子产品环保化 PCB 无铅化 无卤化 加成化 刚挠结合 PCB (3) 电子产品多功能化 IC 载板 埋嵌元件 PCB 光电一体 PCB
1. PCB 产品的发展趋势 表 1 集成电路 (IC) 的微型化促进 PCB 的高密度化 年份 IC 线宽 (μm) PCB 线宽 (μm) 比率 (IC/PCB) 1970 3 300 1:100 2000 0.18 100~30 1:560~1:200 2010 0.05 10 1:200 * 林金赌, 现代印制电路板的技术进展,2010 中日印制电路技术交流会, 深圳,2010.10
1. PCB 技术的发展趋势 组装技术 面积比率 典型元件 典型 I/O 数 典型 PCB 通孔插装 (THT) 表面贴装 (SMT) 芯片级封装 (CSP) 系统封装 (SIP) 系统板 (SIB) 80:1 7.8:1 1.2:1 0.8:1 / DIP QFP BGA 16~64 121~ 1600 单 双和多层 PCB 表 2 组装技术推动 PCB 的高密度化 埋 盲孔 PCB μbga SIB 薄 / 超薄 元件 1000 3000 / 刚挠 PCB 高密度 PCB IC 载板 部分埋嵌元件 PCB/ 光 - 电 PCB 埋嵌元件 PCB/ 光 - 电 PCB 现状衰老期高峰后期高峰前期发展期萌芽期
1. PCB 技术的发展趋势 智能手机用刚挠结合的 PCB 用量
1. PCB 技术的发展趋势 2000 年后世界 FPC/PCB 比值的增长率
2. PCB 产品的质量状况
2. PCB 产品的质量状况 国际 IPC 对 PCB 成品的验收要求出厂次品率 : < 300ppm (0.03%) 我国 PCB 产品合格率的现状 (1) 常规 PCB: 95%~98%, 但无铅化后下降到 95%; (2) 高密度积层 PCB: < 90%; (3) 刚挠多层 PCB: < 65%; (4) IC 载板 : < 75% 我国 PCB 的损耗量按 2011 年 PCB 产值 1520 亿元的 5% 次品率计算, 每年损失就超过 76 多亿元人民币, 损失巨大!
2. PCB 产品的质量状况 PCB/PCBA 的互连线 焊点 界面出现缺陷或故障都会引起整机故障, 严重时导致重大经济损失和人员伤亡, 影响社会的稳定 曾发生的二起重大事故与 PCB 有一定的关联性 (1)2011.7.23 甬温动车 (D301 与 D3115) 追尾事故 : 传感器信号及显示板系统故障 ; (2) 京沪高铁 CRH380BL 动车组 : 热轴误报 自动降弓和牵引丢失等故障 IPC 还没有制定出 PCB 的失效分析技术的标准!
3. PCB 的失效形式和原因
3. PCB 的失效形式和原因 PCB 的失效模式 PCB /PCBA 在 SMT 后或使用时, 一般出现三种典型的失效形式 : (1) 信号传送终止 : 短路 开路 ( 断路 ); (2) 信号中断 : 瞬间短路或瞬间突变 ; (3) 信号改变 : 漏电流 阻抗增大等 PCB 的失效形式就是电气失效这类失效与热的 电气 机械 化学 物理 材料 设计 环境等多种因素相互作用有关 只有开展系统的失效分析, 才能找到失效的根本原因
P C B 的缺陷类型及其失效原因 设计缺陷材料缺陷加工缺陷表面缺陷电镀缺陷钎焊缺陷焊料缺陷绿油缺陷存放缺陷使用缺陷 选材不当 器件配置不适 EMI 欠考虑材质不均 互连线不良 CTE 不匹配界面分层 孔壁沾污 制孔偏心 底片划伤 层合欠准表面污染 孔壁残渣 棕化不良 工艺不佳 OSP 不均镀层不规整 铜层开裂 镍黑盘 杂质吸附 药剂不良虚焊 塌陷 孔洞 冷脆 回流焊不当氧化 浸润不良 焊膏不均 焊剂飞溅绿油开裂 老化 厚度太薄翘曲变形 吸湿气 表面玷污 放置过长 ESD EOS EM CAF 过热 污染 跌落 锡须
3. PCB 的失效形式与原因 PCB 制程易产生缺陷的六个工艺 : 表面处理工艺 图形转移工艺 化镀电镀工艺 热压层合工艺 互连孔制作工艺 表面回流焊工艺 PCB 最棘手的四种缺陷 : 孔壁分离 可焊性不良 层间分层和镀层内应力
4. PCB 的表征分析方法
4. PCB 的表征分析方法 PCB 失效分析的特殊性 PCB 与金属一样, 也涉及断裂 腐蚀 磨损 畸变和衰减等失效模式, 但因材料多样化 工艺复杂化 结构微细化和尺寸效应化, 其失效机理和缺陷定位比金属难得多, 需要对缺陷微区乃至整体进行力学的 物理的 化学的 电学的等性能的综合分析 PCB 的失效与基材 线条 表面 界面 焊料 器件及使用密切相关 只有系统的表征分析, 才能确定出失效模式 失效机理 失效缺陷和失效起因 这些通用表征分析方法大致分为十种类型
4. PCB 的表征分析方法 (1) 缺陷定位方法 自动光学检测 (AOI ) X-ray 检测 (X-ray) 计算机断层扫描 (CT) 扫描声学显微镜 (SAM) 发光显微镜 (EMMI) 激光扫描显微镜 (OBIRCH) 红外热相分析 (IR TI) 红外显微镜 (IR M) 染色与渗透检测 (Dye & Pry testing)
4. PCB 的表征分析方法 (2) 宏微观形貌观察 三维体视显微镜 (3D-SM, 无损 ) 光学显微镜 (OM) 扫描电子显微镜 (SEM+ EDS, EBSD, XRF) 聚焦离子束 (FIB) 透射电子显微镜 (TEM+EDS) 原子力显微镜 (AFM) 扫描隧道显微镜 (STM)
4. PCB 的表征分析方法 (3) 材料成分分析 直读光谱仪 (OES) X 射线荧光光谱仪 (XRF) 激光诱导击穿谱仪 (LIBS) 能谱仪 (EDS) 波谱仪 (WDS) 红外光谱 (FTIR) 核磁共振谱 (NMR) 紫外 - 可见光光谱 (UV-Vis) 电感耦合等离子体 - 原子发射光谱 (ICP-AES) 电感耦合等离子体 - 质谱 (ICP-MS) 石墨炉原子吸收光谱 (GF-AAS)
4. PCB 的表征分析方法 (4) 表界面成分分析 X- 射线光电子能谱 (XPS/ESCA, 化学价态 ) 俄歇电子能谱 (AES) 二次离子质谱 (SIMS,H 成分 ) 拉曼光谱 (RAMAN) 紫外光电子能谱 (UPS, 价电子结构 ) 电子能量损失谱 (EELS) 低能电子衍射 (LEED) 卢瑟福背散射谱 (RBS)
4. PCB 的表征分析方法 (5) 物相分析 金相分析 (MA) X- 射线衍射 (XRD) 电子背散射衍射 (EBSD) 透射电子显微镜 (TEM)
4. PCB 的表征分析方法 (6) 材料热性能分析 热失重分析 (TGA) 示差扫描量热分析 (DSC) 差热分析 (DTA) 热机械分析 (TMA) 同步热分析 (STA) 热重 - 质谱联用仪 (TGA-MS) 热重 - 红外联用仪 (TGA-FTIR)
4. PCB 的表征分析方法 (7) 液体介质成分分析 离子色谱 (IC) 石墨炉原子吸收光谱 (GF-AAS) 高效液相色谱 (HPLC) 色 - 质联用仪 (GC-MS ) 色谱 - 红外联用仪 (GC-IR ) 凝胶色谱 (GPC)
4. PCB 的表征分析方法 (8) 力学性能试验 3M 胶带撕裂试验 拉伸试验 弯曲试验 剪切试验 挠性弯折疲劳试验 界面接触角测试 跌落冲击试验
4. PCB 的表征分析方法 (9) 可靠性分析与老化试验 互连应力测试 (IST) 盐雾环境试验 高低温热冲击试验 (-70 0 C~200 0 C/2min) 高低温湿态试验 (-20 0 C~90 0 C, 20%~98% RH) 高压蒸煮仪 (260 0 C/h) 离子迁移试验 (EM) 有限元分析 (FEM)
4. PCB 的表征分析方法 (10) 电性能参数分析 ( 含 IC 载板 ) 万用电表 飞针测试机 电阻率测量仪 绝缘 高压测试 抗静电放电能力分析 (I, V change < us) 板面离子污染测试 阻抗测试 I-V 特性曲线分析 半导体参数分析 频率特性分析
5. 典型案例分析 高密度 PCB 盲孔开裂的失效分析 * Li-Na Ji, Yi Gong, Zhen-Guo Yang*, Failure investigation on copper-plated blind vias in PCB Microelectronics Reliability,2010, 50 (8): 1163-1170
失效手机的基本概况 该手机的 PCB 尺寸 :81mm 38mm 0.98mm 经 SMT 器件贴装后, 存在无法开机或下载不稳定现象 经检测, 确认焊点引脚间的开路为主要失效形式 (a) 正面 (b) 反面 PCB 光板外观形貌
PCB 的失效点位置 (a) 正面 (b) 反面 PCB 表面贴装器件后的失效点位置
多层 PCB 叠层结构 叠层类型 : 1+3+3+1 积层多层板 (BUM) 1-2 层 7-8 层铜箔 激光制盲孔 2-4 层 5-7 层 机械埋孔 各层厚度 : 绿油 :39μm,28μm 铜箔 :33μm,33μm, 18μm, 35μm, 37μm, 17μm, 34μm,34μm 小计 241μm 绝缘层 :63μm,113μm,158μm,81μm,161μm, 103μm,60μm 小计 739μm 总厚度 :0.98mm 表面处理 : 化镍沉金 (ENIG) 该 PCB 明显存在局部翘曲变形
PCB 光板 -FTIR 分析 光板红外光谱特征吸收波数 (a) 树脂的 FTIR 曲线 (b)ftir 特征吸收波数的属性 该 PCB 是 FR-4 阻燃板, 基体是溴化双酚 A 型环氧树脂
PCB 光板 -TGA 分析 (a) 光板的 TGA 曲线 (b) 表面器件贴装回流焊曲线 PCB 分解温度是 323, 回流焊温度在允许的加工温度范围内
PCB-SAM 分析 (a) 试验前 (b) 试验后光板热疲劳循环的 SAM 检测 SAM 试验表明试验前后显示颜色加深, 但不能证明分层
PCBA-SAM 分析 (a) 芯片背面 BGA 焊点 (b) 底部器件焊块 失效点附近叠层板没有明显分层 焊点焊块的失效与分层没有关系 (c) 引脚焊块 (d)bga 焊点
PCB- 热疲劳循环试验 试验条件 温度循环的范围 -40 ~125 升温循环周期 降温循环周期 13min( 升温 )+20min ( 保温 ) 17min( 降温 )+20min ( 保温 ) 循环次数 200 结合 SAM 试验结果, 表明 PCB 并没有明显分层
PCB- 盲孔 A 的缺陷形态 失效缺陷 1: 盲孔开裂 ; 故障现象 : 电阻偏大 (a) 盲孔开裂正面 (b) 盲孔开裂侧面 (c) 盲孔局部开裂形貌 60
PCB 盲孔 A 的 SEM 观察和 EDS 分析 开裂界面处有脆化的 S 杂质元素
PCB- 盲孔 A 处 S 元素引起沿晶开裂
FIB 法蚀刻盲孔 A 开裂处的形貌
盲孔 B 界面开裂的宏观形貌 失效缺陷 2: 盲孔 B 开裂形貌 ; 失效现象 : 不开机 (a) 盲孔开裂正面 (b) 盲孔开裂侧面 (c) 局部放大
PCB 盲孔 B 开裂的另一形态 01 02 (a) 盲孔界面开裂 (b) 盲孔开裂形貌
PCB 盲孔开裂界面的 EDS 分析 位置 1
盲孔 B 电镀层界面的开裂形态 (a) 铜箔和电镀层 (b) 放大的界面 4800
盲孔 B 开裂处位置 2 的化学成分 01 02 (a) 盲孔宏观形貌 (b) 盲孔开裂处位置 2 (c)eds 图 Element C O S Ba Cu Total Wt% 0.66 0.41 5.82 1.2 91.9 100 At% 3.22 1.51 10.57 0.51 84.19 100
PCBA 绿油表面散落物 失效缺陷 3: 散落物形貌 (a) 焊锡散落板面 (b) 焊锡散落物 (c) 正常面板
盲孔 B 开裂的有限元 (FEM) 模拟分析 (a) 盲孔周围 FEM 网格分割 (b) 盲孔的热循环过程
盲孔 B 开裂的 FEM 模拟参数 材料类别 盲孔 B 组成材料 FEM 模拟的物性参数 弹性模量 (GPa) 泊松比 (v) 热膨胀系数 (10-6 / ) 硅芯片 131 0.30 2.8 63Sn37Pb 75.842-0.152T * 0.35 24.5 绿油 3.0 0.30 30 铜 103 0.35 16.6 FR-4 22.4 0.28 18
盲孔 B 开裂的 FEM 模拟参数 盲孔 B 组成材料 FEM 模拟的电性参数 参数 数值 定义 S 0 (MPa) 12.41 变形阻抗的初始值 Q/k (1/K) 9400 激活能 / 玻尔兹曼常数 A (1/sec) 4.0e6 指数前系数因子 ξ ( 无量纲 ) 1.5 应力系数 M ( 无量纲 ) 0.303 应力的应变率敏感指数 h 0 (MPa) 1378.95 应变硬化常数 ŝ (MPa) 13.79 变形阻抗饱和值系数 n ( 无量纲 ) 0.07 变形阻抗应变率敏感指数 a ( 无量纲 ) 1.3 应变硬化指数
盲孔 B 开裂的 FEM 模拟结果 (a) 模拟结构图 (b) 盲孔局部模拟图 (c) 裂纹尖端放大 (d) 裂纹尖端等价应力 (e) 硫铜化合物的脆性界面 da dn C( K) m ΔK 较大, 即 da/dn 较大, 裂纹扩展速率快!
高密度 PCB 失效分析的主要结论 (1) 化学镀前个别孔壁去污不干净, 盲孔镀层与铜箔间有残余的脆化 S 元素, 从而使界面结合力变弱, 这是导致盲孔壁质量不良而被拉裂的根本原因 ; (2) 多个元器件的配置不够合理, 使焊料回流焊时板面出现了局部过度翘曲变形, 从而盲孔和焊点被拉裂, 这种设计上的疏忽是盲孔开裂的重要原因 ; (3) 焊膏中有机挥发性溶剂含量偏高, 回流焊时易飞溅, 致使焊件周围出现大量的锡珠, 焊接质量变差, 故焊膏质量不佳是造成该板失效的另一原因
高密度 PCB 失效的解决对策 (1) 加强化学镀前孔壁质量的检查, 去除孔壁上粘附的残渣, 如树脂碎屑 铜屑 纤维头等, 确保孔壁表面清洁 ; (2) 采用有限元法和台架试验法相结合的模拟方法, 优化元器件和焊盘之间的相对配置, 避免过度的局部翘曲 ; (3) 对焊膏厂商提供的回流焊温度曲线进行必要的调 整和优化, 以消除现有锡珠飞溅的现象
6. 结束语
6. 结束语 轻 薄 短 小 的现代电子产品促进了 PCB 向高密度化 环保化和多功能化方向发展, 高密度 PCB 的质量可靠性面临了前所未有的技术挑战 电子产品的更新换代推动了 PCB 产业的快速发展, 但合格率过低严重影响了我国 PCB 行业自主品牌的建立, 故需要各界的高度重视 参与 研究和解决 高密度 PCB 结构复杂, 影响因素多, 唯有开展系统的失效分析, 才能找到缺陷产生的根本原因, 从而降低废品率, 所产生的经济效益将是巨大的
本讲座的引用发表物 杨振国, 印制电路板的失效分析, 金属热处理, 2011,36(s):17.
谢谢大家! 杨振国复旦大学材料系 Email: zgyang@fudan.edu.cn Tel:021-65642523 CP: 13601688242