PWB失效问题分析.ppt

1、1,PWB失效問題分析,Prepared by : PFA Lab Date : 2013.6.25,2,PWB概述 分析重要參數 PWB問題分析 案例分享 Q 2.2 實驗分析、主要參數量測進行最後判定。,2. PWB允收定義 :,PWB=PCB,4,3.1 一級（CLASS 1）: 是指消費性產品包括電視玩具娛樂性電子製品以及非關鍵性工業 控制零組件。這一級的電路板（常見於單面板），只要電性功能沒有問題有漆覆蓋也可，外觀的缺陷並不是很重要。 3.2 二級（CLASS 2）: 為一般工業製品（General Industry）包括電腦通訊設備商務用機器儀器等。這一級的板子適用於高性能的商務及

2、工業製品而且需耐長期使用穩定度較好，尚可忍受某些表面的缺陷。 3.3 三級（CLASS 3）: 為高信賴度需求之產品級,是指長時間連續操作並能發揮功效之設備，包括醫療，軍用，太空電子設備等。不可中斷特性為此產品之關鍵例如救生設備就無法忍受在使用中所發生之故障。,3.PWB分類 （根據IPC規範）,5,4. PWB製作流程簡介,前制程治工具製作,外觀成型製作,4.PWB 組成與測試,基礎Epoxy 多功能環氧樹脂 (Tg, 2 filler) 固化劑 (Td) 溴化劑(阻燃性) 膠片+壓合+鑚孔.表面處理,PWB上下游耐熱性測試,PWB的主要材料有：銅箔、PP、基板、防焊阻劑、文字油墨等（如圖1

3、）。,圖1,有機保焊膜 OSP (開封後24Hrs內焊接完畢) 浸鍍銀(Immersion Silver) 化鎳浸金 (ENIG) 鍍金板(Electrolytic Ni/Au) 化鎳化鈀浸金(ENEPIG) 噴錫板 (HASL) 化錫板(Immersion Tin),5.PWB選擇 (Lead free),PCBA 照片,銅表面處理,8,6.1 外觀檢查 外觀檢查超景深3D立體顯微鏡、金相顯微鏡(200 x)、普通體視放大鏡等工具來完成外觀檢查。 a. 污染物 b. 腐蝕 c. 掉漆 d. 斑點凸起位置 e. 裂痕等 6.2 X射線透視檢查 a. 檢查內部線路 b. 線材開路或短路等,6.

4、PWB失效分析技術 (進料檢驗),6.3 .金相切片分析 切片分析就是通過定位、切樣、初磨、鑲嵌、抽真空、細磨、拋光、觀察、微蝕、再觀察等一系列手段和步驟獲得PWB截面結構的過程。通過切片分析可以看到PWB內部結構: a.通孔 b.鍍層等的品質資訊， c.切片判定參考IPC標準的IPCTM650 -2007，GJB 4027A2006和相關採購規範流程進行判定。,由於LF焊接之熱量大增，除了對零組件與銲點造成重大影響外，又在現行板材樹脂的“耐強熱性”不足下，也對PWB帶來極大的傷害，其中尤以RCC中的背膠受傷最重。為了避免LF對板材所造成不定時不定點的漲裂起見，主樹脂的改善已成為必須的途徑。此

5、等耐強熱的板材品質規範IPC-4101B，已在2005年Q3正式發佈，除將認同已久的Tg正式納入規格單（Spec. Sheet）之外，還更加入三項耐強熱的全新品質要求： a. 裂解溫度 b. Z-CTE c. 耐熱裂時間,1.板材漲裂,分析重要參數,以“熱重分析法”（Thermal Gravity Analysis） 將樹脂加熱中失重5%（Weight Loss）之溫度點定義為Td。 目前各種基材抗LF之起碼Td定在325以上。,2. 裂解溫度（Decomposition Temp，簡稱Td）,10,簡稱TMA量測板材Tg以上的“熱脹係數”（2-CTE），目前此後段熱脹係數之上限定為300pp

6、m / 。,玻璃態,橡膠態,3. Z-CTE採“熱機分析法”（Thermal Mechanical Analysis),採TMA法將板材逐步加熱到260、288，或300之定點溫度，然後觀察板材在此等強熱環境中，能夠抵抗Z脹多久而不致裂開，此種忍耐時間即定義為“耐熱裂時間”。目前訂定起碼規格: a. T260為30分鐘; b.T288為5分鐘; c. T300為2分鐘。,測試報告 : X 軸為所經歷的時間 ,Y 軸為板厚,測試儀器,4. 耐熱裂時間（T260、T288、T300）,綜合上述所論歸納以下三點板材特性 : 2 Z-CTE 橡膠態者上限為300ppm/ ,降低 Z-CTE 最有效的方

7、法就是添加無機 Filler (參無鉛焊接與爆板4.3.2.Fig 18) 三種（T260、T288、T300） TMA式耐熱裂時間又以 T288 較常用，平均以 5 分鐘為允收標準 Td 為主, 而T288 為客, T288等與無鉛焊接的峰溫高低有關，就總體耐熱性而言 , Td訂定在325以上,13,PWBA熱量增大的LF Soldering其對濕氣的受害敏感度更甚於TL，也就是受到“電化學遷移”（Electro Chemical Migration）的威脅將更為險惡。此種ECM針對PWB 板面導體之間，會出現Dendrite的缺失，或在板材玻纖束中會發生CAF（Conductive Ano

8、dic Filament）之絕緣性不良。 通常各式ECM須在四種條件齊備下才會發生，即吸入水份板體不潔而帶有電解質露銅或露錫兩導體間出現偏壓（Bias）。PWB或板材較容易避免之項目即為“吸水”與“清潔”。而目前CCL業界最可行性的方法，就是將硬化劑由Dicy改為PN/BN以減少吸水。,5.板材對濕氣敏感,CAF的含有腐蝕的銅 , 起源於線路的次表面陽極向陰極生成 , 通常發生在玻纖與樹脂的介面,CAF發生的示意圖,15,PTH-PTH之間的CAF生長最快原因為 : 1. 不良的鑽孔及後續的熱循環 2. 較多的玻纖束連接於PTH間產生正, 負電極 3. 電鍍濕制程藥水的離子污染殘留於孔壁 PS

9、 : CAF是生長於板材間的玻纖砂間 , 從陽極向陰極生長 稱為:玻纖絲陽極漏電,CAF最易發生的位置,16,電化學遷移的切片,此為多層板PTH之間電化遷移的現象,特稱為CAF!,17,電化學遷移的反應機理,18,此為板面上電化遷移的現象,特稱為ECM!,19,6.PCB可焊面表面處理,保焊劑(OSP) -Organic Solderability Preservatives 噴錫(HASL)- Hot Air Solder Leveling 浸銀(Immersion Silver Ag,I-Ag) 浸錫(Immersion Tin Sn,I-Sn) 化鎳浸金(Electroless Nick

10、el Immersion Gold, ENIG),表面處理的功用:因為銅焊墊極易氧化,所以在焊錫製程之前,保護焊墊不被氧化,而且焊錫時能有良好的焊錫性!,台達PWB使用現狀,以OSP表面處理為主;(台達規格: 0.20.3um),20,資料摘錄取於22期印刷電路板會刊,成本最經濟,a. 各種表面處理比較,21,b. OSP的焊接過程:,此為OSP表面處理焊接中 , 助焊劑把OSP皮膜驅逐而裸露出清潔銅面的焊接過程,c. OSP 之優點與缺點,優點： 成本較便宜 製程簡單便捷 焊在銅面形成 Cu6Sn5強度好 容易重工 第五代以後耐熱性能已大幅改善,缺點： 量產板不易直接量測膜厚 皮膜顏色透明較

11、不易外觀檢查 儲存較易受濕氣影響 錫膏印偏後不易重工 完工皮膜無法進行電測,23,d. 沾錫性測試比較 ( Wetting balance ),此表為OSP膜厚評比結果以 0.3 m最佳 , 在實際組裝焊接工序上不可能重工到 5 次Reflow ,24,a.太薄的皮膜無法抑制銅面氧化 ; b.但太厚則會導致錫膏中的助焊劑, 無法將皮膜完全驅除推開 , 會產生焊性差且容易形成空洞( 無鉛時代大多採用低活性以降低離子污水 ) 。,f. OSP皮膜厚度對焊錫的影響,外觀目視限度樣本,26,f.OSP厚度品質檢查,現行間接測厚法,By SEM/EDS,27,g.如何控制OSP膜厚?,PH值 為控制膜厚

12、穩定的最重要因素. pH值通常會愈來愈高，因為醋酸會蒸揮發掉，水洗槽也會 帶來水份. 高pH值會讓OSP膜厚增厚. 浸泡時間 可由線速來控制膜厚 槽液溫度 溫度愈高膜厚愈厚，建議控制在35-43. 活化物的濃度 其濃度變動之因素包括槽液水份之蒸發、帶入之水量及 帶出之槽液量、酸洗或微蝕液之污染等,28,29,X-Ray 檢測特點： 在不破外樣品的情況下，目視及其他外觀設備所不能看到的內部異常現象，透過X-Ray就可以輕鬆快捷地排查異常。常用檢測類型有：元器件內部結構檢測、連接線材內部開路 (2).內層芯板與半固化片供應商不一致導致高溫下漲縮不一致而分層; (3).後製程機械拉力過大，噴錫或焊錫

13、（外掛程式）熱量過大及中產生爆板; (4).主要發生在鑽孔密集區此類原因也可歸結於膠片吸潮或流膠量增大，附著 力減弱造成; (5).膠片揮發度較大，壓合過程中易產生微氣泡，形成空洞，高溫下易 產生白點; (6).層壓結構設計問題，半固化片含膠量不足，壓合 過程中導致有銅區僅留玻璃布，銅面與膠片間無粘性，易形成織顯，高溫下產生白點。,60,案例3：起泡的銅箔,可能原因： 壓合中不當藏入水分、空氣、或污染物 壓合中熱量不足，歷程太短，膠片品質不良，壓機性能不好導致硬化程 度有問題。 內層板棕化不良，微蝕深度達不到要求，棕化膜太薄或硬度不夠 內層板或膠片受污染 膠流量不足 流膠過度，膠片所含膠幾乎全

14、部被擠出 壓合時壓力不足，過度減壓造成流膠量不足或接著力不強,61,案例4：被咬蝕的通孔,a. V5不良狀況： 切片發現V5處導通孔內孔壁被咬蝕斷開。 b.原因: -鑽孔不良。 -有毛刺。 -或者沒有洗乾淨。造成空金屬化的時候鍍層不均勻。,62,孔壁銅層發生見底性破洞。 破孔的原因主要有： 1.鑽孔粗糙挖破玻纖布，以致深陷處不易完成金屬化及電鍍銅層。 2.直接電鍍處理不良，或事後出現脫落，此時通孔中間常出現環狀孔破。 3.鍍銅孔壁原本良好，但事後被其他制程所弄破或咬斷。,案例5：孔破,63,案例6：導通孔斷孔與Open,孔內鍍銅層的抗拉強度和 延展性，在焊接過程中受熱情況下容易造成斷裂，加之材

15、料本身的膨脹係數較大，進一步促進了孔銅的開裂。,原因:,64,案例7：爆板,爆板原因參考:A.PWB吸濕經高溫容易爆板， B.PWB製作壓合過程出問題。,65,案例8：爆板,爆板原因:在PCB壓合段出現問題，後經過爐爆板。,66,案例9：玻璃紗陽極性漏電,本案例為滲銅是導致2個孔之間的絕緣性降低而產生的CAF狀況。,原因: 鍍孔後其相鄰通孔銅壁之間，必定會出現玻纖紗束彼此之搭連(HoletoHole；H/H)，甚至當相鄰兩導線之根部恰巧踩在同一束玻纖紗上(TracetoTrace；T/T)，或導線之根部與孔壁之間經過玻纖紗的接(T/H)，又或者層與層之間(L/L)經由玻纖紗溝通等潛在風險。,67,由滲銅演變為CAF的