印制电路板组装烧毁失效分析

2024-03-22陈灼强

印制电路信息 2024年3期

陈灼强

［胜宏科技（惠州）股份有限公司，广东惠州 516211］

0 引言

电子设备的寿命、运行速度、可靠性和稳定性与印制电路板组装（printed circuit board assembly，PCBA）有最直接的关系。本文以PCBA 在应用端出现烧毁失效为例，分析烧毁原因和失效机理，从设计端提出改善优化建议，从而提升PCBA整体质量及稳定性。

客户反馈其生产设计的PCBA 在其客户端应用期间出现烧毁现象，失效率为3%～4%，经客户分析，基本排除了外部工况、PCBA 原理设计和印制电路板（printed circuit board，PCB）受潮造成本次失效的可能，并怀疑失效可能由PCB 缺陷引起，于是针对此问题进行剖析。

1 外观分析

对客户提供的失效样品进行外观检查，对10块样品进行编号，并统计检查结果，见表1。可以看出，烧毁的位置为扼流圈L31、放大器3 号和 4号引脚及PCB侧面，如图1所示。

图1 样品外观检查典型图片

表1 样品外观检查信息

2 X射线透视检查

通过X 射线对样品进行拍照观察，确认失效样品中PCB内部结构。

通过对5#和8#样品的烧毁位置进行X 射线拍照观察，5#样品中Pin12烧毁孔内存在颗粒状异常金属，如图2 所示。样品边侧烧毁位置未发现明显异常。

图2 5#样品X-ray图片

3 电性能测试及分析

根据PCB 设计和原理图可知，PCB 为8 层板，叠层信息见表2。客户反馈可能存在短路的L4、L5 层网络如图3 所示，其中，电源层L4 包含UBP、VCLAMP2、+5 V 和+5 VA 引脚，L5 层包含+3.3 V、GND、VCLAMP1引脚。

图3 L4和L5层布线

表2 PCB设计信息

根据客户反馈信息，PCBA 元器件烧毁的现象具体表现为：CPU 最先出现发热现象，然后扼流圈开始出现烧毁。客户分析认为L4 和L5 之间可能存在短路，使用万用表分别对各样品的L4 层UBP 和L5 层+3.3 V，以及L5 层+3.3V 和L2 层GND之间的电阻进行测试。测试位置如图4所示，测试结果统计见表3。

图4 阻值测试位置

表3 阻值测试结果

UBP 与+3.3 V 测试结果显示：与正常样品1#相比，样品2#、5#、7#、8#出现异常；与光板相比，表面元器件被完全拆解的样品8#也表现异常。

+3.3 V 与GND（L2）测试结果显示：与正常样品1#相比，样品2#、5#、7#、8#出现异常。

根据测试结果可知，出现问题的PCBA 样品均符合客户的推断。

4 芯片开封和扫描电镜测试

为了检验+3.3 V 与GND（L2）之间的短路是否由CPU 损坏引起，对拆解下来的2#和3#样品 CPU 进行开封，并在扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy，SEM）下进行观察，结果显示2#样品上拆解下来的CPU 内部一处金线出现严重的烧毁并熔断，与其连接的引线已经被烧焦的塑封料包裹，如图5 所示。3#样品 CPU 内部正常，未发现明显异常。

图5 2#样品CPU开封后SEM图片

5 故障点发热定位探测

为查找失效样品PCB 的失效点，采用故障点发热定位探测在UBP 和+3.3 V 之间通电，采用红外热发射显微镜（thermal emission microscope，Thermal EMMI）探测PCBA 表面，确认样品表面是否存在发热点。被测样品为2#和6#，结果显示，UBP 和+3.3 V 网络层之间未见明显的异常热点。

6 切片分析

由于PCB 表层的金属铜箔对红外热量探测存在一定的阻挡作用，很难通过Thermal EMMI对漏电点进行定位，因此对样品直接采用切片研磨的方式进行确认。

8#样品PCB 侧边出现通孔处烧毁现象，且烧毁区域不大，未经过二次处理，可通过此处的切片分析验证L4 和L5 层是否存在异常，切片结果如图6 所示。由切片结果可知，8#样品中烧毁的侧边孔内部存在烧毁情况，从形貌上看，该孔的烧毁从内部开始往外蔓延，且烧毁处L4 和L5 之间介质层存在开裂缺陷，在烧毁孔旁边的通孔也存在 L4 和L5 之间介质层存在开裂，且伴随着一定的颜色异常（应为后续腐蚀导致）。由上述结果可进一步验证客户的推论，该PCB 板的L4 和L5层之间的绝缘性存在问题。

图6 8#样品侧面通孔切片

取样品6#，对UBP 与+3.3 V 网络侧边通孔进行切片观察，如图7 所示。在6#样品中，UBP 与+3.3 V网络侧边通孔的L4和L5的介质层均存在开裂的质量问题，且在开裂处存在颜色异常，应为腐蚀导致。通过能谱（energy dispersive spectroscopy，EDS）验证，在腐蚀位置发现异常的为Cl元素。

图7 6#样品侧边通孔切片

对5#样品中AMP34 引脚烧毁区域进行切片，由于烧毁很严重，难于判断起始位置。

对9#样品（1620 光板）的UBP 与+3.3 V 网络侧边通孔进行切片分析，未发现异常。

结合上述切片分析可证实，1441 批次的 PCBA 板烧毁是由于L4、L5 之间存在漏电短路引起的。而引起L4、L5层之间缺陷的可能原因可分为2 个大方向：①其他原因引起PCB 产生缺陷；② PCB本身质量存在缺陷。

（1）其他原因引起PCB 产生缺陷。考虑到出现缺陷的位置离PCB 侧边位置很近，V-CUT 和分板时容易产生PCB 缺陷。为了验证分板工序是否会引起L4、L5层之间的缺陷，继续对8#样品进行切片。结果显示，离V-CUT 边较远处的通孔，未发现L4和L5之间介质层有明显开裂异常情况。

为了检验失效样品中L4 和L5 层之间介质层开裂是否由V-CUT 和分板造成，进一步对6#样品中的侧边通孔进行横向研磨。测试结果如图8所示。

图8 6#样品中离V-CUT边不同距离处的通孔切片

图8 中，（a）～（c）均为V-CUT 端侧边通孔，通孔侧边的L4 和L5 层介质层均存在开裂；（d）为远离V-CUT 端通孔，通孔侧边的L4 和L5 介质层不存在开裂。由此可确定：UBP 与+3.3 V 网络侧边通孔L4 和L5 介质层开裂，为后续V-CUT 和分板不良导致。行业内一般设计要求通孔离板边至少0.38 mm，根据测量，UBP与+3.3 V网络侧边通孔本身距板边0.6～0.9 mm，符合要求。

据反馈，该1441 批号PCB 使用了较长时间，怀疑PCB 受潮导致了本案例的PCBA 烧毁失效。对 7#样品进行烘烤前测试和烘烤后测试，测试结果为数值稳定、基本一致，考虑到缺陷位置很固定，单独由PCB 受潮引起失效的可能性不大，受潮原因可排除。

另存在一种可能，即UBP 电压异常导致UBP与+3.3 V 网络之间形成高电势，造成L4、L5 层之间出现缺陷。首先，高压会产生击穿形貌，且击穿路径应为UBP 与+3.3 V 铜箔直接相对的位置，这个与通孔烧毁位置观察到的烧毁现象不一致；其次，样品3#和4#换过CPU 以后，PCBA 恢复正常，证明没有其他器件损伤；此外，CPU 芯片晶元表面也未观察到过电应力产生的痕迹，因此该种可能性也可以排除。

（2）PCB 本身质量原因。PCB 在组装成PCBA 时，经过焊接而高温受热，当PCB 板材本身质量较差时，会发生爆板现象，需要后续对PCB质量进行进一步的验证。

7 板材质量验证

为确认1441 失效样品中L4 和L5 之间介质层开裂是否与板材本身质量相关，对6#样品（1441批次板）和9#样品（1620 批次板）的PCB 的玻璃转化温度Tg、Z-CTE 和爆板时间T260 进行测试，结果如下。

7.1 Tg值测试

参考IPC TM-650 2.4.25 差分扫描量热测定玻璃态温度和差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）进行测试，测试结果：6#样品的Tg值为168.6 ℃，9#样品的Tg值为181.8 ℃。客户要求的板材Tg值为大于170 ℃，样品在后期经过热风枪拆解，对测试值存在一定影响，因此可认定该PCB的Tg值没有问题。

7.2 Z-CTE 值测试

参考标准IPC TM-650 2.4.24 玻璃化温度和ZCTE［热机械分析法（thermomechanical analysis，TMA）］，对6#样品和9#样品的Z-CTE 值分别进行测试，结果见表4。

表4 6#样品和9#样品Z-CTE测试结果

参考IPC-4101C 中高Tg板的要求，Tg前ZCTE 值应小于60×10-6℃，Tg后Z-CTE 值应小于300×10-6℃。由测试结果可知，2种板的Z-CTE值均在合格范围内。

7.3 T260 值测试

参考IPC TM-650 2.4.24.1 分层（裂解）时间（TMA 法）标准，对6#样品和9#样品的T260 值进行测试。参考IPC-4101C 中高Tg板材的T260 要求（T260 最小30 min），将6#样品和9#样品升温到260 ℃，保持30 min，样品均未发生爆板，由此说明2种板材热性能正常。

通过对6#样品和9#样品PCB 的Tg值、Z-CTE值和T260 值分别进行测试，确认1441 批次板和 1620 批次板的板材热性能均正常。由此可说明，造成1441 批次PCB L4 和L5 层间介质层开裂的原因与PCB本身的质量无关。