PCBA局部开路失效分析案例分享

summerhotaaa

一、样品不良信息描述
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0 D- n& `- r' N一款某型号的16层板，经有铅回流工艺贴装后，出现局部网络
' C4 f  G0 b" @0 A; C% c/ F. y; i开路的失效现象，现对其开路原因进行排查和失效分析。
1 o0 k" L0 K$ d2 @+ Y" a, x$ S# v样品外观如下图1所示：



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5 S  `* v8 Q1 D二、原因分析
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2.1 微切片取样分析

      对上图1所示的PCBA “导通不良区域”进行取样制作微切片（垂直切片和水平切片），使用显微镜进行观察分析，排查PCB内部网络导通情况。通过观察后发现，在此不良区域，PCB板内部出现分层并伴随有PTH孔孔铜断裂的现象，具体分析结果如下图2所示：

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由图2可知，从垂直切片（1）的整体效果图可以看出，此板分层主要发生在L21层与L22层之间；从垂直切片（2）可知，分层现象发生在PP片与棕化面的结合界面处；从垂直切片（3）—（4）可知，PTH孔孔铜厚度为18—19μm左右，孔铜偏薄（小于25μm），且分层区域存在对钻交刀口位置孔铜断裂的现象，PTH孔内无树脂，存在塞孔空洞的现象。

      另外，从分层位置水平剥离图（5）—（6）可以明显的观察到，在分层位置处L21层棕化面上，有部分存在塞孔空洞的树脂孔孔口周围，发现有物质溢出的现象，且溢出物质沿着孔口逐渐向外扩散，在孔口周围留下一圈圆形的痕迹。

2.2 分层界面SEM及EDS分析

      对L21层分层界面的棕化面及PTH孔口溢出物进行SEM观察和EDS元素分析，分析结果如下图3所示。

从图3中L21层棕化面的EDS元素分析结果可知，分层界面正常的棕化面主要含C、O、Cu三种元素，无其他异常元素。而部分树脂孔孔口附近的溢出物质经SEM放大3000倍后，外观表现为形状规则的多边形结晶颗粒形态，且这些结晶颗粒主要含有C、O、S、K、Cu等元素，因此，推断溢出物质中可能含有CuSO4等药水成分。

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2.3 板材热膨胀系数分析

      PCB板使用的材料为某高Tg板材，使用TMA测试板材的固化度、CTE和PTE，根据IPC-TM-650标准方法进行检测，分析结果如下图4所示。

由图4的分析结果可知，板材固化度为ΔTg=2.68℃，表明固化完全；板材的实测CTE值为a1=59.65ppm/℃，a2=355.2ppm/℃（超过板材datasheet中提供的典型值260 ppm/℃），热膨胀百分比PTE=3.776%，超过IPC4101标准要求的3.5%。

2.4 板材吸水率测试

      使用TGA测试板材的吸水率，下图5为测试结果：

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由上图可以看到，在经2遍回流后，板材实际吸水率为0.18%。

2.5 回流炉温曲线分析

     SMT贴装过程的回流炉温曲线如下图6所示：

从图6可知，回流曲线的峰值温度为212.0℃，液相线183℃以上时间为76.8S，为正常的有铅回流温度，未出现异常高温的情况。

2.6 分层过程模拟实验

2.6.1  热应力实验

      取1.0mm孔径的PTH孔区域，根据IPC-TM-650 2.6.8标准，进行热应力测试，然后进行切片分析，比较热应力前后孔铜的变化情况，分析结果如下图7所示：

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从图7中可知，孔径为1.0mm的PTH孔，孔铜厚度大于42μm，铜厚满足工艺要求，孔铜无微裂纹现象；热应力测试后，PTH孔孔铜断裂，且断裂位置为对钻交刀口处。

2.6.2半孔实验

      在立体显微镜下对微切片加热至350℃，进行半孔实验，观察PTH孔在受热过程中，随温度持续升高孔铜发生变化的过程。在持续加热过程中，观察孔铜结果如下图8所示：

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在半孔实验过程中，随着温度升高，PCB板逐渐膨胀，板材膨胀对孔铜产生拉伸应力作用，而且，在对钻交刀口位置或是孔铜最薄弱的位置处应力较集中。因此，随着持续加热，PCB内部树脂孔孔铜的变化过程为：“孔铜出现微裂纹→孔铜和树脂开始断裂→裂痕逐渐延伸至基材上→裂痕进一步扩大→PCBA分层→PTH孔开路”。

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2.6.3 PCBA板其他区域PTH孔确认

      为了进一步验证PCB板其他区域的PTH孔，在回流焊过程中所受到的影响，对“BGA区域”和“通孔区域”取样进行切片分析，分析结果如下图9所示：

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通过上图9可知， BGA区域树脂塞孔饱满，无塞孔空洞，PCB内部未出现分层的现象，但“BGA区域”和“通孔区域”孔铜均有微裂纹，说明在回流焊接过程中，PCBA受热发生膨胀，对PTH孔孔铜产生拉伸应力，导致“BGA区域”和“通孔区域”均出现了微裂纹，而在PCBA的分层区域，孔铜裂纹较大，表现为开路不良的现象。

三、综合分析

• PCBA内部部分区域发生分层和孔铜断裂现象，因而在电气性能上表现为导通不良；
• 分层主要发生在L21层棕化面与PP片的结合界面处，且树脂塞孔存在有塞孔空洞的现象，同时，有部分树脂孔的孔口断面有CuSO4药水溢出残留的痕迹，这说明在分层之前，树脂孔内部存在有塞孔空洞，甚至在部分塞孔空洞内部残留有药水成分，在SMT回流过程中，；
• 板材固化度为ΔTg=2.68℃，表明固化完全，PCBA板材吸水率为0.18%，说明此板经2遍无铅回流后吸水率为0.18%；
• 且板材的实测CTE值为a1=59.65ppm/℃，a2=355.2ppm/℃（大于供应商给的参考值260 ppm/℃），PTE=3.776%；在回流焊受热过程中，板材CTE过大会导致PCBA板材快速膨胀，板材膨胀又对孔铜产生拉伸应力作用，而且，在对钻交刀口位置或是孔铜最薄弱的位置处应力较集中，因此，在“BGA区域”和“通孔区域”的孔铜出现微裂纹，同时，部分树脂孔中的塞孔气泡和残留药水成分因受热体积剧烈膨胀，从孔铜裂纹处溢出，使PCBA内部应力进一步增大，最终导致局部区域PP与棕化面之间发生分层和孔铜断裂的现象，导致出现“导通不良区域”；
• 通过热应力和半孔实验模拟PCBA内部在受热过程中的膨胀变化过程，也进一步证明了由于板材CTE偏大，当持续受热时，PTH孔孔铜开始出现裂纹，并且逐渐扩大直至孔铜断裂，裂痕再逐渐延伸至基材上，最终导致分层爆板这样一个渐变的过程。
  
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四、检测结论

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（1）PCBA由于内部部分区域发生分层和孔铜断裂的现象，因而在电气性能上表现为导通不良；

（2）导致分层的主要原因为：板材CTE过大（超过datasheet给出的典型值），SMT回流焊接时，PCBA受热膨胀，对孔铜产生拉伸应力作用，导致PTH孔的对钻交刀口位置或是孔铜偏薄的位置出现微裂纹，并且逐渐扩大直至孔铜断裂，裂痕再逐渐延伸至基材上，最终导致分层爆板；

（3）另外，部分树脂孔塞孔不良，存在塞孔空洞的现象，甚至在树脂孔空洞内残留有少量药水，进一步加剧了这些区域发生分层和孔铜断裂的风险，导致出现导通不良的失效现象。

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