pwb失效问题分析

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1、1,PWB失效問題分析,Prepared by : PFA LabDate : 2013.6.25,2,PWB概述分析重要參數PWB問題分析案例分享Q & A,目錄,3,它是重要的電子部件之一，是電子元器件的載體，也是電子各零部件間電氣互連的中心樞紐。,PWB概述,PCBA-Printed Circuit Board Assembly.,PWBA-Printed Wire Board Assembly.,1. 何謂PWB?,2.1 根據IPC標準及Delta採購規範等; 2.2 實驗分析、主要參數量測進行最後判定。,2. PWB允收定義 :,PWB=PCB,4,3.1 一級（CLASS 1）:

2、是指消費性產品包括電視玩具娛樂性電子製品以及非關鍵性工業 控制零組件。這一級的電路板（常見於單面板），只要電性功能沒有問題有漆覆蓋也可，外觀的缺陷並不是很重要。3.2 二級（CLASS 2）:為一般工業製品（General Industry）包括電腦通訊設備商務用機器儀器等。這一級的板子適用於高性能的商務及工業製品而且需耐長期使用穩定度較好，尚可忍受某些表面的缺陷。3.3 三級（CLASS 3）:為高信賴度需求之產品級,是指長時間連續操作並能發揮功效之設備，包括醫療，軍用，太空電子設備等。不可中斷特性為此產品之關鍵例如救生設備就無法忍受在使用中所發生之故障。,3.PWB分類 （根據IPC規範）

3、,5,4. PWB製作流程簡介,前制程治工具製作,外觀成型製作,4.PWB 組成與測試,基礎Epoxy 多功能環氧樹脂 (Tg, 2 filler) 固化劑 (Td) 溴化劑(阻燃性) 膠片+壓合+鑚孔.表面處理,PWB上下游耐熱性測試,PWB的主要材料有：銅箔、PP、基板、防焊阻劑、文字油墨等（如圖1）。,圖1,有機保焊膜 OSP (開封後24Hrs內焊接完畢)浸鍍銀(Immersion Silver)化鎳浸金 (ENIG)鍍金板(Electrolytic Ni/Au)化鎳化鈀浸金(ENEPIG)噴錫板 (HASL)化錫板(Immersion Tin),5.PWB選擇 (Lead free)

4、,PCBA 照片,銅表面處理,8,6.1 外觀檢查外觀檢查超景深3D立體顯微鏡、金相顯微鏡(200x)、普通體視放大鏡等工具來完成外觀檢查。a. 污染物b. 腐蝕c. 掉漆d. 斑點凸起位置e. 裂痕等 6.2 X射線透視檢查a. 檢查內部線路b. 線材開路或短路等,6. PWB失效分析技術 (進料檢驗),6.3 .金相切片分析切片分析就是通過定位、切樣、初磨、鑲嵌、抽真空、細磨、拋光、觀察、微蝕、再觀察等一系列手段和步驟獲得PWB截面結構的過程。通過切片分析可以看到PWB內部結構:a.通孔b.鍍層等的品質資訊，c.切片判定參考IPC標準的IPCTM650 -2007，GJB 4027A200

5、6和相關採購規範流程進行判定。,由於LF焊接之熱量大增，除了對零組件與銲點造成重大影響外，又在現行板材樹脂的“耐強熱性”不足下，也對PWB帶來極大的傷害，其中尤以RCC中的背膠受傷最重。為了避免LF對板材所造成不定時不定點的漲裂起見，主樹脂的改善已成為必須的途徑。此等耐強熱的板材品質規範IPC-4101B，已在2005年Q3正式發佈，除將認同已久的Tg正式納入規格單（Spec. Sheet）之外，還更加入三項耐強熱的全新品質要求： a. 裂解溫度b. Z-CTEc. 耐熱裂時間,1.板材漲裂,分析重要參數,以“熱重分析法”（Thermal Gravity Analysis）將樹脂加熱中失重5%

6、（Weight Loss）之溫度點定義為Td。目前各種基材抗LF之起碼Td定在325以上。,2. 裂解溫度（Decomposition Temp，簡稱Td）,10,簡稱TMA量測板材Tg以上的“熱脹係數”（2-CTE），目前此後段熱脹係數之上限定為300ppm / 。,玻璃態,橡膠態,3. Z-CTE採“熱機分析法”（Thermal Mechanical Analysis),採TMA法將板材逐步加熱到260、288，或300之定點溫度，然後觀察板材在此等強熱環境中，能夠抵抗Z脹多久而不致裂開，此種忍耐時間即定義為“耐熱裂時間”。目前訂定起碼規格:a. T260為30分鐘; b.T288為5分鐘

7、; c. T300為2分鐘。,測試報告 : X 軸為所經歷的時間 ,Y 軸為板厚,測試儀器,4. 耐熱裂時間（T260、T288、T300）,綜合上述所論歸納以下三點板材特性 : 2 Z-CTE 橡膠態者上限為300ppm/ ,降低 Z-CTE 最有效的方法就是添加無機 Filler (參無鉛焊接與爆板4.3.2.Fig 18) 三種（T260、T288、T300） TMA式耐熱裂時間又以 T288 較常用，平均以 5 分鐘為允收標準 Td 為主, 而T288 為客, T288等與無鉛焊接的峰溫高低有關，就總體耐熱性而言 , Td訂定在325以上,13,PWBA熱量增大的LF Solderin

8、g其對濕氣的受害敏感度更甚於TL，也就是受到“電化學遷移”（Electro Chemical Migration）的威脅將更為險惡。此種ECM針對PWB 板面導體之間，會出現Dendrite的缺失，或在板材玻纖束中會發生CAF（Conductive Anodic Filament）之絕緣性不良。通常各式ECM須在四種條件齊備下才會發生，即吸入水份板體不潔而帶有電解質露銅或露錫兩導體間出現偏壓（Bias）。PWB或板材較容易避免之項目即為“吸水”與“清潔”。而目前CCL業界最可行性的方法，就是將硬化劑由Dicy改為PN/BN以減少吸水。,5.板材對濕氣敏感,CAF的含有腐蝕的銅 , 起源於線路的

9、次表面陽極向陰極生成 , 通常發生在玻纖與樹脂的介面,CAF發生的示意圖,15,PTH-PTH之間的CAF生長最快原因為 : 1. 不良的鑽孔及後續的熱循環 2. 較多的玻纖束連接於PTH間產生正, 負電極 3. 電鍍濕制程藥水的離子污染殘留於孔壁PS : CAF是生長於板材間的玻纖砂間 , 從陽極向陰極生長 稱為:玻纖絲陽極漏電,CAF最易發生的位置,16,電化學遷移的切片,此為多層板PTH之間電化遷移的現象,特稱為CAF!,17,電化學遷移的反應機理,18,此為板面上電化遷移的現象,特稱為ECM!,19,6.PCB可焊面表面處理,保焊劑(OSP) -Organic Solderabilit

10、y Preservatives噴錫(HASL)- Hot Air Solder Leveling浸銀(Immersion Silver Ag,I-Ag)浸錫(Immersion Tin Sn,I-Sn)化鎳浸金(Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG),表面處理的功用:因為銅焊墊極易氧化,所以在焊錫製程之前,保護焊墊不被氧化,而且焊錫時能有良好的焊錫性!,台達PWB使用現狀,以OSP表面處理為主;(台達規格: 0.20.3um),20,資料摘錄取於22期印刷電路板會刊,成本最經濟,a. 各種表面處理比較,21,b. OSP的焊接過程:,此為OSP表面處理

11、焊接中 , 助焊劑把OSP皮膜驅逐而裸露出清潔銅面的焊接過程,c. OSP 之優點與缺點,優點：成本較便宜製程簡單便捷焊在銅面形成 Cu6Sn5強度好容易重工第五代以後耐熱性能已大幅改善,缺點：量產板不易直接量測膜厚皮膜顏色透明較不易外觀檢查儲存較易受濕氣影響錫膏印偏後不易重工完工皮膜無法進行電測,23,d. 沾錫性測試比較 ( Wetting balance ),此表為OSP膜厚評比結果以 0.3 m最佳 , 在實際組裝焊接工序上不可能重工到 5 次Reflow ,24,a.太薄的皮膜無法抑制銅面氧化 ; b.但太厚則會導致錫膏中的助焊劑, 無法將皮膜完全驅除推開 , 會產生焊性差且容易形成

12、空洞( 無鉛時代大多採用低活性以降低離子污水 ) 。,f. OSP皮膜厚度對焊錫的影響,外觀目視限度樣本,26,f.OSP厚度品質檢查,現行間接測厚法,By SEM/EDS,27,g.如何控制OSP膜厚?,PH值為控制膜厚穩定的最重要因素.pH值通常會愈來愈高，因為醋酸會蒸揮發掉，水洗槽也會 帶來水份.高pH值會讓OSP膜厚增厚.浸泡時間可由線速來控制膜厚槽液溫度溫度愈高膜厚愈厚，建議控制在35-43.活化物的濃度其濃度變動之因素包括槽液水份之蒸發、帶入之水量及 帶出之槽液量、酸洗或微蝕液之污染等,28,29,X-Ray 檢測特點： 在不破外樣品的情況下，目視及其他外觀設備所不能看到的內部異常

13、現象，透過X-Ray就可以輕鬆快捷地排查異常。常用檢測類型有：元器件內部結構檢測、連接線材內部開路&短路檢測、各類焊點焊接品質檢測、PWB &PWBA內部狀況檢測等。,PWB問題分析,左：PWBA X-Ray平視圖,右：PWBA X-Ray側視圖,1.X-ray穿透檢,30,超影深顯微鏡是外觀檢查系列設備中較先進的設備，能夠三維成像，多角度觀察，放大倍數最高達1000X,外觀細小的缺陷也能清楚看到。常用到的檢測項目有：元器件外觀檢測， 焊點外觀檢測，PWB&PWBA外觀檢測等。,PWB銅箔線路開路圖,2. 3D超影深顯微鏡(1000X),PWB銅箔線路橋連圖。,31,PWB銅箔凸起圖,異常放大

14、圖,200X,銅箔線路斷開圖,32,3. 金相切片分析,通過PWB切片分析可以查檢到的常見缺陷列表:,33,孔銅厚度是在鍍覆孔每側上大約等距離選取三個測試點量測所得的值，一般不測量有孤立缺陷的區域（空洞、裂縫、銅瘤、孔破等）。,目標條件-1，2，3級： 整個孔壁鍍層平滑而均勻，厚度滿足要求。,可接受條件-1，2，3級： 鍍層厚度不均勻，但滿足IPC-6010系列規定中的最低平均厚度要求和最小區域厚度要求。,不符合條件-1 ，2，3級： 缺陷不符合或超出規定要求。,4. PWB失效分析判定：,量測選點示意圖,4.1 PTH孔銅厚度：,PWB 切片結果統計,附件: FA report 參考,35,

15、銅厚度量測 ok,銅厚度量測NG,200X,200X,36,內層銅箔厚度：最小銅箔厚度是傳導電流的最大的連續共面厚度。 確定最小銅箔厚度時，包括個別的劃痕，但用於加強金屬箔粘結強度的鋸齒狀“樹枝形”表面除外（如圖）。,2.可接受條件-1，2，3級： 銅箔厚度的最小值在規範要求內。,3.不符合條件- -1,2，3級： 缺陷不符合或超出上述要求。,1.目標條件-1，2，3級： 銅箔厚度滿足客戶要求。,4.2 內層銅箔厚度量測,37,內層銅箔厚度：(接上例),內層銅箔厚度量測數據圖,內層銅箔厚度量測數據圖,200X,200X,38,面銅箔厚度：(接上例),面銅厚度量測數據圖,200X,200X,39

16、,層間介質間距：最小介質厚度是耐電壓介質強度要求的最大材料條件。,1.目標條件-1，2，3級：最小介質厚度滿足採購檔的要求。,2.可接受條件1，2，3級： 最小介質厚度滿足採購檔的最低要求。 如果最小介質間距和增強層的層數未作規定， 則最小介質間距應當為0.09mm0.0035in。,3.不符合條件-1,2，3級： 缺陷不符合或超出上述要求。,4.3 層間介質間距,40,內層介質厚度100X量測數據圖,實例：上圖是某機種的一些規格參數,PWB板層間介質間距參數：,41,TOP面銅與內銅間介質厚度200X量測數據圖,Button面銅與內銅間介質厚度200X量測數據圖,42,基材空洞：,目標條件-1，2，3級：基材介質平滑均勻一致。,可接受条件-2,3級：空洞小於或等於0.08mm0.0031in且不違反最小介質間 距要求。 當同一層面上相鄰的兩鍍覆孔間出現多個空洞/裂縫時，其累加長度未超出上述限制。,