PCB孔铜断裂失效分析探讨

刘顺华 刘兴龙 王君兆

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000）

（深圳市美信咨询有限公司，广东 深圳 518034）

（深圳市美信检测技术股份有限公司，广东 深圳 518034）

随着电子制造的高密度化发展和无铅化焊接的高温要求，多层板的层间连接导通孔面临越来越严苛的考验，而导通孔的可靠性在一定程度上决定印制电路板（PCB）的可靠性。特别是电子组装（PCBA）的工艺复杂程度在不断提高，印制电路板需要承受多个周期的温度冲击，较高的温度冲击对导通孔内层铜与孔化铜形成较大的应力作用，这就要求生产商不仅要满足相应的出了检验标准，还要从过程控制的角度对导通孔的质量和稳定性进行关注[1]-[4]。PCB导通孔出现质量问题的原因有很多，本文基于孔铜断裂的实际失效案例，对孔铜断裂的内在机理进行探讨和分析，并提出工程应用的关注环节和改善方向。

1 案例失效背景

某PCB（图1）在制造阶段100%测试无异常，在SMT贴片后测试环节发现通孔开路失效现象，不良率在20%左右。

图1 不良PCB外观

2 CT结构分析

对开路通孔进行CT扫描分析，测试结果显示（图2）：通孔孔壁均匀性较差，存在异常阴影；通孔孔铜平直度差。

图2 CT扫描图

3 剖面分析

将开路通孔进行纵向剖切研磨，利用发射扫描电子显微镜（SEM）对通孔剖面结构进行显微观察，结果如图3所示：通孔存在明显的环形裂纹，孔壁粗糙度较大，且PCB整孔不良。

图3 失效通孔剖面形貌

如图4、图5所示，孔壁厚度均匀性较差，裂纹萌生扩展区的孔壁有效厚度极小。SMT回流焊接过程中，PCB经历高温冲击，通孔承受垂直于板面的拉应力作用，孔壁较薄区域属于应力集中区。此外，值得注意的是裂纹内含有明显异物，异物成分主要为碳、氧元素（见表1），说明PCB除胶渣不够彻底。

图4 失效通孔A区域微观剖面形貌

表1 孔铜裂纹处EDS结果（Wt.%）

图5 失效通孔B区域微观剖面结构

对通孔开裂区域孔铜的最小有效厚度进行测量，孔铜最薄厚度仅为9.87 μm，不符合标准IPC-6012A中关于最小孔铜厚度的要求。

4 孔铜晶粒形貌分析

决定通孔孔铜性能的因素：（1）孔铜宏观结构，如厚度、粗糙度等；（2）孔铜微观金相组织，如晶粒形貌。

将开路通孔纵向机械研磨抛光后，利用离子研磨（CP）对样品表面进行处理，将处理后的样品采用聚焦离子束（FIB）离子成像。

图6是孔铜金相组织图片，从中可以清晰观察到失效样品的孔铜晶粒属于典型的柱状晶形貌（图6a），正常批次样品的孔铜晶粒接近于等轴晶（图6b）。柱状晶具有各向异性，即垂直于晶粒生长方向的性能较差；等轴晶具有各向同性，即各个方向上的材料性能几乎一致，这也是为什么行业内要求孔铜金相组织要避免柱状晶的原因所在。

图6 孔铜金相组织

5 PCB 热性能测试

SMT焊接过程中PCB所受热应力主要与Z轴热膨胀系数相关，Z轴热膨胀系数越大的材料在经受热冲击时对孔壁铜冲击力就越大，就更容易造成金属化孔的断裂[3]。

依照IPC-TM-650 2.4.24C 玻璃化转变温度和Z轴热膨胀（TMA法）的方法，对失效批次和正常批次的PCB光板进行热性能测试。测试条件如下：（1）预处理：105±2 ℃，2±0.25 h；（2）升温速率10 ℃/min；（3）保护气为氮气。

测试结果见图7和表2，失效批次与正常批次PCB光板Z轴热膨胀系数、玻璃化转变温度（Tg）无本质差异，说明失效批次和正常批次的PCB光板基体材料热性能无区别，失效与基板材质无关。

表2 PCB Z-轴热性能测试结果

图7 Z-CTE测试结果

6 讨论与分析

从测试结果来看，PCB孔铜开裂的原因主要有：（1）钻孔、除胶渣工艺不良，孔壁粗糙度大，孔内胶渣残留，导致形成应力集中区，有利于裂纹的萌生扩展；（2）孔铜厚度不足，严重不符合标准IPC-6012A的最低要求；（3）孔铜晶粒属于柱状晶，降低了孔铜的抗拉强度。

钻孔优劣会直接影响孔化前处理的难易程度和镀覆孔的质量，过大的钻污量会增加除胶渣和凹蚀的困难度。如果除胶渣不净或者凹蚀效果不好，就会导致通孔存在局部应力集中，如本案图4、图5所示。

除胶渣工艺的目的是去除钻污，钻污清除不彻底会带来多种可靠性隐患，例如降低内层铜与孔壁的结合强度，孔铜内壁形成应力集中区等。

化学镀铜工艺是保证金属化孔电镀铜厚度和孔壁铜镀层均匀性、延展性的核心工序，确保金属化孔能够承受焊接制程中的热应力。本案中孔壁厚度和异常的金相组织（柱状晶）严重恶化了孔铜的性能。

7 结论与建议

本案PCB通孔断裂与PCB钻孔工序、除胶渣工序、化学镀铜工序直接相关，这三个制程均存在严重不良，属于典型的制板工艺能力失控的表现。

建议：钻孔前烘板，优化钻头转速和进给；保证合适的凹蚀深度，可考虑等离子处理方法；化学镀铜后，建议对其电镀质量进行切片确认，重点关注孔铜金相组织。