印制電路板組裝燒毀失效分析

陳灼強(qiáng)

［勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211］

0 引言

電子設(shè)備的壽命、運(yùn)行速度、可靠性和穩(wěn)定性與印制電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）有最直接的關(guān)系。本文以PCBA 在應(yīng)用端出現(xiàn)燒毀失效為例，分析燒毀原因和失效機(jī)理，從設(shè)計端提出改善優(yōu)化建議，從而提升PCBA整體質(zhì)量及穩(wěn)定性。

客戶反饋其生產(chǎn)設(shè)計的PCBA 在其客戶端應(yīng)用期間出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，失效率為3%～4%，經(jīng)客戶分析，基本排除了外部工況、PCBA 原理設(shè)計和印制電路板（printed circuit board，PCB）受潮造成本次失效的可能，并懷疑失效可能由PCB 缺陷引起，于是針對此問題進(jìn)行剖析。

1 外觀分析

對客戶提供的失效樣品進(jìn)行外觀檢查，對10塊樣品進(jìn)行編號，并統(tǒng)計檢查結(jié)果，見表1?？梢钥闯?，燒毀的位置為扼流圈L31、放大器3 號和 4號引腳及PCB側(cè)面，如圖1所示。

圖1 樣品外觀檢查典型圖片

表1 樣品外觀檢查信息

2 X射線透視檢查

通過X 射線對樣品進(jìn)行拍照觀察，確認(rèn)失效樣品中PCB內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

通過對5#和8#樣品的燒毀位置進(jìn)行X 射線拍照觀察，5#樣品中Pin12燒毀孔內(nèi)存在顆粒狀異常金屬，如圖2 所示。樣品邊側(cè)燒毀位置未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖2 5#樣品X-ray圖片

3 電性能測試及分析

根據(jù)PCB 設(shè)計和原理圖可知，PCB 為8 層板，疊層信息見表2?？蛻舴答伩赡艽嬖诙搪返腖4、L5 層網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示，其中，電源層L4 包含UBP、VCLAMP2、+5 V 和+5 VA 引腳，L5 層包含+3.3 V、GND、VCLAMP1引腳。

圖3 L4和L5層布線

表2 PCB設(shè)計信息

根據(jù)客戶反饋信息，PCBA 元器件燒毀的現(xiàn)象具體表現(xiàn)為：CPU 最先出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，然后扼流圈開始出現(xiàn)燒毀?？蛻舴治稣J(rèn)為L4 和L5 之間可能存在短路，使用萬用表分別對各樣品的L4 層UBP 和L5 層+3.3 V，以 及L5 層+3.3V 和L2 層GND之間的電阻進(jìn)行測試。測試位置如圖4所示，測試結(jié)果統(tǒng)計見表3。

圖4 阻值測試位置

表3 阻值測試結(jié)果

UBP 與+3.3 V 測試結(jié)果顯示：與正常樣品1#相比，樣品2#、5#、7#、8#出現(xiàn)異常；與光板相比，表面元器件被完全拆解的樣品8#也表現(xiàn)異常。

+3.3 V 與GND（L2）測試結(jié)果顯示：與正常樣品1#相比，樣品2#、5#、7#、8#出現(xiàn)異常。

根據(jù)測試結(jié)果可知，出現(xiàn)問題的PCBA 樣品均符合客戶的推斷。

4 芯片開封和掃描電鏡測試

為了檢驗+3.3 V 與GND（L2）之間的短路是否由CPU 損壞引起，對拆解下來的2#和3#樣品 CPU 進(jìn)行開封，并在掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy，SEM）下進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示2#樣品上拆解下來的CPU 內(nèi)部一處金線出現(xiàn)嚴(yán)重的燒毀并熔斷，與其連接的引線已經(jīng)被燒焦的塑封料包裹，如圖5 所示。3#樣品 CPU 內(nèi)部正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖5 2#樣品CPU開封后SEM圖片

5 故障點(diǎn)發(fā)熱定位探測

為查找失效樣品PCB 的失效點(diǎn)，采用故障點(diǎn)發(fā)熱定位探測在UBP 和+3.3 V 之間通電，采用紅外熱發(fā)射顯微鏡（thermal emission microscope，Thermal EMMI）探測PCBA 表面，確認(rèn)樣品表面是否存在發(fā)熱點(diǎn)。被測樣品為2#和6#，結(jié)果顯示，UBP 和+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)層之間未見明顯的異常熱點(diǎn)。

6 切片分析

由于PCB 表層的金屬銅箔對紅外熱量探測存在一定的阻擋作用，很難通過Thermal EMMI對漏電點(diǎn)進(jìn)行定位，因此對樣品直接采用切片研磨的方式進(jìn)行確認(rèn)。

8#樣品PCB 側(cè)邊出現(xiàn)通孔處燒毀現(xiàn)象，且燒毀區(qū)域不大，未經(jīng)過二次處理，可通過此處的切片分析驗證L4 和L5 層是否存在異常，切片結(jié)果如圖6 所示。由切片結(jié)果可知，8#樣品中燒毀的側(cè)邊孔內(nèi)部存在燒毀情況，從形貌上看，該孔的燒毀從內(nèi)部開始往外蔓延，且燒毀處L4 和L5 之間介質(zhì)層存在開裂缺陷，在燒毀孔旁邊的通孔也存在 L4 和L5 之間介質(zhì)層存在開裂，且伴隨著一定的顏色異常（應(yīng)為后續(xù)腐蝕導(dǎo)致）。由上述結(jié)果可進(jìn)一步驗證客戶的推論，該P(yáng)CB 板的L4 和L5層之間的絕緣性存在問題。

圖6 8#樣品側(cè)面通孔切片

取樣品6#，對UBP 與+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔進(jìn)行切片觀察，如圖7 所示。在6#樣品中，UBP 與+3.3 V網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔的L4和L5的介質(zhì)層均存在開裂的質(zhì)量問題，且在開裂處存在顏色異常，應(yīng)為腐蝕導(dǎo) 致。通過能 譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）驗證，在腐蝕位置發(fā)現(xiàn)異常的為Cl元素。

圖7 6#樣品側(cè)邊通孔切片

對5#樣品中AMP34 引腳燒毀區(qū)域進(jìn)行切片，由于燒毀很嚴(yán)重，難于判斷起始位置。

對9#樣品（1620 光板）的UBP 與+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔進(jìn)行切片分析，未發(fā)現(xiàn)異常。

結(jié)合上述切片分析可證實，1441 批次的 PCBA 板燒毀是由于L4、L5 之間存在漏電短路引起的。而引起L4、L5層之間缺陷的可能原因可分為2 個大方向：①其他原因引起PCB 產(chǎn)生缺陷；② PCB本身質(zhì)量存在缺陷。

（1）其他原因引起PCB 產(chǎn)生缺陷。考慮到出現(xiàn)缺陷的位置離PCB 側(cè)邊位置很近，V-CUT 和分板時容易產(chǎn)生PCB 缺陷。為了驗證分板工序是否會引起L4、L5層之間的缺陷，繼續(xù)對8#樣品進(jìn)行切片。結(jié)果顯示，離V-CUT 邊較遠(yuǎn)處的通孔，未發(fā)現(xiàn)L4和L5之間介質(zhì)層有明顯開裂異常情況。

為了檢驗失效樣品中L4 和L5 層之間介質(zhì)層開裂是否由V-CUT 和分板造成，進(jìn)一步對6#樣品中的側(cè)邊通孔進(jìn)行橫向研磨。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 6#樣品中離V-CUT邊不同距離處的通孔切片

圖8 中，（a）～（c）均為V-CUT 端側(cè)邊通孔，通孔側(cè)邊的L4 和L5 層介質(zhì)層均存在開裂；（d）為遠(yuǎn)離V-CUT 端通孔，通孔側(cè)邊的L4 和L5 介質(zhì)層不存在開裂。由此可確定：UBP 與+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔L4 和L5 介質(zhì)層開裂，為后續(xù)V-CUT 和分板不良導(dǎo)致。行業(yè)內(nèi)一般設(shè)計要求通孔離板邊至少0.38 mm，根據(jù)測量，UBP與+3.3 V網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔本身距板邊0.6～0.9 mm，符合要求。

據(jù)反饋，該1441 批號PCB 使用了較長時間，懷疑PCB 受潮導(dǎo)致了本案例的PCBA 燒毀失效。對 7#樣品進(jìn)行烘烤前測試和烘烤后測試，測試結(jié)果為數(shù)值穩(wěn)定、基本一致，考慮到缺陷位置很固定，單獨(dú)由PCB 受潮引起失效的可能性不大，受潮原因可排除。

另存在一種可能，即UBP 電壓異常導(dǎo)致UBP與+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)之間形成高電勢，造成L4、L5 層之間出現(xiàn)缺陷。首先，高壓會產(chǎn)生擊穿形貌，且擊穿路徑應(yīng)為UBP 與+3.3 V 銅箔直接相對的位置，這個與通孔燒毀位置觀察到的燒毀現(xiàn)象不一致；其次，樣品3#和4#換過CPU 以后，PCBA 恢復(fù)正常，證明沒有其他器件損傷；此外，CPU 芯片晶元表面也未觀察到過電應(yīng)力產(chǎn)生的痕跡，因此該種可能性也可以排除。

（2）PCB 本身質(zhì) 量原因。PCB 在組裝 成PCBA 時，經(jīng)過焊接而高溫受熱，當(dāng)PCB 板材本身質(zhì)量較差時，會發(fā)生爆板現(xiàn)象，需要后續(xù)對PCB質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

7 板材質(zhì)量驗證

為確認(rèn)1441 失效樣品中L4 和L5 之間介質(zhì)層開裂是否與板材本身質(zhì)量相關(guān)，對6#樣品（1441批次板）和9#樣品（1620 批次板）的PCB 的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg、Z-CTE 和爆板時間T260 進(jìn)行測試，結(jié)果如下。

7.1 Tg值測試

參考IPC TM-650 2.4.25 差分掃描量熱測定玻璃態(tài)溫度和差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）進(jìn)行測試，測試結(jié)果：6#樣品的Tg值為168.6 ℃，9#樣品的Tg值為181.8 ℃?？蛻粢蟮陌宀腡g值為大于170 ℃，樣品在后期經(jīng)過熱風(fēng)槍拆解，對測試值存在一定影響，因此可認(rèn)定該P(yáng)CB的Tg值沒有問題。

7.2 Z-CTE 值測試

參考標(biāo)準(zhǔn)IPC TM-650 2.4.24 玻璃化溫度和ZCTE［熱機(jī)械分析法（thermomechanical analysis，TMA）］，對6#樣品和9#樣品的Z-CTE 值分別進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。

表4 6#樣品和9#樣品Z-CTE測試結(jié)果

參考IPC-4101C 中高Tg板的要求，Tg前ZCTE 值應(yīng)小于60×10-6℃，Tg后Z-CTE 值應(yīng)小于300×10-6℃。由測試結(jié)果可知，2種板的Z-CTE值均在合格范圍內(nèi)。

7.3 T260 值測試

參考IPC TM-650 2.4.24.1 分層（裂解）時間（TMA 法）標(biāo)準(zhǔn)，對6#樣品和9#樣品的T260 值進(jìn)行測試。參考IPC-4101C 中高Tg板材的T260 要求（T260 最小30 min），將6#樣品和9#樣品升溫到260 ℃，保持30 min，樣品均未發(fā)生爆板，由此說明2種板材熱性能正常。

通過對6#樣品和9#樣品PCB 的Tg值、Z-CTE值和T260 值分別進(jìn)行測試，確認(rèn)1441 批次板和 1620 批次板的板材熱性能均正常。由此可說明，造成1441 批次PCB L4 和L5 層間介質(zhì)層開裂的原因與PCB本身的質(zhì)量無關(guān)。

7.4 PCB 尺寸驗證

為了驗證1441 批次和1620 批次PCB 的銅厚、介質(zhì)層厚度是否存在異常，對其L4 和L5 層銅厚、側(cè)面通孔銅厚及L4 和L5 層介質(zhì)厚度，進(jìn)行6#、9#樣品切片測試，結(jié)果見表5。各項結(jié)果均符合制板要求。

表5 樣品尺寸測試結(jié)果

7.5 絕緣耐壓測試

參考IPC-6012C 標(biāo)準(zhǔn)，對9#樣品的表面線路之間（走線最小間距位置）和層間耐壓（L4 和 L5 層）進(jìn)行測試，測試電壓為500 V，保持時間30 s，測試結(jié)果滿足要求，絕緣耐壓性能沒有問題。

8 結(jié)語

本文通過外觀檢查、電性能分析、切片分析等對樣品進(jìn)行測試分析，確認(rèn)導(dǎo)致1441 批次樣品失效的直接原因為UBP 與+3.3 V 網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊通孔L4和L5 層介質(zhì)層存在開裂，在后續(xù)使用過程中由于受潮濕發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致L4 和L5 層之間絕緣性能降低，使PCBA發(fā)生燒毀。

后續(xù)通過一系列驗證試驗，證明PCB 的相關(guān)尺寸和板材的性能符合相關(guān)要求，排除了PCB 本身質(zhì)量問題導(dǎo)致開裂的可能性。同時，可確定與V-CUT 工序和分板工序相關(guān)，由于機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致側(cè)邊介質(zhì)層存在開裂影響，這需要設(shè)計優(yōu)化去避免失效的發(fā)生。

開裂的根本原因與V-CUT 和分板時受到的機(jī)械應(yīng)力相關(guān)。建議可從設(shè)計端優(yōu)化V-CUT 和分板工藝、優(yōu)化板邊通孔的設(shè)計位置兩個方面來改善，從而提升PCBA整體質(zhì)量及穩(wěn)定性。