PCB孔铜断裂失效分析探讨

2021-03-11刘顺华刘兴龙王君兆

印制电路信息 2021年2期

刘顺华刘兴龙王君兆

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266000）

（深圳市美信咨询有限公司，广东深圳 518034）

（深圳市美信检测技术股份有限公司，广东深圳 518034）

随着电子制造的高密度化发展和无铅化焊接的高温要求，多层板的层间连接导通孔面临越来越严苛的考验，而导通孔的可靠性在一定程度上决定印制电路板（PCB）的可靠性。特别是电子组装（PCBA）的工艺复杂程度在不断提高，印制电路板需要承受多个周期的温度冲击，较高的温度冲击对导通孔内层铜与孔化铜形成较大的应力作用，这就要求生产商不仅要满足相应的出了检验标准，还要从过程控制的角度对导通孔的质量和稳定性进行关注[1]-[4]。PCB导通孔出现质量问题的原因有很多，本文基于孔铜断裂的实际失效案例，对孔铜断裂的内在机理进行探讨和分析，并提出工程应用的关注环节和改善方向。

1 案例失效背景

某PCB（图1）在制造阶段100%测试无异常，在SMT贴片后测试环节发现通孔开路失效现象，不良率在20%左右。

图1 不良PCB外观

2 CT结构分析

对开路通孔进行CT扫描分析，测试结果显示（图2）：通孔孔壁均匀性较差，存在异常阴影；通孔孔铜平直度差。

图2 CT扫描图

3 剖面分析

将开路通孔进行纵向剖切研磨，利用发射扫描电子显微镜（SEM）对通孔剖面结构进行显微观察，结果如图3所示：通孔存在明显的环形裂纹，孔壁粗糙度较大，且PCB整孔不良。

图3 失效通孔剖面形貌

如图4、图5所示，孔壁厚度均匀性较差，裂纹萌生扩展区的孔壁有效厚度极小。SMT回流焊接过程中，PCB经历高温冲击，通孔承受垂直于板面的拉应力作用，孔壁较薄区域属于应力集中区。此外，值得注意的是裂纹内含有明显异物，异物成分主要为碳、氧元素（见表1），说明PCB除胶渣不够彻底。

图4 失效通孔A区域微观剖面形貌

表1 孔铜裂纹处EDS结果（Wt.%）

图5 失效通孔B区域微观剖面结构

对通孔开裂区域孔铜的最小有效厚度进行测量，孔铜最薄厚度仅为9.87 μm，不符合标准IPC-6012A中关于最小孔铜厚度的要求。

4 孔铜晶粒形貌分析

决定通孔孔铜性能的因素：（1）孔铜宏观结构，如厚度、粗糙度等；（2）孔铜微观金相组织，如晶粒形貌。

将开路通孔纵向机械研磨抛光后，利用离子研磨（CP）对样品表面进行处理，将处理后的样品采用聚焦离子束（FIB）离子成像。

图6是孔铜金相组织图片，从中可以清晰观察到失效样品的孔铜晶粒属于典型的柱状晶形貌（图6a），正常批次样品的孔铜晶粒接近于等轴晶（图6b）。柱状晶具有各向异性，即垂直于晶粒生长方向的性能较差；等轴晶具有各向同性，即各个方向上的材料性能几乎一致，这也是为什么行业内要求孔铜金相组织要避免柱状晶的原因所在。