PCB掉焊盘失效分析

1、PCB掉焊盘失效分析、刖言：在SMT组装过程中，焊盘脱落,尤其是BGA焊盘坑裂等可靠性失效现象 时有发生，造成产品良率下降。拉脱强度是衡量焊盘与基材结合力的一个 重要参数，本文首先对焊盘拉脱失效模式及拉脱强度的差异性进行阐述； 再从材料种类和焊接条件等因素对刚性PCB拉脱强度的影响进行实验分析, 最后得出焊盘拉脱失效机理；从而提出提高拉脱强度的改善建议,为增加 刚性PCB焊盘的可靠性提供实验依据。随看电子产品朝看轻薄、高密度、多功能化等方向发展,不仅对组装和封 装技术提出了更高的要求，焊盘尺寸也随之精细化。焊盘作为PCB与电 子元器件焊接装联的必要媒介，其尺寸的精细化使焊盘的可靠性迎来了重 大

2、的挑战，一般情况下，焊盘尺寸越小其焊盘所能承受的最大拉脱力也越 小,这意味看焊盘越容易脱落。另外，在焊接过程中焊盘局部会受到热冲 击,这是导致焊盘脱落的重要原因，而手工焊接导致的焊盘脱落的失效案 例时有发生2】,但关于预防焊盘脱落的研究报道却很少,因此,对焊盘焊接 过程中的拉脱失效机理及影响因素进行研究是非常必要的%拉脱强度是衡量焊盘与基材结合力的一个重要参数，导致焊盘拉脱强度降 低的因素有很多，例如SMT制程的影响、CTE不匹配、运输过程的影响、 焊料的影响、PCB设计的影响等。本文将从材料种类、焊接条件入手，对 刚性PCB的焊盘拉脱失效机理进行分析和探究,从而提出提高拉脱强度的 改善建议，

3、为实际工艺生产提供实验依据。二焊盘则失赠式焊盘是由基铜、电镀铜层、表面镀覆层等构成，基铜层的铜牙与板材的树 脂之间形成物理结合力，该结合力影响看其拉脱强度,焊盘的表面和截面 如图1所示。焊盘表面焊盘.截面图1焊盘表面与截面图般地,焊盘脱落的界面可分为四种：1. 玻纤与树脂界面；2. 铜牙与树脂界面（铜牙残留部分树脂）；3. 树脂与树脂界面（与固化剂发生交联反应，生成立体网状结构的产物, 结合力最大）；4铜牙完全与树脂分离的界面（基铜缺失导致,制程缺陷不予讨论）。13#界面示意图和焊盘拉脱失效界面如图2所示。1#树脂22 Lk"V 1b OmnxBb USkOOMP 4«22

4、319 巧卫1欽界面示愛團2#界而示意因3#界面示立困焊盘拉班后失效界面-靠近铜牙面困2焊金反落界面的示逐困和悴盘拉脱失效界面三、实验设计3.1实验物料及设备(1 )主要物料为：FR-4刚性板材及相对应的半固化片。(2 )实验设备：万能试验机、光学轮廓仪、立体显微镜(KE )、扫描电镜和能谱仪.3.2实验方案3.2.1试板设计设计4层刚性板丄2/3为刚性芯板丄1和L4为铜箔。参照相关设计标准， 在L1和L4层上设计了一系列焊盘,测试板图形设计及養层结构如图3和 图4所示。图3测试板图形设计3.2.2实验方法(1 )拉脱强度测试参照GJB362B-2009相关测试标准，使用万能试验机对测试板进行

5、拉 脱强度测试，测试示意图如图5所示。(2 )对失效板进行微观形貌观察、外观观察以及台阶高度测试(测量以基 材为基准面的断裂面深度)。实验参数<1焊盘拉更迄庚实脸参数设计实验因素参数范国焊盘尺寸直径为1.00mm的圆盘材料种类A> B材料260. 290、320s 350第接条件焊茯0、1、2、3次，毎次3-5s?上焊1次+脫蝉1次为焊接1次设计以下条件进行实验。具体参数设计如表lo<Wf/、T耳材图5巴肢顽测更彥籬憩嵐计算方法及判定标准拉力焊盘的拉脱强度P应按此公式计算：P二F/S式中P为拉脱强度,单位为N/cm2 ; F为焊盘的最大拉脱力，单位为N , 由软件计算得出；S

6、为测试焊盘的面积，单位为cm根据GJB 362B-2009 ,焊盘的拉脱强度应不小于345N/cm2的标准值。四、数据分析4.1同等条件下拉脱强度的差异分析在接收态（未做焊接处理）和相同的测试条件下，其拉脱强度测试结果如 表2所示，发现焊盘拉脱强度的离散性较大,出现该结果的原因可能是焊 盘失效界面和断裂面的深度不一样。麦2拉Ot测试皓杲林甸（N卅）魅/Zcm：）标;緩/（N就）拉輝砌煨杲疏232703.15】声勰齡拉脱強皮典型值为2351.35N/CH?-基林面.-._个-r折力!H或浜脸冲打旷拉晚強度典型值为3680N/cm2-基材面现观察拉脱强度差异性大的焊盘失效界面,分析焊盘拉脱强度差异

7、性的原 因,如图6所示。拉脱E失效界面观家 如图6所示,在接收态下,焊盘拉脱界面主要为玻纤与树脂界面,说明此 时玻纤与树脂的结合力比铜牙与树脂、树脂与树脂的结合力都要小；拉脱 强度有差异的焊盘拉脱后玻纤与树脂界面占焊盘总面积的比例均不相同, 说明各个焊盘横跨玻纤的位置也不一样；如图7所示，测得的台阶高度测 试结果均不相同，说明不同拉脱强度的断裂面距离基材的深度均不一样； 结合玻纤与树脂界面的面积比例和基材面台阶高度测试结果可知,拉脱强 度大的焊盘拉脱的体表面积要比拉脱强度小的焊盘拉脱的体表面积大,这 是因为半固化片里的玻纤和树脂纵横交错的结构，以及基铜的铜牙长度不 均匀,导致铜牙与树脂结合的位

8、置和深度不同，因此,在相同测试条件下 的拉脱强度存在差异性，即玻纤与树脂的结合力存在差异。«3t X r <- ZX*IM m拉脱径嵐典型值拉胱強度其型值拉脱黑度典型值-1926.12N/cm2因7焊食拉脱后台阶高度測试结果4.2材料种类对拉脱强度的影响实验选用A、B两种不同种类的板材及其对应的半固化片,不同种类的材料 特性会存在差异，在320°C焊接不同次数的条件下，不同种类材料的拉脱 强度情况及其失效界面如表3所示。接收态下两个种类材料的焊盘拉脱强 度均未出现低于标准值的情况,且失效界面主要为玻纤和树脂界面,进一 步说明在接收态下玻纤和树脂的结合力要比铜牙与树脂、

9、树脂与树脂的结 合力都小;其拉脱强度有区别的原因可能是B材料本身和树脂的亲和力较A 材料低，以及铜牙与玻纤中间的树脂厚度各不相同；在320°C焊接不同次 数的条件下，两种材料出现表3所示的失效情况及失效界面的原因可能是 在焊接过程中热量对两种材料的损伤累积程度不同，其大小排序是：B> A。表3不同材料的拉脱强度情况及其失效界面材料种类拉脱强度情况及其失效界面IA无拉脱强度低于标准值的情况， 其失敷界面主要为玻纤与树脂界面B320匕焊接1次开始出现不合格情况 其失效界面至要为铜牙与孝翳r為蠱两心4.3焊接温度对拉脱强度的影响在不同焊接温度下焊接2次后进行拉脱强度测试，其拉脱强度对

10、比如图8 所示,拉脱强度情况及其失效界面如表4所示。从图8可以看到，拉脱强 度随看焊接温度的升高而降低,260°C焊接2次的条件下无拉脱强度低于标 准值的情况，且其失效界面主要为玻纤与树脂界面，说明升高焊接温度可 降低玻纤与树脂的结合力；在290°C及以上的遍度焊接2次的条件下均出 现了拉脱强度低于标准值的情况，其失效界面主要为铜牙与树脂界面，说 明升高焊接温度也可降低铜牙与树脂的结合力，导致出现这种情况的原因 是铜牙与树脂的结合力受焊接温度影响的敏感性要高于玻纤与树脂的结合 力，在受热冲击后,铜牙与树脂的结合力很可能会小于玻纤与树脂的结合 力。表4不同坪接温度的扯脱强度悄

11、况及其失效界面WC芸W坪接条件拉脱強度请况及其失效界面 “ 1260C辉接2次无拉脱强度低于标准值的清况， 失效界面主奂为玻纤与树.脂界面290：C辉接2次3209坪揍2次350'C焊接2次有拉脱强度低于标准依的清况， 其失政界面主要为铜牙与树腊界面2 wMC 8C 1VA3HCf图8不同晦瘟度耀製憂議中心：焊接次数对拉脱强度的影响在320°C的焊接温度下焊接不同次数后迸行拉脱强度测试,其拉脱强度对比如图9所示，拉脱强度情况及其失效界面如表5。从图9可以看到拉脱 强度随看焊接次数的增多而呈现下降的趋势,未焊接和320°C焊接1次的 条件下均无拉脱强度低于标准值的情况

12、，且其失效界面主要为玻纤与树脂 界面，说明此时玻纤与树脂的结合力仍然比铜牙与树脂的结合力要小，同 时增加焊接次数可降低玻纤与树脂的结合力；在320°C焊接2次和3次的 条件下均出现了拉脱强度低于标准值的情况，其失效界面主要为铜牙与树 脂界面,说明増加焊接次数也可改变铜牙与树脂的结合力,导致出现这种 情况的原因是焊接过程中的热量对铜牙与树脂结合力的损伤具有累积效应, 拉脱强度降低的原因可能是降低了铜与树脂的物理结合力,反复的热冲击表5不同坪接次毀的拉肮強度情况及其失效界面下,树脂与铜的物理结合力逬一步减弱,从而导致失效。焊接条件未焊接-320°C焊接1次320©焊接

13、2次320C焊羡3次拉脱钱皮惰况及其失效界面 无拉脱後皮低于标准值的惰况， 失效界面均存在玻纤与树脂界面 有拉脱劳度低于标冷值的悄况，失效界面均存在銅牙场树脂&树脂奇対脂界面,但不存在玻纤与树脂界厨五、焊盘拉脱失效机理在接收态下,由于各个焊盘横跨玻纤和树脂的位置和深度不一样，拉脱强 度存在差异性,即玻纤与树脂的结合力存在差异性,其失效界面大致的变 化规律如图10所示,说明失效界面存在玻纤与树脂界面时拉脱强度较大, 而有铜牙与树脂界面存在时拉脱强度较小，又由于焊盘拉脱是结合力最弱 的位置先失效，可说明失效界面存在玻纤与树脂界面时的结合力比失效界 面存在铜牙与树脂界面时的结合力要大，而失效

14、界面存在结合力最大的树 脂与树脂界面可能是由于其它两个结合力较小的界面先失效，然后对树脂 有横向拉扯的作用，从而将树脂撕扯成两部分，一部分残留在基材面，另 部分则仍与铜牙结合。S34OO 20.0KV W1rnmx8O BSECOh 糸15怯0诂 20 11SOOufn £3400 20.0KV 10 0mm x80 BSECOVP 5/1&2019 19 45SOQum*拉脱强度典型值为3466.26 N/cm2拉脱張度典型值为712.54 N/cnV規律：失效界面从玻纤与树.脂界而转变成須牙场树脂界而后，歩拉夢肆务含參騒U2 10失效界面变化规律铜牙与树脂的结合力受焊接条件影响的敏感性要高于玻纤与树脂的结合力, 焊接条件可以降低铜牙与树脂的物理结合力且焊接过程的热量对铜牙与树 脂结合力的损伤有累积效应,所以在焊接温度升高和焊接次数增加后，焊 盘的结合力的表征由较大的玻纤与树脂的结合力转变成较小的铜牙与树脂 的结合力,最后导致拉脱强度低于标准值。六、总结及建议(1)在相同的测试条件下,焊盘拉脱强度存在差异性，这与各个焊盘横跨 玻纤和树脂的位置