PCB失效分析案例及方法

PCB失效分析

一.前言

PCB作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐已經成為電子資訊產品的最為重要而關鍵的部分,廣泛的應用於各行各業。近年來,由於PCB失效案例越來越多且部分失效危害極大。2016年4月通過的《裝備製造業與標準化和品質提升規劃》與《中國製造2025》堅持“創新驅動、品質為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針形成對接,說明國家對產品的品質要求越來越高,對產品可靠性把控越來越嚴,因此,其PCB品質的好壞與可靠性水準決定了整機設備的品質與可靠性。

以前只有軍工產品會提出可靠性要求,現在很多民品企業產品也會提出各種各樣的可靠性要求。不同類型的客戶,不同的產品應用領域對於PCB的可靠性要求也完全不一樣。比如,有的客戶對於PCB的可靠性要求是260攝氏度十個小時烘烤後,仍然能夠滿足PCB電性能要求;有的客戶要求IST迴圈250次甚至1000次之後,產品電阻變化率小於10%;有的客戶要求PCBA產品在25g加速度情況下滿足30分鐘的共振要求等等。

二.PCB失效案例

眾所周知,產品的失效會造成較嚴重的經濟損失和品質影響,然而PCB失效的模式多種多樣,失效根因也各不相同,例如PTH孔銅的腐蝕失效、HDI盲孔底部裂紋導致的開路失效、分層爆板失效、ENIG產品孔環裂紋和PCB板短路起火等。加工流程繁冗複雜,可能造成其失效的原因較多。因此,如何快速地定位出PCB的失效根因,並對產品的各項性能進行優化提升,已成為PCB行業的重要課題之一。以下列舉近年分析測試實驗中心在大資料計算、航海及醫療領域相關的失效分析案例:

① PCB燒板失效

2015年某大型資料中心回饋,每月會有1台或2台設備發生起火燒板的現象,急需快速找到起火原因:

對失效現場進行觀察,燒板起火點位置集中在硬碟連接器的安裝孔區域,安裝孔區域的孔壁銅層和定位錫柱完全被燒毀。分析發現NPTH孔孔壁金屬化,在加電工作過程中,發生CAF失效,最終導致短路起火。

CAF生長原理:當PCBA在一定的溫濕度條件下,帶電工作時,在兩絕緣導體間有可能會產生沿著樹脂和玻纖的介面生長的CAF,最終導致絕緣不良,甚至短路失效。CAF產生原理如下:

產生CAF的三個先決條件:①一定的溫、濕度條件;②兩絕緣導通間存在的電勢差;③有供銅離子遷移的通道。

實驗複現:對實驗板絕緣電阻失效模組進行穩壓12V的加電測試,試板在接通電源的瞬間即短路起火,持續通電,試樣會持續起火碳化(該試驗有視頻記錄);

改善方案:①加大內、外層孔環到導體間距設計至300μm;②更換高Tg基材,保證其具備良好的耐熱性和耐CAF性能。

② 化學沉鎳金板孔環裂紋失效

2017年某跨國SMT貼裝客戶回饋,其在業內採購的所有ENIG板的PTH孔在回流焊接之後,測試孔孔環出現腐蝕發黑現象,探針測試無法通過,全面停線,需要進行失效分析。

除了影響探針的接觸性能外,PTH孔的裂紋缺陷還會導致銅層被腐蝕,降低PCB的耐腐蝕性能,也會給產品的可焊性帶來較大的失效風險。

  裂紋產生的機理:由於熱脹冷縮原理,PCB板在回流焊和波峰焊時受高溫膨脹,由於PCB板材的選擇與表面處理工藝不匹配,板材便會給孔環一個向上的應力,將孔環向上頂起,造成孔環發生向兩邊翹起的形變,導致孔環出現裂紋。

 

 改善方案:①更換CTE更小的板材;②更換表面處理工藝。

③ PTH孔電化學腐蝕失效

2017年,某型號的8層PCB板,客戶回饋該整機產品在海面及沿海地區使用3年後,出現視訊訊號不通的現象,在信號異常網路的PTH孔孔口位置有黑色異物殘留 ,需查找根因,定位失效點。

對異物覆蓋的PTH孔進行分析發現,塞孔的孔口位置處,阻焊與孔銅之間有明顯裂縫,且裂縫位置處的孔銅已被腐蝕,部分孔銅缺失。

同時,對比PCB上無異物覆蓋的正常PTH孔,發現正常孔內阻焊與孔壁結合良好,無裂縫,孔銅未被腐蝕,信號導通良好。

根據研究表明,在沿海高鹽、高濕的環境中,物體表面會形成薄薄的一層水膜,且當相對濕度在65%-80%的空氣中,物體上的水膜厚度為0.001~0.1μm,在PCB帶電工作時,水膜與孔銅等共同構成了電解槽,發生電化學反應,最終生成黑色腐蝕物,如下圖:

結論:當阻焊塞孔不飽滿或阻焊塞孔有裂紋時,未被阻焊完好覆蓋的PTH孔孔銅會形成電解池,發生電化學反應,孔銅被腐蝕,對PCB可靠性將帶來嚴重的風險。

改善方案:提升塞孔的飽滿度,提高塞孔的品質。

當然,失效類型和模式多種多樣,以下是實驗室累積的其它典型PCB板級失效分析案例圖片:

由以上案例,我們不難發現PCB板級失效的模式越來越多,失效根因也各不相同。因此,需要將一般的失效分析思路及方法進行總結提煉,形成一套能夠推廣應用的方法論,在實際案例的分析中,事半功倍,快速定位根因。

 

三.PCB失效分析方法

 

該方法主要分為三個部分,將三個部分的方法融匯貫通,不僅能幫助我們在實際案例分析過程中能夠快速地解決失效問題,定位根因;還能根據我們建立的框架對新進工程師進行培訓,方便各部門借閱學習。

  下面就分析思路及方法進行講解,首先是分析思路;

  第一步:失效分析的“五大步驟”

失效分析的過程主要分為5個步驟:“①收集不良板資訊→②失效現象確認→③失效原因分析→④失效根因驗證→⑤報告結論,改善建議”。其中,第①步主要是瞭解不良PCB板的失效內容、工藝流程、結構設計、生產狀況、使用狀況、儲存狀況等資訊,為後續分析過程展開作準備;第②步是根據失效資訊,確定失效位置,判斷失效模式;第③步是針對失效模式展開分析,根據失效根因故障樹來逐一排查根因,倘若在已有的故障樹中還無法確認原因,則需要通過專題立項等方式研究這類失效問題,並將研究結論加入到原有故障樹中,使故障樹不斷豐富完善,窮盡根因,形成反復反覆運算升級的有效迴圈模式;再通過第④步進行複現性實驗,驗證根因;最終輸出失效分析報告,對失效根因給出針對性的改善方案。

第二步:失效根因故障樹建立

以化學沉鎳金板金面可焊性不良為例,闡述建立失效分析故障樹的方法:

針對PCB/PCBA的常見板級失效現象,我們通過建立各種失效模式的根因故障樹,並在實戰中持續積累、提煉、更新,從深度和廣度上,反覆運算上升,從而形成相對較完善的分層起泡、可焊性不良、鍵合不良、導通不良和絕緣不良等高頻失效模式的根因故障樹分析流程,能夠説明大家在後續實戰中,跟隨故障樹的失效分析流程,快速的定位失效根因,解決問題,事半功倍。

第三步:建立標準庫

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