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无卤PCB板可靠度与故障分析

印刷电路板( Printed Circuit Board,或称为Printed Wiring Board)为电子产品之母,藉由PCB,将各种电子零件予以结合导通,完成系统成品组合。
PCB之发展已数十年,然近年来,因终端产品日趋轻薄短小,加上电子组装导入无铅制程生产( Lead Free Process)后,不但回焊( Reflow Soldering)与波焊( Wave Soldering)组装温度提高,而且所增加的热应力对传统PCB潜在的影响更深远,故PCB所导致产品失效( Defect)的案例,也较转换无铅制程前更为严重。虽然许多材料供货商为克服热应力( Thermal Stress)问题而开发出了high Tg基材或改善填充剂( Filler)种类,却因而衍生出许多其他问题,如焊垫强度( Bond Pad Strength)降低、钻孔质量不佳以及阳极细丝导通( Conductive Anode Filament,简称CAF)等状况。因此PCB的可靠度(或称信赖性,Reliability)试验,再度受到高度重视。
继无铅应用上的问题外,目前各国际组织( NGO)亦积极推动产品无卤化( Halogen Free)。在必须符合无铅制程需求且达到无卤素含量要求,本公司亦开发出一套针对PC板材料特性进行可靠度验证方法,可协助客户产品进行先期可靠度承认或产品固定抽样分析。


  无卤素PCB之服务项目        
  温度循环及动态低阻试验
PCB之温度循环试验( Temperature Cycling Test,以下简称TCT)为最普遍且重要之试验手法,其经常伴随着使用动态阻值量测系统,如Data logger或Event detector。TCT的目的主要是因为利用各种材料间不同的热膨胀系数不匹配( CTE mismatch)现象,在长期的高温与低温循环过程中产生导通孔断裂或产品脱层( Delamination)等问题,以协助找到产品质量风险。此试验方法对于多层产品以及高密度互连( HDI)产品,具有很高的效益,亦可验证及改善制程叠构结合( Lamination Bond)强度、电镀质量、制程稳定性等。温度循环试验亦可搭配非动态试验,取固定循环数予以进行阻值测试。 对于本试验用之PCB,可采用雏菊链( Daisy Chain)设计,亦可采用实际产品板进行试验。使用Daisy Chain设计,有助于减少样品数量并可观察到较完整的现象,对于新供货商之验证上更有帮助。TCT试验条件则通常以IPC-TM-650 2.6.6为主,或参考IEC60068建议。
 
IPC-TM-650 2.6.6 建议条件
  湿式与干式温度冲击试验
PCB之热冲击试验(Thermal Shock Test,以下简称TST)的目的是为了试验其本体在瞬间暴露于不同的温度环境下以及不同温度下快速交替可能产生的问题,包括本体受损、退变色、阻值变异等。
TST与传统的温度循环试验(TCT)不尽相同,主要的差异在于TCT使用之温度转移为渐进式,其目的系透过热膨胀系数不匹配以突显产品结构问题。而TST在不同温度槽之转移时间仅10秒钟,由于时间快速,其热膨胀系数不匹配的现象较不显著,但因在冷或热的瞬间冲击导致材料本身无法承受而发生受损现象为此试验之目的。
TST试验可分为液槽式与气槽式两类,均为双槽模式。所谓的双槽系指冷槽与热槽分开,透过样品之移动达到驻留,此驻留时间包含转移时间,待测样品必须于两分钟内达到要求之试验温度。依据IPC-TM-650 2.6.7中建议试验条件,FR4材料使用condition D,而FR5材料使用condition E,总试验循环数依IPC规范建议至少100 cycles。
对于本试验用之PCB,可采用雏菊链(Daisy Chain)设计,亦可采用实际产品板进行试验。使用Daisy Chain设计,有助于减少样品数量并可观察到较完整的现象,对于新供货商之验证上更有帮助。
   
IPC-TM-650 2.6.7 建议条件
  离子迁移试验
PCB之离子迁移试验( Electrochemical Migration Test,以下简称ECM)为进入无铅化之后重要的试验手法。与导通阻值测试不同,ECM是一种高阻值变化的试验方法,其目的在测试两个绝缘电路间发生短路之风险。
ECM主要是透过金属解离后游离至另一极性,并产生金属沉积的形成dendrite 导致短路,或透过生成金属化合物游离透过PCB内层延长至另一导通点,两者之差异主要为反应方程式的不同,发生的位置可分为PCB表面与内部。发生于表面时,其试验方法称为表面绝缘电阻试验( Surface Insulation Resistance,简称SIR);发生于表面与内部间或者内部与内部时,则称为阳极细丝导通( Conductive Anode Filament,简称CAF)。 对于本试验用之PCB,一般采用梳型电路(comb design)设计,亦可采用实际产品板进行试验。使用梳型电路设计,有助于减少样品数量并可观察到较完整的现象,对于新供货商之验证上更有帮助。
无卤素材料的CAF试验结果普遍较传统FR4材料或High Tg FR4来得差,主要因素为材料本身的特性以及其对PCB压合,钻孔制程质量影响甚大,造成CAF的风险更加严重。
      
  焊垫结合强度试验
铜箔拉力试验是PCB半成品压合后必进行之确认动作,但此试验仅对于半成品有效益,对于后续仍有诸多制程的成品来说,并不显著。而使用焊垫结合强度试验则是一个比较有意义的试验方法,主要是在于其与实际的成品状态相同,可有效模拟出组装后维修过程中焊垫脱落的风险度,而IPC-9708因此孕育而生。但此项试验并无允收规格,常是以样品测试值的标准偏差或者Cpk来观察质量稳定度,亦可藉由历史资料比对结果。
  

                     板材变更后常见的焊垫抗裂的现象 

对于无卤素材料来说,文献纪录均以传统的Peeling Test作为观察,认为其接合强度较典型FR4差。


                                                                       IPC-9708三种评估焊垫坑裂的方式

  耐热模拟试验
耐热试验在PCB的使用上一般以漂锡法288度为主,但因为目前产品主要以SMT组装为主要方式,因此进行Reflow模拟成为更有效益的方式,此法已被列入标准测试方法中IPC-TM-650 2.6.27。
 
 
IPC-TM-650 2.6.27 回焊模拟测试建议条件
此试验可采用Daisy Chain进行阻值监控,每一次试验后须进行量测阻值已确认失效发生的试验次数。此法亦可作为制程质量仿真监控,尤其对于压合站与电镀质量有很好的效益。 
 
  动态热油试验
动态热油试验,并不算是真正的可靠度试验方式,经由使用Daisy Chain进行导通阻值的监控,以得到实际的失效位置以及失效现象。
热油试验的条件如图所示,透过此快速试验法,可将制程中早夭问题点予以找出,可作为研发或新产品开发过程对制程质量的确认,并进行质量改善,再以此重新验证。
  
 
IPC-TM-650 2.4.6 建议条件

  CTE与Tg量测 
热膨胀系数CTE与玻璃转换温度Tg是无卤素板材基本试验项目。由于多数无卤素材料中使用大量的氢氧化金属物质作为填充剂,因此制程中压合条件,必须做一有效的调整。压合质量的良窳,关系到产品结合强度,在组装过程中,受到reflow或wave soldering热的冲击影响,易发生脱层( Delamination)或者爆板( Popcorn)问题,进而影响到周边的导通孔结合问题。此量测通常可以使用TMA或TGA进行。然无卤素材料不如传统FR4成熟,理论的Tg、delta Tg或CTE在试验前应予以确认,作为协助判定之用。
 
 
热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion)
  弯曲试验
无卤素板材,由于大量的无机氢氧化金属填充剂的使用,导致PCB变硬变脆的问题。弯曲试验的主要目的在于观察板材在弯曲后对导通孔与板材承受力的品质风险。弯曲试验可分为破坏性与非破坏性两种,依照需求或组装程度,与以选择进行。
以携带型产品而言,常用的弯曲试验为Cyclic Bending,目的是为了仿真产品使用时受到弯曲应力持续作用下,造成材料的疲劳问题。另外,对于此PCB可搭配零件同时进行,可观察PCB于受外力时,因本身所产生的应变( Strain)对于零件焊点的影像,典型的问题如Pad Peeling或者Pad Cratering等现象均可由此方法呈现。
此外,利用单次持续弯曲,可看出因无卤板材硬度高,透过Daisy Chain监控下,在相同的弯曲程度下,其所发生的不良数量较传统使用的high Tg FR4明显高了许多。
  
 
 
  机械冲击试验
PCB原材虽然也有机械冲击试验,但因裸板应力分布上的问题,并无法显现出产品结构上的真正问题,因此机械冲击主要是针对已完成组装的产品进行。在高G值的冲击之下,PCBA所产生的形变,造成PCB与零件间的焊点( Solder Joint)潜变,常使结合无法承受,此问题在无卤素后因板子的硬度大幅增加,韧性不足,对于焊垫的结合力是一个很严格的挑战,尤其在未来零件脚间距( Pitch)越来越小的情形下,更值得去了解其存在风险。
  故障分析
如前所述PCB之发展已达数十年,由于制程的成熟,因此许多失效现象已不再发生,但由于无铅制程及无卤材料的导入,使得业界不得不重新重视材料变更后会遇到的问题及现象。

          

                                                             阳极细丝导通(CAF)

本公司目前对于PCB可靠度试验,依据IPC-TM-650 主要类别,区分为化学性试验、机械应力试验、环境/可靠度试验与SMT组装模拟等,除可协助客户进行一系列的试验外,并提供相关技术咨询与故障分析服务。
 

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