互连应力测试原理.doc

互连应力测试（IST）原理 2009-7-20 作者: 章敏 摘要:在PCB 制造过程中，对PCB 内部应力测试是衡量其可靠性和质量好坏的一个关键而重要的因素。传统已经普及的测试方法有过回流、冷热循环及过波峰焊等，IST 测试与其不同之处在于这种测试对电路板品质能够在较短的时间内洞察可能的失效模式，快速而准确地做出评估，直观而客观。同时IST 机能够在线全程记录过程数据，随时监控每个过程循环的状态，做到有据可查且数据唯一。本文主要就IST 的测试原理以及如何实现测试进行介绍。关键词：IST 失效孔内层互连一、IST 测试原理介绍1.1 IST 测试附连扳根据IPC-TM-650，IST 测试技术通过在特定的附连扳内层和通孔的连接回路上通3 分钟的直流电，使被测COUPON 测试区的温度升温至设定的温度。测试采用直流的通断使测试COUPON从室温达到设定温度，在温度变化下对被测Coupon进行抗疲劳测试，加速潜在问题的发生。IST 建立一个热循环系统，并作用在一种特殊的试样上，同时监视金属化孔（PTH）和内部互连线路（Post）的电气完整性。试验通过循环测试为生产出的成品性能作一个鉴定。进行IST 测试需要设计特定线路连接的IST 测试附连扳。图1为IST 附连扳的外观图，图2所示为附连扳的内部构造。从图2中可以看到IST 科邦拥有比较复杂的内层线路设计。附连扳中含有两条独立的线路，一条线路用于接受直流电流并产生热量（称为P 端），另一线路接受P 端传导的热量（称为S 端），同时可以用来决定和监控附连扳温度。P 端的内层连接线路与S 端的内层连接线路是平行连续且相互交迭的。这种菊瓣状的设计使内部热的传输良好，且热传导的均匀性良好，使测试效果更为准确。1.2 IST 测试失效机理IST 对P 端施加电流，产生的热量传导至S 端，附连扳的特殊设计为热量的传导提供了有力的保障，此过程中材料的受热膨胀能够拉动金属化孔的胀缩，通过这种胀缩疲劳看金属化孔质量的变化，从而衡量过程品质的好坏。图3 为IST 测试过程中存在的金属化孔随着材料胀缩的示意图：从图片中可以看到，通孔、埋孔及盲孔处都会发生应力的变化，若这种不断的应力变化在规定的循环次数之内导致孔壁出现孔壁裂缝，层间分离及其他可见缺陷到一定程度时，认为该附连扳失效，也就意味着对应板的可靠性值得怀疑，同时也反应了过程中的控制不到位。二、IST 测试的实现2.1 IST 测试如何实现热转换IST 测试过程中主要靠加电流产生热量，机器自动找到适合于附连扳3 分钟之内将P 端加热到某设定温度的电流，S 端接受P 端传导的热量，若需要降低温度，机器在切断电流情况下使用特制风扇保证3 分钟将温度降低至到室温。为了保证此效果，机器有健全的控制系统。同时由于P 端直接接受直流电流使其热量足以传导至S 端，并且达到某温度，为了实现以上要求，机器要求P 端的室温电阻值范围在150mohms2ohms。P 端超过此范围的科邦测试将导致机器系统无法正常工作，很难将测试进行下去。由于P 端本身电阻值较小，为了电阻测量的准确性，机器采用4 线制测量方法。2.2 IST 如何实现失效判定当附连扳由于某种原因失效其客观现象表现可能为孔壁裂痕、层间分离、孔口断裂等，如下图这样的现象出现都将导致微观上的电阻变化，IST 测试就是通过电阻的实时监控来判断失效与否。那么究竟电阻变化多少将认为IST 附连扳失效呢？目前IPC 给出的建议标准为10%,但实测过程中可以根据板的附连扳进行标准值的设定。当有失效发生之时，IST 测试系统界面将会实时记录附连扳电阻的变化情况，P 端及S 端都可能引起失效，但由于P 端和S 端是两个孤立的电流网络，P 端直接接受系统的直流电流，S 端接受P 端传导的热量，因此P 端的失效与S 端的失效所表现的现象是有一定区分和规律的。P 端通直流电流，它与内层关联，若P 端出现失效，电阻的变化多数与内层连接如蚀刻特性有关，图7 所示的层间分离常常是通过P 端的失效发现的。若S 端失效，其电阻变化多数与金属化孔的电镀质量有关。如图4、5 、6 所示。另外IST 测试系统将有自动监控显示电阻值的变化，当电阻值的变化达到设定值的时候，此附连扳的IST 测试停止，而其他未失效的附连扳将继续进行测试。2.3 IST 如何找到失效原因当失效产生之后，将失效科邦进行红外扫描，找到失效点切片进行分析。如图8 所示。三、IST 测试所适用的板特征在IPC的规定当中，IST 有效的测试范围一般为下表1。在实际应用过程中，若要保证操作系统能够运行必须保证所测IST 的P 端电阻保持在150mohms-2ohms 之间。有些厚铜箔板及背板由于其铜厚较厚同时孔较大，电阻很难控制，以至找不到合适的电流进行测试。因此要进行IST 的测试，需要选择合适的科邦。同时在进行IST 测试之前，需要检查IST 附连扳的质量，这也是保证试验能正常进行和数据有效性的必要工作，如检查外观是否有可见缺陷，对位情况如何，孔铜厚度等表1 IST 测试范围条件IST 范围建议条件被测COUPON 数16 6 测试温度50250 150 最大电阻变化1100 10 最大测试循环次数14000 250（1day） 资料收集频次1100 次循环10 次循环冷却速率0.52X 加热时间0.66 操作台面系统/用户自设计系统结论：IST 的测试结果是通过准确的数据反映出来的，因此大大降低了测试结果的不确定性。附连扳中的数百个PTH 和互连结构的品质都可以从测试结果中反映出来，所以发现随机出现的和潜在的品质问题的能