熱分析技術在PCB失效分析中的應用

   前言

　　PCB 作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐已經成為電子信息產品的為重要而關鍵的部分，其質量的好壞與可靠性水平決定了整機設備的質量與可靠性。隨著電子信息產品的小型化以及無鉛無鹵化的環保要求，PCB 也向高密度高Tg 以及環保的方向發展。但是由于成本以及材料變更的原因，PCB在生產和應用過程中出現了大量的失效問題，其中許多多與材料本身的熱性能或穩定性有關，并因此引發了許多的質量糾紛。為了弄清楚失效的原因以便找到解決問題的辦法和分清責任，必須對所發生的失效案例進行失效分析。本文將討論和介紹一部分常用的熱分析技術，同時介紹一些典型的案例。

　　1 熱分析技術

　　1.1 差示掃描量熱儀 (DSC)

　　差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry)是在程序控溫下，測量輸入到物質與參比物質之間的功率差與溫度(或時間)關系的一種方法。DSC 在試樣和參比物容器下裝有兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過程中由于熱效應與參比物之間出現溫差ΔT 時，可通過差熱放大電路和差動熱量補償放大器，使流入補償電熱絲的電流發生變化，而使兩邊熱量平衡，溫差ΔT 消失，并記錄試樣和參比物下兩只電熱補償的熱功率之差隨溫度(或時間)的變化關系，并根據這種變化關系，可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。DSC 的應用廣泛，但在PCB 的分析方面主要用于測量PCB 上所用的各種高分子材料的固化程度(例如圖2)、玻璃態轉化溫度，這兩個參數決定著PCB 在后續工藝過程中的可靠性。

　　例2 PCB 中的環氧樹脂的固化情況分析

　　1. 2 熱機械分析儀 (TMA)

　　熱機械分析技術(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機械力作用下的形變性能，常用的負荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通過馬達對試樣施加載荷，當試樣發生形變時，差動變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應力和應變等數據進行處理后可得到物質在可忽略負荷下形變與溫度(或時間)的關系。根據形變與溫度(或時間)的關系，可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。TMA 的應用廣泛，在PCB 的分析方面主要用于PCB 關鍵的兩個參數：測量其線性膨脹系數和玻璃態轉化溫度。膨脹系數過大的基材的PCB 在焊接組裝后常常會導致金屬化孔的斷裂失效。

　　1. 3 熱重分析儀 (TGA)

　　熱重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控溫下，測量物質的質量隨溫度(或時間)的變化關系的一種方法。TGA 通過精密的電子天平可監測物質在程控變溫過程中發生的細微的質量變化。根據物質質量隨溫度(或時間)的變化關系，可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。TGA 在研究化學反應或物質定性定量分析方面有廣泛的應用;在PCB 的分析方面，主要用于測量PCB 材料的熱穩定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB 在經過焊接過程的高溫時將會發生爆板或分層失效現象。

　　2 典型的失效案例

　　由于PCB 失效的類型和原因眾多，且本文篇幅有限，下面將選擇幾個典型爆板的案例進行介紹，重點介紹上述熱分析技術的運用以及解決問題的基本思路，分析的過程則省略。

　　案例一 PCB 局部爆板分析

　　該批樣品為CEM1 類型板材，無鉛回流焊后發生爆板失效，概率達3%左右，樣品呈長條型，其中有一排較大地電磁繼電器(見圖1)。爆板的區域集中在元器件分布少的部位，且該部位和對應的背面的顏色較黃，顏色較其他部位要明顯深(圖2)。通過切片分析發現，爆板發生的區域內部PCB 基材分層在紙質層。用近似批次的樣板按照進行熱應力試驗，在260℃下由10 秒到30 秒都沒有發現類似的爆板失效，試驗后的樣品的顏色也沒有實際失效的樣品深。同時用熱分析方法(TGA 和DSC)對爆板區域的材質進行，發現該材質的熱分解溫度和玻璃態轉化溫度均符合材質的技術規范。根據以上分析，可以推斷該無鉛回流焊組裝工藝的條件超出了該類型PCB 的技術要求，回流時為了保證吸熱的大器件的焊點合格或良好，設置的工藝參數主要是焊接的溫度與時間過高過長，導致元器件少或空白的區域局部溫度超過該類型板材的技術規范，終導致產品爆板失效。該失效與板材本身無關，而與材質的選用、設計以及焊接工藝有關。

　　實際上，業界的PCB 爆板案例大多與板材選用不當相關，主要是熱分解溫度過低或水分含量過高造成，而本案例則例外。

圖1 爆板樣品的局部  圖2 失效樣品背面的局部外觀(淺色部分對應的另一面為大器件―電磁繼電器)

案例二 PCB 回流焊后爆板

　　該批PCB 樣品在經歷無鉛回流焊后發生爆板現象，失效樣品爆板位置主要分布在器件較少和大銅面位置，經過切片分析發現爆板分層位置在紙層內部(圖3)。然后對同一批次的PCB 空白板進行260 度10秒的熱應力試驗，只發現部分爆板現象。后我們分別使用TGA 與DSC 分析技術分析了板材的玻璃態轉化溫度Tg 與分解溫度Td(見圖4)，結果顯示，板材的Tg 約132 度，而Td 只有246 度。

圖3 爆板區域的切片照片

　　由于失效樣品爆板位置主要分布在器件較少和大銅面位置，在無鉛回流焊接過程中，該位置由于熱容量較大器件位置小，且大銅面吸熱更多，從而造成樣品失效部位的溫度較別處偏高，失效部位的顏色較深也證明了上述結論。對PCB 材料的熱分解溫度測試結果表明，該PCB 的熱分解溫度為246.6℃，考慮到無鉛回流焊接工藝下，焊接高溫度通常為245℃～255℃，顯然，在回流焊接過程中，樣品器件較少位置的大器件對應的背面位置研磨方向紙層開裂玻纖層溫度和PCB 熱分解溫度接近甚至更高，而當焊接溫度超過PCB 熱分解溫度時，PCB 將發生熱分解產生氣體，氣體膨脹產生的應力將導致PCB 爆板分層。由于該失效樣品的熱分解溫度和焊接高溫度相接近，從而導致一定比例的爆板失效。

圖4 樣品基材的TG 曲線

案例三 PCBA 局部爆板

　　一批PCBA 樣品其中的某個QFP 器件邊緣氣泡鼓起(見圖5)，PCB 內部分離界面在銅箔與PP層之間。經過包括熱應力、玻璃態溫度分析、分解溫度分析與模擬工藝試驗等一系列的試驗都沒有發現類似現象和參數不合格的問題。后在用TMA 分析材料的Z 軸的膨脹系數(Z-CTE)時發現(圖6)，基材的膨脹系數無論在低于或高于Tg 段的系數都超過標準范圍。

　　PCB 材料本身的Z-CTE 相對較高，在無鉛回流焊接過程中升溫段樹脂與金屬銅箔的膨脹系數的不匹配(Z 軸)導致PCB 受熱膨脹，在隨后的降溫過程中，PCB 變形逐漸恢復，但是在器件下端，由于首先凝固的SOP 焊點的約束作用，導致其下PCB 無法恢復，并產生較大的縱向應力，當其縱向應力大于銅箔與樹脂之間的粘合力時，將導致該位置PCB 內部分層。而焊接面由于不存在QFP 引腳的限制可以自由回縮，因此失效主要發生在靠近QFP 器件面的芯板樹脂與銅箔界面。另一方面由于該位置處焊盤及通孔的分布和結構特點造成該處應力不容易釋放，導致該位置較其它位置更易發生爆板失效，因此該處焊盤設計特征是加劇爆板的一個因素。

圖5 PCB表面鼓起位置及其金相切片圖

圖6 PCB無銅區樣品TMA測試曲線(Z-CTE)

    結 論

　　為了因應環保以及電子產品小型化的發展要求，電子制造的材料和工藝過程都發生了很大的變化。作為電子信息產品中關鍵的部件之一，近以來早期失效現象頻頻發生。為了更好的控制或保證PCB的質量與可靠性，必須從研發、設計、工藝以及質量保證技術等多方面著手才能達到目的，其中作為質量保證技術中的關鍵，失效分析也越來越發揮著它的重要作用，只有通過失效分析才能夠找到問題的根源，從而不斷改進或提升產品的質量與可靠性，而在爆板、分層、變形等分析中熱分析手段必不可少。本文通過幾個典型的案例介紹了熱分析在PCB 分析中的應用，希望能夠在PCB 業界的快速發展中起到一點點借鑒。

來源：熱分析技術在PCB失效分析中的應用