电子产品对PCB质量可靠性的要求演示幻灯片

1,电子产品对印制板质量可靠性的要求,1,2010.11.,2,目次,1.可靠性概述定义研究的意义浴盆曲线可靠性指标可靠性设计技术内容2.终端客户对PCB质量可靠性要求的新趋势AF无卤印制板PCB无铅化特种PCB特种要求PCB清洁度测试汽车印制板印制板表面涂敷化学沉镍金高均匀性超薄铜箔印制电子3.电子产品对印制板质量可靠性要求外部可观察特性内部可观察特性可焊性电气完整性其它特性PCB生产流程可靠性测试项目和要求,2,3,1.“可靠性”概述,1.1什么叫可靠性?（英文：Reliability）定义,国家标准的规定:产品的可靠性是指:产品在规定的条件下,在规定的时间完成规定的功能和能力.可靠性问题的研究是因处理不可靠的问题,于第二次世界大战期限间发展起来的.可靠性设计的研究始于20世纪六十年代,首先应用于军事和航天、电子等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。“可靠性”指的是“可信赖的”，或“可信任的”。平常，我们说一个人是可靠的，就是说这个人说得到做得到；而一个不可靠人是指一个不一定能说到做到的人。是否做得到，要取决于这个人的意志、才能和机会。同样，一台电子产品，仪器设备，当人们要求他工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。,3,4,(1)防故障和事故障发生,避免引发灾难性的事故.美国航天飞机“挑战者号”,一个密封圈失效,起飞76秒后爆炸,7名宇航员丧失,13亿美元损失(1986.1.28)。90年代,美国UL发表文告,说中国的印制板在美国引起多次设备仪器起火,原因是中国的PCB厂使用的板材是非阻燃的,但是打上了UL标记.(2)提高产品的可靠性,能使产品费用降低,减少停机时间.GE公司分析,对发电、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高1%，成本提高10%也是合算的。可靠性高，维修费、停机检查费用损失可大大减少。(3)改善企业信誉，培强企业竞争力，扩大市场客户，提高经济效益。产品的可靠性越高，产品无故障工作时间越长。,4,1.2.可靠性研究的意义,5,1.3.可靠性指标,(1)可靠度:在规定的条件下,规定时间内完成规定的功能和能力的概率,即平均无故障时间.(2)平均维修时间:产品从发现故障到恢复功能所需要的时间.(3)失效率:产品在规定使用条件下,使用到某一时间,产品失效的概率.,5,6,1.4.可靠性特性曲线,浴盆曲线(1)早期失效期在试验和设计初期,由于产品设计制造中的错误,软件不完善,元器件筛选不够等原因,造成早期失效率高.(2)偶然失效期通过修正设计,改工艺,优化元器件,作整机试验,产品进入稳定失效期.(3)耗损失效期由于器件损耗,整机老化,维护等原因,产品进入耗损失效期.这就是可靠性特性曲线逞“浴盆曲线”的原因.,6,耗损失效期,7,1.5.电子产品可靠性设计的基本准则,产品结构与电路尽量简便.尽量造用成熟的结构和典型的电路.结构简单化,积木化,插件化.采用新电路,新器件,注意标准化.采用新技术,充分关注继承性.尽量采用数字电路,集成电路.对性能指标,可靠性指标要综合考虑.尽量采用传统工艺和习惯的操作方法.不断采用新的可靠性设计技术.,7,8,1.6.电子产品可靠性设计的技术内容,(1)元器件限额设计降低在元器件上的工作应力(电、热、机械应力等）、限额条件和降额量值。(2)热设计10法则:环境温度提高10,元器件寿命降低1/2.(3)冗余化设计一台或多台相同单元(系统)构成并联形式,当其中一台发生故障,其它单元(系统)仍在正常工作的设计技术.安全性,经济性高的场合,需特别考虑,例如程控电话总机交接系统,运行器的控制系统.,8,9,(4)电磁兼容设计即耐环境的设计,分二类:电子电路,设备,系统在工作时,由于相互干扰或受外界干扰,达不到预期的技术指标.设备系统虽没有直接受到干扰的影响,但不能通过电磁兼容的标准.如计算机设备超过电磁发射标准规定的极限值,或在电磁敏感度,静电敏感度上达不到要求.为达到电磁兼容状态,修改设计,屏蔽机箱,电源线滤波,信号线滤波,接地,电缆线改动等.(5)其它:软件可靠性设计,故障弱化设计,漂移设计等.(PCB,在湿环境,盐雾环境下,绝缘电阻产生下降,对电子产品性能产生影响),9,10,2.终端客户对PCB质量可靠性要求的新趋势,这种新要求是基于PCB向线细、小孔、板薄、积层的发展趋势，以及ROHS法令、电子产品向高频传输等社会环境下，而提出来的。2.1.AF(1)何为AF英文:CoductiveAnodicFilament中文：阳极性玻璃丝之漏电现象，玻纤纱式漏电解释板面上，二根导线或二个镀通孔相距太近，一旦板材吸收水气多时，相邻导线或孔壁其正负电极向顺着玻纤表面，而出现的电子迁移现象如图,10,11,CAF,12,CAF,13,CAF,14,PCB易产生CAF孔直径.3mm线宽.1mm原因：玻纤布表面经过“硅(砂)烷处理（SilaneTreatment），表面生成一层有机薄膜。一旦水气多时，又恰好导线底孔壁边缘压触到玻纤布时，这层薄膜具有大的极性，而呈现轻微漏电现象，称为CAF。常发生的CAF：孔壁之问，孔壁到线路，线路之间漏电。,小孔壁之间发生CAF占比例最大,13,15,能否消灭CAF？（取消玻纤布表面的有机树脂处理，铜箔表面的粗化处理，可减少CAF。但板材表面的剥离强度会受影响。）（）产生CAF的因素无卤基材；树脂中不添加阻燃剂溴(Br),而改用有机磷，A1(OH)320%以协助阻燃，但吸水率相对增多钻孔粗糙，孔壁藏水进刀量不当除胶渣（去钻污），凹蚀过头黑化不当粉红圈产生PTH（化学沉铜），孔壁渗铜孔密，线间距太细，如50微米，30微米基材中有缝隙，容易吸入水氧,14,16,粉红圈,17,2.2.无卤印制板,(1)欧盟ROHS法令，阻燃剂：禁：PBB(多溴联苯),POBE(多溴二苯醚)，五溴、八溴、十溴二苯醚.未禁：FR4主力阻燃剂（四溴双酚A）。（全球最广泛、最主要的阻燃剂，性格比最好的防火安全材料）。BSEF（溴化学国际工业组织）经多年评估，得出四溴双酚A对人体是安全、健康的，对环境不会带来风险.欧盟经8年风险评估，已批准常用四溴双酚A。70%电气设备中使用四溴双酚A，全球用量为18万吨/年.FR4板材中，Br占15-20%(重量比)。(2)为什么还要无卤基材?心理作用:有卤素作阻燃剂的板材,可能就有毒,不环保。世界环保组织,绿色和平组织(GreenPeace)施加压力：APPLE，LGE，PANASONIC，TOSHIBA，SONY，HP，NOKIA，DELL，LENOVO，MOTORLA世界著名的大的OEM,电子通信设备商,对供应商施加压力。,15,18,于是,无卤,无铅板材成为未来的板材主流,盖过一切.(3)无卤印制板附着力差.板材脆性大.无铅热风整平,元器件装配,热应力试验,爆板分层,起泡.投诉多多,报废多多.吸水率增多(为约0.8%,常规0.3%)易产生CAF(密孔区易损伤).改变传统FR4的加工习惯.钻孔要用新的钻孔参数,进刀量降低,钻速加快.黑化,对铜面作超粗化,以增加附着力.印阻焊前也要对铜面作超粗化.去钻污,参数重新修订,过度除胶渣会加速CAF.价钱也贵些(10-20%)。(原因:板材加入有机磷化合物作阻燃,P3%,若多加产生易吸水,脆性加大,成本贵.磷不能多加,只好增大A1(OH)3填料量,或混加Si02。这样阻燃性能达到了,但机加工和附着力性能下降了。）,16,19,爆板,20,爆板,21,(4)未来无卤板材仍会逐年增大,潮流不可阻挡.(客户指定)PCB厂要适应无卤板材的一套工艺,加工工艺需作一系列改变.板材厂不断改良配方.近年,投诉会更多,报废多多,退货多多。(爆板,分层,起泡,CAF)PCB厂,CCL厂在“骂”声中成长,前进.讨论:“无卤板材”叫法是否合适?(无卤标准:(C1+Br)总量0.15%,或单独CI,Br分别0.09%.)卤素包括氟,氯,溴,碘,聚四氧乙烯板材含氟多多,算不算有卤?,21,22,2.3PCB无铅化（1）PCB厂需向客户提供符合ROHS法规的证明,无铅PCB,包含四个内容：板材符合ROHS。阻焊油墨无Pb，符合ROHS。（Pb1000ppm）表面涂敷，无铅。替代的是：沉Ni/Ag,沉Ag，沉Sn，OSP，无铅热风整平。PCB裸板,检测符合ROHS。（2）近年来，无Pb印制板常出现问题：起泡，分层，爆板。引发批量退货，报废，索赔（元器件、运费、人工费，等，为PCB本身价的1030倍）。发生这类问题频次高，带普遍性。（3）主要原因：无铅热风整平，使用的焊料多为日本305配方(SnAgCu合金,锡96.5%,银3.0%,铜0.5%),或SN100CI配方(Sn-0.7Cu-0.05Ni),其熔点217,比传统的铅锡合金(37%Pb63%Sn,183)提高了34,无铅喷锡(热风整平)温度为265-270。有时候，板子喷得不好，还得返工1-2次，引起板子分层起泡。有时候阻焊也会起泡。,22,23,客户要求热应力试验，过去288，10秒一次，美国军标合格即可（孔壁不分离，不分离起泡），现在，要288，10秒，作三次。板子会分层，起泡，孔壁分离。客户SMT元器件装配，也用无铅焊料，迴回流焊波峰焊的温度也提高了，如果270以上焊接，有时一批板有几块分层起泡，客户整批退货，索赔。客户接收PCB，贮存半年，甚至一年以上，元器件装配前不烘板，270下无铅焊接，板子分层，起泡。（目前，热风整平的无铅焊料，比较多的使用SN100Cl、SCN配方，焊料成分是：Sn-0.7Cu-0.05Ni(或Ge,锗，0.005%)。（Ni的存在，减缓了铜在界面金属化合物(IMC)的扩散速度。Ge的存在，目的是形成一层保护性的氧化膜。）(而SMT波峰焊,使用305,即锡96.5%银3.0%铜0.5%配方,熔点217).PCB厂的板子被客户索赔，批量退货，有时会拉着板材厂、化学药水企业一起赔偿。爆板分层起泡引起的原因，总能同板材厂和化学药水公司拉上关系。处理措施：采购耐热性能高的FR4板材，烘板，现场服务，焊接温度调低5，265，等等。（我的一个朋友，开SMT装配厂，小批量的，他的体会是：非出口欧洲产品的装配，PCB，元器件为无铅要求，焊接元器件时为有铅，仍用铅锡合金。焊接温度比传统工艺高几十度，OK。不会爆板，分层）。,23,24,2.4特种印刷板的特殊要求.(1)品种.高频微波板.金属基印制板(铅基、铁基、铜基）。厚铜板（高频板材+特种介质层+厚铜板）。背母板（2）三特。特殊板材:DK(1.1510.5),Df,金属基,高频厚铜板材。特殊加工工艺：PTH，成型，测试独特的加工方式，设备，工艺，装配工具。特殊性能：高频通信，高速使输，高散热性，用在高档的电子通信产品上。（导线上通过的不是电流，而是信号）。,24,25,（3）市场.火爆.特种板材厂,特种PCB厂,作得好的,增幅30-50%,没受金融风暴影响。特种PCB，价格也高些（几千几万元/平方米）。但要作好特殊板不容易，挤进高档客户很难，要求苛刻。特殊板市场不大，约占全球PCB总量的4-5%。近年来，伴随着高新科技电子产品的发展，增长速度相当快。LED(发光二极管)照明正成为照明节能的大势所趋.高导热性PCB和基材,现己成为PCB行业的”热门”产品,成为PCB市场竞争中的新动向,新焦点.（4）PCB制作的难点.A.高频微波板.板材:DK2.6,2.83.2,3.5-3.8;CTE(热膨胀系数);阻燃。线宽/间距公差要求严格：IPC-6018，10%；客户很多要求0.02mm,甚至0.015mm。导线划伤，凹坑，缺口，针孔不允许。（传送的是信号，不是电流）。陶瓷板材，同FR4类似，钻孔，外形废刀具，特别的参数。（DK3.03.2),25,26,聚四氟乙烯(PTFE)难作一些.基材柔软,叠板不能多,钻孔转速要慢些；印阻焊前不能印制磨板,否则,磨伤氟树脂,附着力差;外形毛刺多,需要特种工艺;蚀刻,严格控制线宽,缺口,PTH(化学沉铜)传流FR4行不通,PTFE基材孔内不润湿,要使用特别方法,例如：萘钠化学法，等离子体（plasma）法。等等。B、金属基印制板.板材，目前用得最多的是铝基板。基板很多工厂都能作，投资也不大；但要用到高档通信电源整机上，前些年大量的板材是使用国外的，例如美国贝格斯公司的;但近二年国产板材己取得突破,例如超顺、生益、聚鼎、全宝、联茂、合正.核心是绝缘层（介质层）配方。通信电源铝基板绝缘层通常使用75微米厚度，无玻纤布的。线路铜层厚度多用4盎司。热阻，是金属基板的重要指标。击穿电压，PCB每一块要经过2000伏5秒钟（AC）检测，通过率99%，不少国内板材厂通不过。,26,27,迴流焊后，平整度要求：铝面要求微凸，不得凹进，否则影响元器件散热，烧坏元器件。外观要求严格。例如板边不得掉绿油，线路和铅面不得有任何划痕，划伤，等。铝基印制板能作好上述几方面要求的工厂还不多。铝基铁基印制板，仅作散热，屏蔽用，不考核其它指标，这类板子不难制作。C、厚铜板高频与厚铜基相结合的印制板，是特种印制板，近年来发展起来的新品种。世界级通信巨头在研发，使用。发展速度飞快。应用在手机、微波、光纤、卫星通信上，网络基载站，混合集成电路、航天、电源大功率电路等领域。,27,28,结构为3层.1)铜线路：基铜厚18-70微米。2)介质绝缘层：PTFE(树脂),有机陶瓷,约0.50.6mm。3)厚铜板：2.03.0mm。结构图,28,介质绝缘层（0.5-0.6mm）,29,特性：1)导热性,尺寸稳定性,电磁屏蔽性,高频传输性均优异,吸水率低,耐压高。2）制造复杂，难度甚高。线宽/间距：0.0750.15mm,公差0.02mm。盲孔：大量，深度1.20.1mm。凹槽，沉孔精度：0.05mm。平整度：0.2%。剥离强度：1.4N/mm。介电常数：2.1710.0，频率1-10GHZ变化DK值稳定。尺寸稳定性：0.0006mm/mm。绝缘击穿：44KV。吸水率：0.2%。CAF试验.抗阳极玻纤丝漏电试验1000小时，无漏电现象。热冲击：40150，1000周期，孔内电阻无明显变化。热阻。尺寸稳定性：600微米/米。孔铜厚：25微米。表面沉镍金：Ni3，Au0.1微米。盲孔底部不得有黑点。29,30,外观：阻焊和线路不许动刀修补，划伤（容易伤及介质层），孔和周边不得有毛刺。CTE：X-Y轴1113，Z轴变化极小(PPm/)。阻燃性：9AV-0。制造难点：1)板材：国内合适的供应商(性能要求严格，特殊)。自己压制(采购高频微波板材)。采购合适的半固化片(NOFLOW)。(DUPONT,TACONIC,ARLON)。2)钻盲孔：在铜基下深度约0.6mm,盲孔深度控制。孔壁粗糙度25微米。铜基硬，下钻阻力大，对钻机和钻头损耗大。一次只能钻一块板，一个孔要分多次钻。3)PTH：要解决PTFE，玻纤润湿问题。孔壁热冲击288，10秒，不分层，无裂纹。（一定要PIASMA，孔处理）4)线路：板子很重，10KG/拼板，任何工序操作困难。不得动刀修线路只许一次成功。,30,31,5）绿油：印阻焊前不许磨板（否则影响基材与阻焊间附着力）不许补油，阻焊不许上焊盘。6）成形：外形尺寸公差0.05mm铣盲槽，凹孔，深度精度0.1mm。PTFE铣外形，毛刺多。7）沉Ni/Au：大量盲孔，底部必须沉上Ni/Au，不许黑孔。特制夹具。8）工序流转：专用装载工具，用于各工序流转。否则线路和介质层碰撞，压痕缺口存在，影响高频信号传输。小结：终端客户对PCB厂提出了可靠性，特殊特性，交货品质方面的很多新要求。高频厚铜基板是当今最有挑战性的难度大的PCB品种之一。客户的新特性，新要求推动着PCB行业和CCL企业的技术创新与发展。31,32,2.5PCB清洁度测试清洁度测试是测定印制板表面有机、无机和离子型或非离子型污染物的浓度。常见污染的例子：助焊剂残渣，指印，化学盐类残余，颗粒类，腐蚀氧化物等。传统测试：萃取法（异丙醇75%+25%水），测萃取液的电阻率，换算成Nacl的含量，找IPC-TM-650，2.3.25，做离子污染测试，污染物水平应1.56微克/2Nacl。（表面离子污染测试仪）（10.06ug/in2）。过去，高端客户，军用板，大客户要求清洁度测试报告，出口欧美的产品也需要。一般客户对这个数据并不要求。新趋势：提高了新标准。原来IPC6012B,要求10.06微克/in2Nacl，现在提高到5或8微米/in2。把氧化钠总量分解为相关离子，如下表：,32,33,33,已经碰到多个终端客户提出这样的清洁度测试要求。国内测试仪器和测试单位，可找常州microtek。终端客户提出的可靠性要求，越来越苛刻，刁蛮。,34,2.6汽车板的可靠性（1）汽车PCB板特点：中国汽车印制板需求量挺大的。每部汽车需PCB约2平方米。人命关天。汽车板要求PCB质量长期稳定一致，考核指标多多。PCB厂管理体系严格考核（ISO16949）。客户考核，比认证公司审核更严格细致。通过以后，订单长期，稳定，不轻易撤单。通常汽车板图形线路不会太密，小孔细线不多，层数也多为2,4,6,8层。但汽车板要批量做好也不容易：线宽控制，孔内铜厚要求（25微米），外形尺寸公差要求严（0.050.1mm），外形复杂，每个尺寸都要测量，板厚铜厚要求严格，板子耐热性高，符合ROHS，阻焊严要求，外观排剔，导通孔塞孔严等。特别强调：板子的安全性，可靠性，质量稳定一致性。,34,35,2.7印制板表面涂敷（1）ROHS禁令前，PCB大量使用的涂敷层是Pb-Sn，Pb：Sn=37：63，或40：60，其最低熔点是183或190。典型的工艺的是热风整平，孔和焊盘上涂敷的是可焊性极好的铅锡合金。（2）禁Pb后，PCB厂目前采用的工艺代替Pb的有：化学沉Ni/Au，图镀Ni/Au。（Ni3微米，Au0.05微米，可焊性金)沉Ag，约0.1-0.5微米。沉Sn，约0.8-1.2微米。OSP（pre-Flux,有机可焊防护剂），0.250.5微米。无铅热风整平（NoPbHAL）。（3）上述几种无铅工艺，不同客户有不同要求。,35,36,据评估，OSP，Ni/Au，用量会更广泛些。Ag,Sn仍会有需求，占比例较小。（4）PCB镀（沉）金，有两种不同形式的金层。纯金，24K纯度，作焊接用。要以镍层打底，镍层2.5微米，金层很薄，0.05微米。孔和焊盘上沉金，或镀水金，都是可焊接的金层。例如手机印制板，多为沉Ni/Au。硬金，要求金层要有一定硬度，起耐磨作用，插拔多次，触摸开关，要用硬金。金层中含少量的钴、镍、锑金属，含量为约0.5%。印制板插头必定镀的是硬金。手机上按键开关处也是镀硬金。厚度按IPC二级标准，为0.8微米。而目前很多插头镀金为0.1，0.2微米。甚至还有镀水金（纯金）的，无厚度，插拔几次金层就掉光了。镀硬金的金缸浓度是Au58克/升，而沉金的金缸浓度是1.0克/升，镀水金的金缸浓度最低的仅0.2克/升。（5）近年来，PCB厂常被投诉的热点问题之一是：可焊性不好，不上锡，厚度不够。银层发黄发黑，沉锡变色不好焊，金层黑盘，富磷层,色泽不均等等。（PCB可焊性同电子产品可焊性关系紧密联系）。,36,37,2.8化镍金,英文全称：ElectrolessNickelandImmersionGold。简称ENIG。化镍沉金。2.8.1流程：除油（脱脂）-微蚀-活化-化学镍-化学金-清洗。2.8.2特点：化学镀Ni/Au镀层厚度均匀，共面性好，可焊接性好，优良的耐腐蚀性，耐磨性。广泛应用于手电、电脑等领域。镍层厚度3-5微米，目的防铜-金界面之间互相扩散，保证焊点可靠焊牢。化学Ni/Au已迅速取代电镀Ni/Au。化学镍是工艺关键，又是最大难点。化金层通常为0.05-0.15微米。2.8.3反应机理：化镍：铜面在金属钯催化下，通过溶液中的还原剂和镍离子开始镀镍反应。镍本身是进一步化学镀镍的催化剂，在溶液中的还原剂次磷酸钠的作用下，化学沉镍过程会不断继续下去，直至产品在槽液中取出。磷在沉积过程中同镍共镀到镀层中，化学沉镍，实际是化学沉镍磷合金。沉金：氧化还原反应。通过镍金置换反应在镍面上沉积上金。,37,38,2.8.4磷的含量：（占镍磷合金镀层的比例）低磷：1-5。焊锡性，润湿性好。含磷少，会形成颗粒状结构，耐腐蚀性差，镀层易氧化。中磷：6-9。焊锡性，润湿性，耐腐蚀性均好。磷含量控制在中磷范围为好。高磷：9-13。耐腐蚀性好，但焊锡性，润湿性均一般。焊接过程容易形成富磷层。高磷会使Ni-P层产生内应力过大而产生脆裂。2.8.5.焊接时产生的IMCIMC：IntermetallicCompound的缩写。中文：介面金属间化合物。化Ni沉Au层作无铅焊接时，金层在充足的热量下，会迅速溶入焊锡的主体中，形成四处分散的AuSn4的介面金属间化合物。金溶入的速度比镍要快几万倍（溶速为117微英寸/秒）。而只有镍和锡在较慢的速度下形成的共晶化合物Ni3Sn4而焊牢。所以说，沉Ni/Au层在焊接时形成焊接牢固的是Ni3Sn4这一层IMC（介面金属间化合物）。化Ni沉Au焊接中IMC的厚度一般在1-3微米。过厚，过薄的IMC层都会影响到焊接强度。,38,39,2.8.6焊接时焊接的实质是在镍的表面进行的。金层是为了保护新鲜的镍表面不被氧化。金层不应太厚。在焊接的温度下，很薄的金层会迅速融入焊料中。焊接时，在镍表面首先形成Ni3Sn4的IMC结构，是一层平整针状的表面。这层化合物能够降低焊料与Ni-P层之间的反应，成为很好的阻挡层。但是，熔融的Sn易于通过NiSn的空隙进入到Ni3Sn4界面，并形成Ni3SnP的界面共晶化合物（IMC），引起Ni3Sn4破裂，造成可焊性问题。2.8.7化镍金主要缺陷黑点，黑斑，黑盘。浅白（色泽不一）。可焊性差，焊点裂开。金脆。富磷层，导致焊点强度不足，元件会脱落。,39,40,2.8.8缺陷原因分析当镍层厚度小于2微米时，或不均匀的Ni层（表面处理不好），这时Ni表面显得浅白。当镍、金面受到了污染，腐蚀时，会产生黑点，黑盘。化镍后，水洗不良，水质差，或在空气中暴露太久。沉金反应过度，镍层氧化。沉金后水洗不良。沉镍金后储存条件差。当金层太厚，金在焊料中的重量比0.3时；或焊接温度不足时，会引起金的不完全扩散。这时的焊接层IMC强度不足，脆性增大，这就是金脆。当富磷层太厚，镀层中含P太高（9），会导致焊点强度不足，元件易脱落。太厚的IMC层在一定程度上降低焊点的机械结合强度。镍层的含磷量，对镀层的可焊性和腐蚀性至关重要，P占6-9合适。IMC不能太厚，控制1-3微米为宜。难点，关键点是控制好镍槽。,40,41,2.8.9富磷层太厚原因沉镍液中磷含量偏高，化镍过程控制不当。镍镀液寿命短。通常4-5MTO后，重新开缸。（MTO金属置换周期）沉镍后水洗，清洁不良，镍面被污染、氧化。被氧化、污染了的镍不会参与镍金之间的置换反应，在被沉金层覆盖后表现为富磷层。沉金过程金层越厚，置换出的镍越多，镍面受到过度腐蚀，形成的富磷层越厚。沉金不是越厚越好。焊接用金层控制在0.03-0.08微米（1-3微英寸为佳）。IMC太厚。焊接过程中是镍与锡形成焊接层IMC，磷不参与焊接。所以在失去镍的部分磷含量则相对富集，IMC层越厚参与焊接的镍层越多，则富磷层越厚。IMC控制1-3微米为合适。富磷层中P含量为15-18%，焊点开裂，焊接强度不足，元件脱落。往往发生在IMC与富磷层之间。,41,42,图1、浸金之前的良好镍面结构（镍磷均匀的分布）,42,43,图2、进入浸金槽时（未进行反应）的镍金状况（镍金即将与置换反应的形式原子交换）,43,44,图3、浸金反应完成后（镍金交换位置，镍离子游离于槽液中，金覆盖在原来镍的位置，磷由于不参与置换则镍游走之后磷的比例自然上升。）,44,45,图4、ENIG完成之后的线路板,45,46,图5、印刷完锡膏后之ENIG板,46,47,图6、焊接过程中金开始融化并扩散到焊料中，锡与镍将形成IMC层。,47,48,图7、焊接完成镍与锡形成IMC层（金完全融解后扩散到IMC层中，磷由于部份镍参与形成IMC再次富集在镍层与IMC层之间。）,48,49,图8、浸金之前良好镍面的SEM图片（为后续良好之化金提供了良好的基础）,镍面1000倍SEM图片,镍面5000倍SEM图片,49,50,图9、浸金之前良好镍面的SEM图片（切片后的SEM图片）,50,51,图10、浸金之前已出现污染、腐蚀的镍面SEM图片（为得到良好的化金层埋下严重的隐患）,镍面1000倍SEM图片,镍面3000倍SEM图片,51,52,图11、浸金之前已出现腐蚀的镍面（切片后的SEM图片）,52,53,图12、浸金反应完成后的良好金面SEM图片（良好之镍面、化金过程中又没有受到过度的攻击和腐蚀则可得到良好之金面）,53,54,图13、浸金反应完成后金面出现局部腐蚀污染的SEM图片（本身已出现污染、腐蚀的镍面或在浸金过程中受到过度的药水攻击必然得不到良好的金层）,54,55,图14、焊接完成后形成的良好IMC层、完全无腐蚀和明显富磷层的SEM照片（如此焊接镀层肯定不会有任何的失效问题）,良好之IMC层,无腐蚀、富磷层之镍层,55,56,图15、焊接完成后形成的不连续之针状IMC层、富磷层明显的SEM照片（但镍层未见明显腐蚀刺入所以在没有受特别外力作用的情况下还不至于造成零件脱落的严重后果）,富磷层,不连续之针状IMC层,56,57,图16、焊接完成后形成过厚的IMC层和富磷层（并有明显腐蚀刺入现象）的SEM照片（如此焊接层失效的可能性基本无法避免）,IMC层,富磷层,腐蚀、刺入点,57,58,图17、焊接完成后形成过厚的IMC层和富磷层（并有明显腐蚀刺入现象）的失效SEM照片,58,59,3.6.10如何保证化Ni/Au产品的可靠性。严格控制化镍工艺参数，确保制程参数稳定。确保P含量为6-9%（中磷）范围内。严格控制沉金工艺参数，确保制程参数稳定。确保沉金过程镍面不受到过度腐蚀。化镍金板贮存在良好环境中，使镀层不受污染，腐蚀。焊接装量时，管控好焊接温度和参数，确保IMC厚度1-3微米金层厚度控制0.03-0.08微米（1-3微英寸）。3.7小结：目前常见的PCB表面处理工艺有：OSP，沉Ag，沉Sn，化镍沉金，无铅热风整平，电镀Ni/Au。选用哪一种工艺，与SMT装配工艺、最终产品用途、客户习惯与要求，成本有关。最有发展希望与应用前景的表面涂覆：OSP沉Ag化Ni沉Au（ENIG）（说的不一定对，供参考）,也有学者认为：OSPNi/An沉Su,59,60,2.9.高均匀性超薄铜箔,（1）国家重点支持的高新技术领域，在PCB行业有三项：（国科发火【2008】172号文）覆铜板用高均匀性超薄铜箔制造技术，刚-挠性结合板和HDI积层板，印制板生产和组装用化学品。印制电路板（PCB）加工用化学品。（2）PCB线路图形趋势；（线宽/间距）2009年50/50微米。2010年30/30微米。2011-2012年15-20/15-20微米。（3）PCB生产要求铜箔趋势：0.5OZ（18m)，12m，9m。（4）压延铜，还是电解铜？压延铜，从18到12，9微米难。电解铜，从1812，9微米，有可能，但均匀性，脆性，延展性，行不行？成本。（5）研发高均匀性超薄铜箔项目，市场需要，有前途。,60,61,2.10.印制电子(PrintedElectronics)(引用部分龚永林资料)（）印制电子定义近年来成为全球电子界，材料界和制造界共同关注的研究热点.是指利用各种印刷技术,形或电子元器件和电路的电子产品.未来20年，会形成印制电子产业，产值达到3000亿美元（中国PCB产值2008年是170亿美元）。印制电子会发展成为与当今硅基电子相当的新兴产业，对我们现代生活质量和水平将产生广泛而深远的影响。（）特点印制技术的导入简化电子产品制造工艺;把电子电路与元器件集合在一起,连接可靠;产品轻薄、可挠固,减少体积和重量,适合各种形状要求;环保,绿色生产.目前对家是电子消费类产品,大众的,低成本的.（）应用领域器件:簿膜晶体管,RFID系统,存储器,逻辑电路;显示:有机光电显示管,有机光电广告牌,电子纸;照明:有机发光二极管;电源:薄膜太阳能电池,光伏电源;传感器:接触压力传感器,光电传感器,温度传感器;薄膜开关,等等.(印制电子应用,重量轾,体积小,成本低,轻巧,节能,可卷曲,适合成卷、批量、高效生产,对环境友好.)(小学生不用背5kg书包上学了;一把太阳能雨伞就可上网,充电,看电视了;电子标签,出版,时装,汽车,照明,广告,展会,都会发生广泛而深远的影响.),61,62,（）喷墨打印生产PCB专门对付PCB样板，中小批量板，能作单、双、多层板。喷墨打印导线、绿油、字符。不必再用CCL，属加成法生产范畴。据说，打印速度已达到每秒几千点，几万点，比目前的激光钻孔还快。节约能源，无污水处理，省去很多工序（贴膜、曝光、显影、蚀刻、沉铜、电镀等）,环保.（）难点设备:Roll-to-Roll,喷咀,检测;材料:碳浆,银浆,铜浆,纳米材料,薄膜材料;工艺:批量,高放,低成本生产,管理;市场:前景很好,国外己批量,投放市场,中国在哪些领域作为切入点？(6)印制电子与印制电路板二者关系:.技术相通-同宗;.产品相连-同源;.效能相比-印制电子优于PCB;.发展趋势-会替代部分PCB;不可能全部取代PCB;柔性印制电子会迅速成长;印制电子和PCB会同步发展.,62,63,3.电子产品对印制板质量可靠性的要求3.1电子产品质量可靠性关键指标（询张）（1）寿命，平均无故障工作时间。A.对整机通常要求：电脑，8万小时；TV，5万小时；家电，5万小时。5万小时的概念每天用8小时，365天/年，需使用17年。连续24小时/天工作，需花5.7年。如整机用10年，每天可使其工作13.7小时。8万小时的概念每天打开，日夜不关机，即24小时/天工作，需9.13年才达到8万小时。对PCB的要求，同整机。,63,64,B.翻盖手机，5万次翻盖不坏。（也有要求10万次的）如果打手机（接听和打出），30次/天，5万次翻盖不坏，可用4.57年。如果每天打、接电话20次/天，这台手机可用6.85年。如果每天打电话50次/天，这台手机只能用2.74年。可翻盖10万次的手机，用50次/天，这台手机可用5.48年。翻盖滑盖手机用到软性板，软性板（FPCB）的基础是FCCL（软性基材）。基材涉及到铜箔。是用压延铜还是电解铜？所以，基材的品质同电子产品滑盖翻盖手机密切相连。,C.某些整机电话总机：10年内无故障。（过节打不通电话，后果一秒钟也不能停）,64,65,（2）加速老化。是指与传统的老化方法相比，仍用自然加快或实验室人工方法加速完成产品的寿命实验。例如：PCB可焊性，对电子产品有大的影响。印制板表面涂敷Ni/Au，Sn，Ag，放置半年，一年后，还能否焊接？高低温试验箱，高低温交变湿热试验箱，冷热试验冲击箱。(3)热冲击试验又称热循环试验(IPC-TM650,2.6.7.2):室温(15分钟)-高温(125,15分)-室温(15分)-低温(-55,15分)的热循环试验箱中作100次温度循环试验.若PCB电阻值的增加10%,微切片观察内层铜箔、PTH孔壁和拐角无裂缝,孔壁不分离为合格.（4）高温存储如55，无湿度特殊要求，1000小时，测试性能是否正常。关键词是：寿命，平均无故障时间，平均维修时间。失效率。整机可靠性要求，对PCB是一样的。65,66,3.2PCB外部可观察特性IPC-A-600G,IPC/CPCA-6012B,IPC/CPCA-6013A(1)表面缺陷;毛刺,缺口,划痕,凹槽,白斑,分层.退货,空洞,等.分层,起泡:近年常见问题,ROHS实施以来尤为突出。退货、索赔、报废、打官司。无铅焊接，PCB厂热风整平（无铅）温度提高了，整机装配厂波峰焊温度调高了。而仍使用变通FR4板材。缺陷看不见，摸不着。（焊接温度从245270）PCB多层板子软，无刚性：90年代万门程控电话机，大量使用4，6，8层板，上海贝尔，涉及数千万元多个PCB公司,折腾几个月.（2）表面下缺陷：外未夹杂物，粉红圈，层压空洞。外未夹杂物：早期的PCB，涉及到CCL；板蚀刻后发现头发、蚊子、小虫、苍蝇，PCB厂如同动植物标本厂。粉红圈：多层板孔周边出现的粉红环。没有证据表明粉红圈会影响PCB的功能，不能作为拒收的理由。关注焦点是层压，钻孔，沉铜孔的清洗过程。目前客户对粉红圈仍是拒收的，担心影响整机的可靠性，会产生CAF。（IPC-6012B说，只要不使孔环小于0.05mm且不因热应力而扩大,粉红圈可接收.),66,67,粉红圈,分层起泡,68,(3）导电图形缺陷:附着力,缺口,针孔,划痕,表面镀层或涂层缺陷、线宽、线厚减少。附着力:焊盘起翘,抗剥强度不够.PCB同CCL总是扯在一起.尤其是在热应力试验,波峰焊以后，一旦掉焊盘，剥离强度不够，线路脱落，接到投诉，PCB和CCL往往同时作为被告。线宽,传统线宽标准是-20%。但,高频微波板,则是-10%,或0.02mm.任何的针孔,缺口,锯齿,都会影响整机的调试。OTIS(奥的士)电梯印刷板,属三级板,缺口,针孔,划痕都会影响电流通过的大小,危及人的生命,和电梯的可靠性。破焊盘:外层元件孔镀通孔焊环0.05mm，导通孔相切。内层孔至少相切,不允许破孔。元件孔若无焊环，焊上元件后不牢固，会影响整机寿命和可靠性。(4)孔的特性：孔径，对位不准，镀层缺陷，孔瘤等。,68,69,阻焊上环,环破了,70,（5）标记异常：包括位置、大小、可读性、准确度、标记、日期、商标。字符不得上元件孔焊盘，不得入孔。否则，焊接不牢，虚焊，影响可靠性。字符一定要可读。若有异议，三人分别辨认，一致为OK。单面/双面字符，一定搞清。（6）阻焊剂缺陷：对位不准、起泡、气泡、分层、附着力、擦花、厚度偏差。投诉多最难搞的PCB质量问题之一是，阻焊起泡、气泡、分层，波峰焊后少量板发生，要求把问题板子挑拣出来。经常涉及几十，几百万元的索赔。（同工艺、烘板、贮存、表面处理有关）赔元器件。阻焊上盘，不允许（或至少留有0.05mm焊环）。影响整机可靠性，焊接元器件不牢。阻焊颜色，符合客户要求。（蓝、绿、黄、白、黑）。,70,71,（7）尺寸特性：板子外形尺寸，厚度，公差。插头部位，PCB1.65mm,否则插不进插座。作一万块板，有几块超厚也不行。插头插到插座太紧不行，太松接触不良也不行。所以板材厚度（CCL）要严格控制，1.50mm。（没想到，插头厚度也会影响到整机的可靠性）。（当然，插头N:/Au厚度也要严格控制。）（8）平整度.对PCB,标准要求,SMT板0.75%;其它类型的板1.5%.实际应用中表面贴装板许多客户要求0.5%。对铝基PCB，要求平直，铝面微凸。焊装完元器件后，铝面不许凹。热量散发不出去，烧坏电源，影响整机可靠性。,71,72,3.3.PCB内部可观察的特性。只有作破坏试验,作显微切片(金相显微镜),才能观察到的印刷板的内部特性。（1）多层板材表面下的缺陷：空洞、分层、起泡、层间间距。层间间距，即介质层厚度，0.09mm。否则，耐电压会有问题。作软-硬结合板，厚铜基板分层，常使用无流动树脂的半固化片，即NOFIOWpp。层压及分层，起泡、同PP、黑化、层压工艺有关。（热应力试验，228，310秒）。（2）镀覆孔异常：孔尺寸、环宽、镀层厚度、结瘤、裂缝、树脂钻污，阻碍剂厚度埋盲孔填充，等。孔壁铜厚：元件孔20微米(二级),25微米(三级板)；盲微孔12微；埋孔15微米。孔壁铜厚不足，焊接元件时会发生炸孔，孔壁分离，任何一个孔的问题都会影响整机的可靠性。有时候，拍几下机器会有图像，隔一会又消失，往往就是孔壁分离，焊接问题。客户重点抽查的项目，退货、索赔、报废的主要原因之一。（山寨厂、小厂、往往作民用低价电子产品，玩具，孔内铜厚度常是问题）。有的客户专门找小孔作切片，孔铜不足，拍片、退货、报废。,72,73,内层铜箔裂缝,孔壁裂缝,74,镀铜裂缝：孔壁镀层裂缝，拐角镀层裂缝，内层铜箱裂缝，外层铜箱裂缝。所有优质客户都是不接受的。有了裂缝，就有可能热账冷缩时断裂，设备不可靠。埋盲孔弃填：60%树脂充填，以防焊料进入。（75%盲孔被充填IPC6012B）孔尺寸：三级板，元件孔公差0.050.075mm。(孔内铜太厚,比如50微米,孔径变小,板子拒收)环宽:内层不许破环,可相切.否则会影响电气互连。阻焊层：不允许阻焊上焊盘，线上和拐角的阻焊不发红，厚度8-10微米。（3）导线厚度：导体厚度不够，传导电流时可能会被烧断。外层，为铜箱十镀层铜度。IPC标准作了具体规定，如0Z铜箱，成品板导线最小厚度是33.4微米(2级),38.4微米(3)级;10Z铜箱,成品板导线最小厚度48微米(2级),53微米(3级)。内层，铜箱厚度。基于制作过程，返工等因素，IPC标准，0Z铜箱箔工艺后至少要求11.4微米;10Z铜箱,工艺后至少要求厚度是25微米。,74,75,可焊性,76,3.4.可焊性。IPC6012B,单独的焊接连接区,允许5%半润湿。IPC600G，所有镀覆孔焊料应完全攀升，孔径小于1.5mm的孔被堵塞。实践上，所有的孔都要填饱满，100%润湿。不可焊因素很多，表面涂数层厚度（如Ni/Au，Sn,OSP等），板子贮存时间和环境，焊接工艺，焊料等，可能都有关。可焊性是客户关注PCB品质的重点项目之一。3.5.电气完整性，E-test测试。亦叫通断测试,必须100%板子作测试,测开/短路。测试过的板，并非完全100%都是OK的。到客户处装上元器件之后经常会发现有问题板。涉及因素是多的：夹具制作，取测试点，测试电压，导通孔孔径小测不到。测试不合格返工，切断开路，在运输过程中受挤压又连接上引起短路。高密度板，线间的铜毛刺，细丝也会引起重新桥搭短路。,76,77,E-test只能测开/短路，对线宽，毛刺，缺口的判断是不行的。客户可接收的E-test多大的不合格率？通常是万分之1-3，（一万块板中有一两块接收，提下意见；万分之五以上或千分之一，就会退货了）。电性能测试水平，直接影响到电子产品的质量形象，可靠性。3.6.其它特性.(同产品质量可靠性有关)（1）热应力：IPC-TM-6502.6.8,288，10S浮焊，1-3次，微切片观察，镀层不分离，无裂缝，孔壁与内层结合完整，不起泡。（2）热冲击：-55-室温-125-室温，100次。观察微切片孔内电阻值变化，若增大10%电阻，拒收。金属化孔裂纹,孔壁分离拒收。（IPC-TM-6502.6.7.2),77,78,(3)绝缘电阻:(IPC-TM-6502.6.3)验收态,IPC2,3级板,500M为合格。印刷板印阻焊前磨板,不用纯水洗,即印阻焊油墨,钾钠钙等被包在阻焊层下面,会大大降低绝缘电阻数值,板子在客户处调试出不来。印刷板不用印绿油（阻焊），蚀刻后不用纯水洗，板子交客户，也会引起绝缘电阻下降，客户退货，电子产品调试不出来。（山寨厂易出现的问题）（4）清洁度：表面离子污染测试，离子污染度1.56g/2氯化钠。（IPC-TM-6502.3.25)(5)铜纯度,延伸率,抗拉强度IPC-TM-6502.3.15.镀铜纯度99.5%。,78,79,IPC-TM-6502.4.18.1.抗拉强度245Mpa(铜试样厚度50100微米),延伸率6%。（6）剥离强度IPC-TM-650（GB/T4788-2002）FR40.7N/mm,(通常1.01.3N/mm)(7)阻燃性：UL-94V-0，9A-V-1，94-V-2UL-V-TM-0，94VTM-1，94VTM-2（薄型材料）（8）阻抗测试：IPC-TM-6502.5.5.7.采用时域反射计,目前50欧姆,75欧姆,100欧姆,误差5%,10%.电脑多层板,通信用多层板,很多客户要求100%测试.仪器多使用英国polar公司的特性阻抗测试仪.(9)介质耐压测试.IPC-TM-6502.5.7.间距0.08mm,IPC2和3级板500VDC,30秒不应有电弧,火花,放电,击穿现象。军用板1000VDC。(10)测Tg,Dk。,79,80,3.7.综合案例。上年.海尔-某PCB公司打官司。电子产品：手机。问题：会死机，自动跳号，自动拨号，不能开机。合同额：供货400多万元，加上库存，共约250KPCB（25万块、（1617元/PC）客户损失：售后损失+分析费+退货损失+质量索赔，约近600万元。预期损失2310万元。打官司索赔：3000万元（首先查封PCB厂银行1200万元帐户）。原因分析：PCB问题。（1）焊点有断裂，Ni/Au界面富磷，BGA焊点变脆。（2）网络间电阻偏小，要求1兆欧，实际3-30千欧姆。（故障加热烘板，缺陷消失（2）微短路，CAF，铜离子迁移。总的问题是:电子产品质量可靠性问题.,80,81,2107名消费者投诉。PCB厂理