- 现代电子制造装联工序链缺陷与故障经典案例库
- 樊融融编著
- 1371字
- 2021-04-05 05:39:03
No.049 UPFUJZ/PCBA模块M1A7A38 输出异常 (断路)
1.现象描述及分析
(1) 现象描述
UPFUJZ/PCBA大板经选择性波峰焊焊接后 (焊接温度 275℃、时间 1.5 秒),模块M1A7A38 输出异常,缺陷现象是断路,而且不同的供应商,不同的料号,不同的批次,出现的缺陷现象都是相同的,不良板只要是经选择性波峰焊过的地方都有问题,初步判定为PCB内层线路有断裂现象。异常位置上面有1载板,通过一些铜柱与此排孔连接,并在大板背面焊接,拆掉该位置载板后,测试A-B及C-D间阻值为无穷大,而测试A、B、C、D四个PTH则均未见异常,内层走线均在 L20 层。发现开路缺陷的 PCB 内层连线图如图No.049-1所示。
图No.049-1 发现开路缺陷的PCB内层连线图
(2) 切片分析
① 对缺陷位置垂直切片:发现孔壁镀铜层与内层基板分离,内层导线与孔壁镀铜层分离,如图No.049-2所示。
② 对缺陷位置水平切片:在 L20 层,观察线路状况,发现 L20 层铜与孔壁铜分离,L20层的形貌如图No.049-3所示。断线现象大多发生在孔的上下两端内层连接处 (例如L20层),中间一般无异常。
图No.049-2 孔壁镀铜层与内层基板剥离,内层导线与孔壁镀铜层分离
图No.049-3 L20层的形貌
③焊接工艺甄别:分别针对选择性波峰焊接与非选择性波峰焊接的P TH进行对比切片试验,其结果如图No.049-4所示。经选择性波峰焊接的孔均有开路现象,而非选择性波峰焊接的孔均无异常。
图No.049-4 选择性波峰焊接与非选择性波峰焊接的PTH对比切片试验结果
④ PTH中填充焊料与否的影响:未填充与填充焊料的PTH缺陷切片的SEM形貌,分别如图No.049-5和图No.049-6所示。
在图No.049-5中,由于受上半部基材的Z方向膨胀压力作用,造成了内层导线与焊环间的断口处发生了明显的撕裂性错位,且基材与孔壁镀铜层之间也发生了明显的分离现象。
在图No.049-6中,由于受上半部基材的Z方向膨胀压力作用下,内层铜导线已出现了向下弯曲现象,且在内层导线与孔壁铜镀层间应力集中的上角部位,出现了撕裂性的裂缝。
上述二图共同揭示了无论P TH内是否填充焊料,均会发生内层导线与孔环间的断裂现象,且未填充焊料时裂缝更厉害。
图No.049-5 未填充焊料PTH缺陷切片的SEM形貌
图No.049-6 填充焊料PTH缺陷切片的SEM形貌
2.缺陷形成原因及机理
(1) 形成原因
显然,经选择性波峰焊后的PTH周围的基材承受了局部热冲击,使得基材沿Z方向膨胀形成应力,从而导致内层导线与PTH焊环相接的界面被撕裂而造成电气上的断路。
(2) 形成机理
① 针对目前所用PCB几乎均是FR-4基材制成的多层板,当选择性波峰焊接温度过高时,就极易形成PTH周围基材局部受到过大的瞬间热冲击,而导致基材局部瞬间热量的大量积聚,从而造成PTH周边基材沿厚度 ( Z) 方向的局部区域产生过大的膨胀力,使得内层导线与孔壁焊环间断裂而导致开路。采用选择性峰焊时的相关物理变化如图No.049-7所示。
②就膨胀系数 (CTE) 而言,E-玻纤布的CTE为5.04×10一6/℃,铜箔的CTE为1.7×10-5/℃,双酚A环氧树脂的CTE 为8.5×10-5/℃,环氧树脂的固化收缩率是铜箔的5~6倍,是玻纤布的十几倍。
FR-4 CCL的CTE沿X、 Y、 Z 方向有不同的值,在温度从30℃→150℃升温条件下,沿板厚度 ( Z) 方向膨胀率为0.85%,而冷却时收缩率仅为0.36%,FR-4基材Z方向热膨胀率与收缩尺寸变化如图No.049-8所示。当选择焊接温度过高时,就将造成基材局部过热而产生膨胀压力,导致PCB基材内层互连导线断裂,致使层压板结构的完整性遭到破坏。
图No.049-7 采用选择性波峰焊接时的相关物理变化
图No.049-8 FR-4基材Z方向热膨胀率与收缩率的尺寸变化
3.处理和预防
① 合理地设置选择性焊接的工艺窗口,焊接温度不可超过255℃。
② 在设计PCB时尽可能选择玻璃化温度较高的基材。