印制電路板連通性失效的分析思路和方法研究

張永華 李成虎 劉立國

(無錫江南計算技術(shù)研究所軍用印制板質(zhì)量檢測中心，江蘇 無錫 214083)

0 前言

作為電子組裝件產(chǎn)品的“地基”，印制電路板（PCB）在電子產(chǎn)品中承擔了互連導(dǎo)通、電路絕緣和機械支撐的功能。在電子組裝件產(chǎn)品的調(diào)試階段或使用過程中，往往會遇到由于連通性失效造成的產(chǎn)品功能性缺陷問題，此時工程師通常采取的解決手段包括組裝返修或更換器件，這對于因焊接缺陷或元器件失效引起的互連不良問題基本可以得到良好解決，但當此路不通時，則需要將失效分析的焦點瞄準至印制電路板上。

精細化、小型化和高密度化的發(fā)展趨勢，無鉛焊接工藝的普遍采用，以及高頻高速應(yīng)用的增長需求，均增大了印制電路板的開路風險。因此，熟悉印制板連通性失效的分析思路和方法，對于準確定位故障原因，正確分析故障機理，進而能夠及時幫助解決工藝問題或管理問題，具有重要意義。

1 故障確認和失效點定位

失效分析的第一步是失效樣品的信息收集，重點包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用材料、生產(chǎn)時間、儲存環(huán)境、焊接條件、經(jīng)歷過的環(huán)境試驗條件，以及返修情況等；然后是利用電測試設(shè)備（如萬用表等）復(fù)測開路網(wǎng)絡(luò)，對送檢方所反應(yīng)的開路現(xiàn)象進行確認。通常情況下，對于完全開路的網(wǎng)絡(luò)，萬用表阻值的測量結(jié)果會超過20 MΩ，而當阻值低于1 MΩ，甚至只有幾百歐姆時，表明開路點可能只是存在導(dǎo)體裂縫或互連不良的“微斷”現(xiàn)象，在后續(xù)失效模式的確認過程中應(yīng)更加小心，防止丟失關(guān)鍵證據(jù)。此外，在鍍覆孔對孔電阻的測量時，可能會存在與送檢方反映情況不一致的問題，需要反復(fù)測量進行確認，因為鍍覆孔拐角處和鍍覆孔內(nèi)的微裂紋可能會因為按壓位置或按壓力度的不同，而出現(xiàn)重新導(dǎo)通的現(xiàn)象。

印制電路板中，起連通性作用的導(dǎo)體類型無外乎鍍覆孔、導(dǎo)線和連接盤等。因此定位失效點，首先要利用CAM軟件分析樣品板的Geber數(shù)據(jù)，明確開路網(wǎng)絡(luò)的互連情況，然后逐步排查出失效點的具體位置。

如圖1所示，送檢印制板為14層剛性印制板，D1球柵網(wǎng)格陣列封裝（BGA）R21腳和D4 BGA J7腳之間存在連通性失效現(xiàn)象，根據(jù)委托方提供的印制板CAM數(shù)據(jù)，D1 BGA R21腳通過第5層信號線連接至D4 BGA J7腳。將與D1 BGA R21腳和D4 BGA J7腳互連的鍍覆孔表面阻焊去除后，分別測量D1 BGA R21腳鍍覆孔和D4 BGA J7腳鍍覆孔的對孔電阻，發(fā)現(xiàn)D1 BGA R21腳鍍覆孔為開路狀態(tài)，D4 BGA J7腳鍍覆孔為通路狀態(tài)；然后測量D1 BGA R21腳鍍覆孔（A面焊盤）與D4 BGA J7腳之間的電阻，為通路狀態(tài)，D1 BGA R21腳鍍覆孔（B面焊盤）與D4 BGA J7腳之間的電阻，為開路狀態(tài)，說明D4 BGA J7腳鍍覆孔、第5層信號線均無開路現(xiàn)象，故障點僅出現(xiàn)在D1 BGA R21腳鍍覆孔內(nèi)。

圖1 D1 BGA R21腳和D4 BGA J7腳互連網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

對于開路網(wǎng)絡(luò)連接較為復(fù)雜的情況，需要采用“分段測量”的方法，逐步縮短故障點網(wǎng)絡(luò)，并最終確認出故障點位置。如圖2所示，送檢印制板安裝孔1和D22-8焊盤互連網(wǎng)路存在不通現(xiàn)象，分析該印制板CAM數(shù)據(jù)得知，安裝孔1通過第4層信號線、鍍覆孔2、第3層信號線、鍍覆孔3連接到D22-8焊盤。用萬用表測試安裝孔1和鍍覆孔2之間為開路，鍍覆孔2和D22-8焊盤之間為通路，鍍覆孔2和安裝孔1的AB面對孔間均為通路，因此可以確認安裝孔1和D22-8焊盤互連網(wǎng)路不通發(fā)生在安裝孔1和鍍覆孔2之間的網(wǎng)絡(luò)。

圖2 5XJ1-2安裝孔和D22-8焊盤互連網(wǎng)路

對于出現(xiàn)在鍍覆孔與內(nèi)層連接盤之間、內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)線之間、或是內(nèi)層導(dǎo)線上的開路現(xiàn)象，無法僅通過電測試的手段直接定位到故障點，但可借助X-RAY觀察印制板內(nèi)部的導(dǎo)體連接情況，如圖3所示，開路點出現(xiàn)在內(nèi)層導(dǎo)線位置。

圖3 X-RAY觀察內(nèi)層導(dǎo)體

2 失效模式確認和失效機理分析

通過各種無損檢測手段在準確找到失效點后，需要通過顯微剖切，確認出具體的失效模式，并結(jié)合相關(guān)測試手段，分析出失效機理。在進行顯微剖切檢測時，應(yīng)注意選擇垂直切片的方向盡量與內(nèi)層導(dǎo)線相垂直，以減少對鍍覆孔與內(nèi)層導(dǎo)線連接處孔環(huán)的破壞，為后續(xù)的分析保留足夠的證據(jù)。

2.1 鍍覆孔開路

2.1.1 孔銅缺陷

圖4為焊接完成后，因孔壁環(huán)狀斷裂導(dǎo)致連通性失效的典型圖片；從圖中可知，孔壁銅鍍層厚度明顯不足，最厚處僅有12.4 μm，遠低于IPC 6012E標準中規(guī)定的要求（3級：平均厚度不低于25 μm，最薄處不小于20 μm），并且在孔壁斷裂位置處，存在內(nèi)層導(dǎo)體與基材分離的現(xiàn)象。

圖4 孔壁環(huán)狀斷裂

對同批次裸板在相同位置進行顯微剖切（見圖5），發(fā)現(xiàn)鍍覆孔存在明顯孔壁粗糙、鍍層褶皺、滲銅芯吸的現(xiàn)象，且銅鍍層厚度嚴重不足，表明該印制板制作過程中，不僅鉆孔質(zhì)量差，且電鍍參數(shù)控制不當，當印制板受到熱沖擊時，最終導(dǎo)致孔壁在最薄弱處出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

圖5 交收態(tài)印制板顯微剖切圖片

2.1.2 鍍層結(jié)晶態(tài)異常

圖6導(dǎo)通孔顯微剖切圖片中，孔壁無異常粗糙現(xiàn)象，銅鍍層厚度也滿足標準要求，但同樣存在環(huán)狀斷裂現(xiàn)象，且與孔壁斷裂處相鄰的塞孔油墨呈分離狀態(tài)，同時在臨近的4個導(dǎo)通孔中，均在相同位置發(fā)現(xiàn)了相似的環(huán)狀斷裂現(xiàn)象。

圖6 油墨塞孔印制板孔壁環(huán)狀斷裂

微蝕后，對該導(dǎo)通孔進行材料表面分析，發(fā)現(xiàn)孔壁銅鍍層為兩次電鍍完成，但兩次電鍍銅的結(jié)晶形貌明顯不同，其中一次電鍍銅結(jié)晶態(tài)正常，為無規(guī)則的多面體形貌，二次電鍍銅結(jié)晶態(tài)具有明顯的方向性。觀測孔壁斷裂處裂紋形貌，孔壁裂紋是從二次電鍍銅開始，往一次電鍍銅和孔壁基材方向延伸，如圖7所示。選擇該印制板另一位置處元器件安裝孔（孔徑較大）進行顯微剖為分析，未見孔壁鍍層斷裂的現(xiàn)象，且銅鍍層結(jié)晶態(tài)形貌無異常表現(xiàn)。

圖7 材料表面分析圖片

孔壁銅鍍層柱狀結(jié)晶，通常表現(xiàn)為沿孔徑方向平行柱狀排列，此種結(jié)晶態(tài)致密性欠佳，導(dǎo)致銅鍍層的延展性較差，更易在印制板受到熱應(yīng)力時被拉斷，并呈現(xiàn)脆性斷裂的形貌，其形成的可能原因包括印制板厚徑比過大、鍍液溫度偏高、電流密度偏小等；如圖8所示，為柱狀結(jié)晶與正常結(jié)晶態(tài)鍍層的對比圖。

圖8 孔壁銅鍍層結(jié)晶態(tài)

2.1.3 孔壁斷裂魚骨圖

造成孔壁斷裂的原因可能很多，并往往是由綜合因素和累加效應(yīng)造成，如鉆孔工藝控制不良、孔壁鍍銅質(zhì)量不佳，基材的Z軸熱膨脹系數(shù)（PTE）過大、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）不合格，焊接溫度偏高，返修次數(shù)過多等，如圖9所示。因此，在出現(xiàn)孔壁斷裂失效時，如能找到同批次的裸板，應(yīng)選擇適當?shù)臏y試方法（熱應(yīng)力、模擬返工、溫度沖擊、模擬回流焊等）對失效現(xiàn)象進行模擬復(fù)現(xiàn)，同時測量材料的耐熱性參數(shù)（CTE、Tg、ΔTg等），并結(jié)合所有試驗結(jié)果進行綜合分析，以準確查找出失效機理。

圖9 孔壁銅鍍層斷裂原因分析圖

2.2 內(nèi)層互連失效

內(nèi)層互連失效是指鍍覆孔與內(nèi)層連接盤，或內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)線之間出現(xiàn)連通性缺陷的現(xiàn)象。內(nèi)層互連失效的根因是孔銅與內(nèi)層銅的結(jié)合力不足，此類缺陷在出廠電測試過程中較難發(fā)現(xiàn)，而往往會出現(xiàn)在焊接完成或環(huán)境應(yīng)力試驗之后。

2.2.1 孔環(huán)分離

如圖10所示，為連接器安裝孔焊接完成后出現(xiàn)的孔壁與內(nèi)層連接盤結(jié)合處分離的現(xiàn)象，從垂直切片可以看出，該安裝孔鉆孔質(zhì)量不佳，孔壁粗糙，且個別位置存在鍍層空洞的現(xiàn)象。進刀速率或轉(zhuǎn)速不當，鉆頭磨損過度，蓋板或墊板材料不良，鉆頭在板材內(nèi)停留時間過長等因素，不僅會拉扯內(nèi)層連接盤，增大孔壁粗糙度，并且會增加后續(xù)除“膠渣”工序的難度，為孔壁和內(nèi)層連接盤的互連可靠性埋下隱患。

圖10 孔環(huán)分離

2.2.2 鉆孔偏位

如圖11所示，為因鉆孔偏位引起內(nèi)層連接盤與內(nèi)層導(dǎo)體分離的現(xiàn)象。從圖可以看出，鍍覆孔孔壁質(zhì)量良好，除受熱后出現(xiàn)的樹脂凹縮（允許）的現(xiàn)象，未見其它缺陷，但鍍覆孔存在明顯的破盤現(xiàn)象（環(huán)寬為零），且破盤位置出現(xiàn)在連接盤與導(dǎo)線連接處，此時該網(wǎng)絡(luò)中起互連作用的結(jié)構(gòu)僅為鍍覆孔孔壁與內(nèi)層導(dǎo)線的小面積連接部，其在后續(xù)受熱時會出現(xiàn)分離現(xiàn)象便不足為奇；按照IPC 6012E標準規(guī)定，若連接盤末端未進行填角或鎖眼設(shè)計，最小環(huán)寬應(yīng)為25 μm。

圖11 鉆孔偏位引起互連失效

2.3 導(dǎo)線開路

導(dǎo)線開路通常分為兩類，一種是因?qū)w缺損導(dǎo)致的開路，另一種是因?qū)w受力開裂造成的開路。出現(xiàn)在印制板表面的導(dǎo)線開路現(xiàn)象，可通過去除阻焊后目檢的方式進行查找，而出現(xiàn)在印制板內(nèi)部的導(dǎo)線開路，可借助水平顯微剖切的方法進行分析。

2.3.1 導(dǎo)體缺損

如圖12所示，在排查鍍覆孔和內(nèi)層互連處均無影響連通性的異?，F(xiàn)象后，最終將故障定點位在內(nèi)層導(dǎo)線，觀察得知開路網(wǎng)絡(luò)與相鄰網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線均存在相同的導(dǎo)體缺損現(xiàn)象，且開路處的形貌整齊，有明顯拉扯痕跡，因此可將該導(dǎo)線開路的原因定位為層壓工序前受外力劃傷所致。

圖12 導(dǎo)體缺損開路

2.3.2 導(dǎo)線斷裂

如圖13所示，某16層剛撓結(jié)合印制板，在試驗后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不通的現(xiàn)象，分析該故障板CAM數(shù)據(jù)，F(xiàn)1X5連接器1腳通過第7層信號線連接至HX8鍍覆孔。萬用表分別測量F1X5連接器1腳和HX8鍍覆孔的對孔電阻，確認為通路狀態(tài)。將該印制板撓性段開路網(wǎng)絡(luò)信號線表面覆蓋膜部分去除，露出導(dǎo)線，并用萬用表分段測試HX8鍍覆孔至測試點1、測試點2至F1X5連接器1腳的網(wǎng)絡(luò)，均為通路狀態(tài)，測試點1至測試點2之間為開路，確認開路位置在測試點1至測試點2之間的導(dǎo)線上。對網(wǎng)絡(luò)不通區(qū)域進行目檢，發(fā)現(xiàn)存在覆蓋膜起泡現(xiàn)象，覆蓋膜表面有灼燒黑化的痕跡。

圖13 電測試分析

取開路位置進行垂直顯微剖切測試，在制樣準備過程中，部分信號線從覆蓋膜中脫落，脫落的銅導(dǎo)線表面有發(fā)黑現(xiàn)象；顯微剖切觀測開路位置處剩余導(dǎo)線，未見導(dǎo)線有裂紋、或局部厚度嚴重減少等影響導(dǎo)通電阻的缺陷，但導(dǎo)線與撓性基材和覆蓋膜均已分離，且分離處覆蓋膜存在明顯灼燒現(xiàn)象，因此可以判定該開路網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線斷裂是由電流過載導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱燒斷引起。

3 PCB連通性失效的分析思路

綜合前文的失效案例，PCB連通失效的分析流程如圖14所示。選擇分析方法時，應(yīng)堅持從簡單到復(fù)雜、從外部到內(nèi)部、從非破壞性到破壞性的基本原則，并應(yīng)做好失效分析過程中的證據(jù)保留工作，避免關(guān)鍵信息的丟失，同時還需要注意在進行試驗中防止人為失效機理的引入。

圖14 PCB連通性失效分析流程圖

印制板開路失效模式的確認通常不會遇到太多困難，但失效機理的準確分析卻并非輕而易舉的問題，需要失效分析工程師不僅要熟練掌握失效分析的相關(guān)方法，還要足夠了解印制板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝。失效現(xiàn)象的出現(xiàn)往往并非單一因素引起，因此在下失效分析結(jié)論時應(yīng)堅持“有一份證據(jù)說一分話”，不妄定結(jié)論，能夠幫助正確查找出可能的失效機理，為工藝工程師制定出生產(chǎn)改進的方向，已大有裨益。

4 結(jié)語

印制板連通性失效是印制板各種失效模式中故障現(xiàn)象最為明顯，失效模式最為明確，且失效機理分析相對簡單的一種失效類型。初入行的失效分析工程師不妨先從印制板連通性失效開始，不斷積累經(jīng)驗，鞏固基礎(chǔ)知識，提升綜合分析的能力。