PCB分层失效分析

严泽军

（麦可罗泰克（常州）产品服务有限公司，江苏 常州 213031）

0 前言

随着电子产品的功能越来越强大，作为电子元器件载体的PCB组装结构也越来越复杂。纯粹的回流焊或波峰焊已经无法满足安装要求，2次回流焊+1次波峰已变为常见焊接方式，另外含铅焊料的禁用，焊接需要更高的温度（由230 ℃提升至250 ℃），这对PCB材料的耐热性和PCB的加工工艺提出了更高的要求。本文介绍了一款车用PCB在2次回流焊后分层失效的分析。

1 不良信息调查

（1）失效现象和不良比例：与客户沟通后了解到，这款产品在2次回流焊后局部区域有分层起泡现象，分层起泡位置没有固定位置，不良比例大约在90%以上。

（2）结构设计：4层板，叠构是外层铜箔（1 oz）+粘结片+芯板（2 oz铜箔）+粘结片+外层铜箔（1 oz），无埋、盲孔设计。此产品已经过多批次量产，之前未发现分层起泡现象。

（3）生产状况：钻孔参数、层压工艺、棕化工艺、回流焊工艺正常。

（4）存贮条件：该产品使用的粘结片和芯板储存的温度和湿度正常。

（5）通过以上调查，初步排除了钻孔、压合、棕化和焊接异常造成的PCB分层。

2 原因分析

2.1 失效模式确认

随机选取2块失效样品，在每块样品上用金刚石刀片移取3个分层区域进行垂直剖切，切片显示所有分层均发生在外层铜箔和粘结片之间，导体的“铜牙”长度和导体底部的“奶油层”厚度没有明显异常（见图1）。

图1 分层现象

2.2 分层面外观分析

在失效样品上用手术刀片把分层区域剥开，在放大镜下观察分层面是否存在异常，分层面未发现有明显划伤、异物和铜箔氧化变色等异常。

2.3 材料吸湿导致的分层分析

（1）PCB板材如果吸入了过量的水分，在焊接到达高温阶段时，板材内的水分被瞬间汽化膨胀，使PCB发生分层爆板。

（2）吸水量分析：从失效样品上移取试样，去除试样上的铜箔，切割10～30 mg重量的试样，用砂纸或等效工具打磨试样的边缘。将试样放入TGA（热重量分析）试验仪中，以升温速10 ℃/min从室温升到105 ℃，并恒定120 min。分析扫描曲线，求出吸水量，PCB 的吸水量是0.18%（见图2），符合企业技术要求（一般CCL企业规定板材吸水量应小于0.35%，如果大于这个值，PCB在焊接中有分层爆板的风险）。

图2 吸水量扫描曲线

（3）模拟回流焊验证实验：取5块与失效样品同批次未焊接的PCB放入烘箱中，在105 ℃条件下烘烤24小时，使样品中水分彻底去除。然后参照IPC-TM-650方法2.6.27进行模拟回流焊（峰值温度260 ℃±5 ℃）测试，回流焊参数如图4所示。测试结果显示有1块样品在过完第一次回流焊后就出现了分层起泡，其余的最多在过完三次回流焊也出现了分层起泡（对于汽车板，一般要求5次回流焊后无分层起泡现象）。该实验说明此产品的分层起泡与板材是否吸湿无关。

图3 无铅回流焊参数

2.4 材料耐热性分析

2.4.1 玻璃化转变温度（Tg）和固化因素（△Tg）分析

参照IPC-TM-650 方法 2.4.25D，从失效板上切割一块试样，用砂纸或等效工具打磨试样边缘，使重量符合（10～40）mg。试样在温度（105±2）℃下处理（2±0.25）h，然后放在干燥器中保存至少0.5 h，冷却至室温。将样品压入铝盘中，并安装在DSC仪的平台上，以20 ℃/min的速率从30 ℃到190 ℃进行预扫描，后立即冷却到初始温度。以速率20 ℃/min扫描到210 ℃。如果需要固化因数，在210 ℃恒温（15±0.5）min后立即冷却到初始温度，以速率20 ℃/min进行第二次升温，升温至210 ℃。分析扫描曲线，求出玻璃化转变温度和固化因数，检测结果符合技术要求（Tg要求150 ℃以上，△Tg要求3 ℃以内），见表1和图5。

表1 玻璃化转变温度和固化因素(DSC法)

图4 玻璃化转变温度扫描曲线

2.4.2 Z轴热膨胀系数

参照IPC-TM-650 方法 2.4.24C，从失效板上按尺寸6.35 mm×6.35 mm切割试样（内层无铜区域），用砂纸或等效工具打磨试样边缘。将试样在温度（105±2）℃下处理（2±0.25）h，然后放在干燥器中冷却至室温；将试样安装在TMA仪的平台上，并对其施加5 g的负荷。；以10 ℃/min的升温速率从室温加热到260 ℃；分析扫描曲线，求出Z轴热膨胀系数，检测结果符合技术要求（Tg前小于50 μm/m℃，PTE（热膨胀百分比）小于5%）（见表2、图5）。

2.4.3 结论

从以上分析数据可知，样品的Tg、△Tg及CTE均符合客户技术要求，说明板材的耐热性正常。

2.5 分层面、未压合的铜箔粗糙面SEM/EDS分析

（1）失效样品分层面用SEM/EDS 分析，SEM显示外层导体一侧的铜箔粗糙面上大部分区域没有明显的树脂残留，说明PCB在压合后铜箔与树脂间结合力较差。从铜箔粗糙面的形貌来看，粗糙度均匀性不佳（见图6）； EDS显示分层面未发现异常元素，排除了污染造成的分层（见图7）。

（2）未压合的铜箔（与失效样品同批次）粗糙面用SEM/EDS分析，SEM显示铜箔粗糙面大部分区域很平坦，没有形成均匀的粗糙形貌（见图9）。铜箔在加工中有一个粗化、固化处理过程，处理完后形成均匀的葡萄球状颗粒形貌（见图10），这种处理的目的是增大铜箔粗糙面的接触面积，使铜箔与树脂结合后的粘结强度增大。

2.6 铜箔的抗剥离强度验证试验

把与失效样品同批次的铜箔按正常工艺压合成20 mm×20 mm的PCB，在样品上蚀刻3 mm左右宽度的导线若干条，然后按IPC-TM-650方法 2.4.8把样品上导线夹在拉力机上，以恒定速率50 mm/min的速度，至少剥离25.4 mm长的导线，记录最小平均剥离力（LM），检测结果显示导线剥离强度在（0.82～1.10）N/mm（客户技术要求是大于1.5 N/mm），铜箔的抗剥离强度明显偏小。

表2 Z轴热膨胀系数（TMA法）

图5 热膨胀系数扫描曲线

图6 分层面的铜箔粗糙面形貌

图7 分层面的铜箔粗糙面元素成分

图8 异常铜箔粗糙面形貌

3 总结和建议

PCB分层失效机理是由铜箔和粘结片高温压合后形成物理结合，但不同材料的膨胀系数存在差异（树脂的热膨胀系数远大于铜箔），形成内部应力。一旦内应力超过铜箔与粘结片树脂间的结合力，就会导致原来粘合在一起的结合面分离出现分层。

PCB板材的耐热性正常。铜箔粗糙面瘤化不均匀，导致压合后铜箔与树脂间结合力偏小，是造成PCB在焊接受热后分层的主要原因。

图9 正常铜箔粗糙面形貌

铜箔厂对铜箔的外观检验主要通过目视检查或光学显微镜检查，以上方法无法看清铜箔粗糙面的微观形貌是否正常，建议增加SEM的放大检查（1000倍以上）和铜箔的抗剥离强度测试。铜箔粗糙面形貌不良往往是整批次的，做成PCB成品后将会造成巨大的经济损失。