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PCB鼓包异常分析

2022-09-01  浏览量:144

 

引言

 

孔壁分离是pcb及pcba热处理(热风整平锡、热冲击、回流焊)等过程中,电镀通孔的镀铜层与pcb板本体出现分离的一种缺陷,一旦出现将导致整批产品报废或退货,给生产厂家带来巨大的经济损失。本文以PCB鼓包异常分析为例,分析其异常原因与失效机理,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

PCB喷锡表面处理后出现焊盘和油墨位置鼓包异常,鼓包比例5%。现进行测试分析,查找PCB焊盘及油墨位置鼓包异常的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

目视及体视显微镜下,对PCB鼓包外观及位置分布进行检查:

所有鼓包均分布在大焊盘一角落位置,其他位置未见明显鼓包异常。鼓包典型外观照片如图所示。

 

鼓包位置典型外观照片

图1. 鼓包位置典型外观照片

 

2. 超声波扫描检查

为了确认其他位置是否也存在鼓包等异常,利用超声波扫描显微镜对异常PCB进行扫描分析。

超声波T模式(透射模式)扫描结果显示:除大焊盘一角落位置发现鼓包或分层异常外,其他位置也发现不同程度鼓包或分层现象;所有异常位置均位于PCB通孔周围。

 

超声波扫描检查结果

备注:红色箭头为鼓包或分层异常位置

图2. 超声波扫描检查结果

 

3. 剖面分析

对大焊盘角落位置(NG1区域)及其他异常位置分别进行切片后,利用金相显微镜对截面状况进行观察分析,结果如下:

NG(大焊盘角落位置):如图3所示,切片观察结果显示:

①大焊盘鼓包位置及相邻绿油位置,均发现表层铜箔分离异常,分离界面位于铜箔与树脂之间;

②鼓包区域靠近通孔集中区;

③鼓包区域通孔切片后,存在严重的孔壁分离现象,局部存在内层分离异常(内层铜箔与孔壁分离);

④未鼓包区域通孔切片后,现象与鼓包区域类似,同样存在不同程度的孔壁分离及内层分离异常;

⑤鼓包区域铜箔腐蚀后,基铜完整(如图4所示),排除基铜异常对PCB鼓包的影响。

 

NG1位置切片后截面金相观察照片

图3. NG1位置切片后截面金相观察照片

 

NG1铜箔腐蚀后基铜观察照片

图4. NG1铜箔腐蚀后基铜观察照片

 

其他异常位置:如图5所示,切片结果显示:

①异常位置均发现表层铜箔分离异常,分离界面位于铜箔与树脂之间;

②异常区域靠近通孔集中区;

③异常区域通孔切片后,存在严重孔壁分离现象,局部存在内层分离异常;

④局部表层铜箔未分离区域,孔壁分离轻微。

 

其他异常位置切片后截面金相观察照片

图5. 其他异常位置切片后截面金相观察照片

 

外观正常位置:如图6所示,相同位置切片结果显示:

①表层铜箔整体未见明显分离现象,局部发现轻微分离现象,铜箔轻微分离处,通孔孔壁分离相对严重;

②通孔切片后,同样观察到孔壁分离现象,但孔壁分离程度整体表现轻微。

 

外观正常位置切片后截面金相观察照片

图6. 外观正常位置切片后截面金相观察照片

 

4. 剥离分析

将鼓包位置机械剥离后,利用场发射扫描电子显微镜对分离界面形貌及成分进行分析,结果图7所示:

鼓包位置剥离后,分离界面位于铜箔与树脂结合位置,放大观察后,铜箔侧存在树脂残留现象,说明铜箔与树脂结合正常,即铜箔棕化正常;分离界面发现C、O、Br、Si、Cu、Mg、Ca元素,未见异常元素存在。

 

鼓包位置机械剥离后界面形貌观察及成分分析结果

图7. 鼓包位置机械剥离后界面形貌观察及成分分析结果

 

三、总结分析

 

外观及超声波扫描检查结果显示:鼓包异常主要位于大焊盘一角落位置,其他位置也发现不同程度鼓包或分层现象;所有异常位置均位于PCB通孔周围。

 

鼓包或分层异常位置切片分析结果显示:①大焊盘鼓包位置及相邻绿油位置,均发现表层铜箔分离异常,分离界面位于铜箔与树脂之间;②鼓包区域靠近通孔集中区;③鼓包区域通孔存在严重孔壁分离现象,局部存在内层分离异常(内层铜箔与孔壁完全分离,依照标准IPC A-600J-2016 印制板的验收条件,该现象是不能接受的);④未鼓包区域通孔切片后,现象与鼓包区域类似,同样存在不同程度的孔壁分离及内层分离异常(局部表层铜箔未分离区域,孔壁分离轻微);⑤鼓包区域铜箔腐蚀后,基铜完整,排除基铜异常对PCB鼓包的影响。

 

外观正常区域切片结果显示:①表层铜箔整体未见明显分离现象,局部发现轻微分离现象,铜箔轻微分离处,通孔孔壁分离相对严重;②通孔切片后,同样观察到孔壁分离现象,但孔壁分离程度整体表现轻微。

 

外观正常区域切片结果显示:①表层铜箔整体未见明显分离现象,局部发现轻微分离现象,铜箔轻微分离处,通孔孔壁分离相对严重;②通孔切片后,同样观察到孔壁分离现象,但孔壁分离程度整体表现轻微。

 

PCB表层铜箔鼓包异常主要与两个因素相关:1.界面结合异常;2.产生了较大内应力。影响界面结合质量的因素包括:树脂固化不良;铜箔棕化异常;界面异物。根据鼓包主要分布在特定区域,且PCB内层并未发现爆板分层异常,可以排除树脂固化不良的影响;剥离分析结果也排除了铜箔棕化异常及界面异物等影响因素,故铜箔鼓包主要与产生了较大内应力有关。

 

剖面结果可知,铜箔鼓包主要靠近通孔密集位置、鼓包区域通孔孔壁存在严重分离异常、对应位置外观正常区域孔壁分离程度整体表现轻微,故鼓包异常与孔壁分离存在正相关性。孔壁分离后,遇到喷锡处理过程中高温影响,孔壁分离界面受热膨胀,最终导致通孔周围铜箔受到较大内应力而鼓包。

 

通孔孔壁分离严重、孔壁质量差推测主要与钻孔质量不佳有关。

 

四、结论与建议

 

喷锡PCB局部鼓包异常的原因为:PCB通孔孔壁分离严重、孔壁质量差,喷锡过程中,孔壁分离界面因高温膨胀而导致周围表层铜箔受到较大内应力而鼓包。

 

改善建议

优化钻孔工艺质量,定期更换刀头。

 

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