HDI板爆板缺陷分析方法淺談

吳軍球，榮國(guó)光

（上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200240）

1 前言

爆板對(duì)PCB制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，是一種非常常見(jiàn)的缺陷。隨著后道無(wú)鉛焊接制程的導(dǎo)入，爆板問(wèn)題出現(xiàn)得更為頻繁，特別在HDI產(chǎn)品上面表現(xiàn)尤為突出，因此，當(dāng)爆板發(fā)生的時(shí)候，如何對(duì)其進(jìn)行有效的分析并找出導(dǎo)致爆板的原因是解決爆板問(wèn)題的關(guān)鍵。本文將根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)對(duì)分析爆板缺陷的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)。

2 常見(jiàn)的分析方法

2.1 傳統(tǒng)的垂直金相切片分析法

眾所周知，在分析PCB內(nèi)部缺陷時(shí)最常用的一種方法是垂直金相切片分析法。在分析爆板問(wèn)題時(shí)，這種方法也被廣泛應(yīng)用。

首先，我們會(huì)取有爆板的不良樣品，將爆板區(qū)域做成垂直金相切片，通過(guò)砂磨、拋光找到想要的位置，然后在金相顯微鏡下觀察不良，拍照分析，如圖1、圖2所示。

圖1 爆板樣品

圖2 A-A切片圖

為了能更好地反映爆板的實(shí)際狀況，更方便地進(jìn)行問(wèn)題的分析和對(duì)原因做出更準(zhǔn)確的判斷，通常我們會(huì)把幾個(gè)連續(xù)切片的照片或一個(gè)切片的幾個(gè)連續(xù)部分的照片拼接起來(lái)，這樣有助于提高我們對(duì)問(wèn)題分析的準(zhǔn)確性。圖3所示為某一切片幾張連續(xù)照片拼接后的效果。

圖3 切片拼接效果圖

這種分析方法有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）切片比較容易做，一般實(shí)驗(yàn)室人員或技術(shù)人員都能完成；

（2）分析成本比較低；

（3）速度快，1 h左右就能完成。

缺點(diǎn)：

（1）只能觀察到某一個(gè)切面位置，比較難找到起爆點(diǎn)，有時(shí)可能會(huì)因?yàn)槟サ奈恢貌灰粯?，?dǎo)致做出的判斷不準(zhǔn)確；

（2）切片的大小受到限制，不能覆蓋整個(gè)爆板區(qū)域，顯微鏡觀察到的區(qū)域也有限；

（3）由于切片是在砂皮上磨出來(lái)的，磨的過(guò)程中，有可能會(huì)把一些原始的形貌破壞掉，影響判斷。

2.2 平磨分析法

平磨分析法是一種比較新穎的分析方法。它是從與產(chǎn)品疊層平行的方向從上往下磨，通過(guò)磨去表面的銅來(lái)觀察內(nèi)層埋孔周?chē)欠裼斜濉Ｒ话惝?dāng)爆板不是特別明顯時(shí)或不確定產(chǎn)品內(nèi)部是否有爆板時(shí)，可采用平磨的方式。如圖4所示為平磨后內(nèi)層埋孔周?chē)臓顩r。

圖4 平磨照片及局部放大圖

當(dāng)焊環(huán)上方的樹(shù)脂與焊環(huán)之間因爆板產(chǎn)生裂縫時(shí)，從平面切片看上去為白色，如圖4中下左圖所示。當(dāng)沒(méi)有裂縫產(chǎn)生時(shí)，從平面切片上看，焊環(huán)區(qū)域?yàn)楹谏蜃厣ㄈQ于內(nèi)層是采用黑化還是棕化，如內(nèi)層用的是黑化處理，切片表面看上去是黑色，同理，棕化處理看上去將為棕色）。因此，通過(guò)觀察平磨切片的表面就能很容易地判斷HDI板內(nèi)部是否已爆板，而且根據(jù)內(nèi)層孔周?chē)装叩拇笮】梢耘袛啾宓膰?yán)重與否。

平磨切片法有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以通過(guò)肉眼很直觀地觀察到內(nèi)層是否有爆板，不需要借助任何儀器；

（2）平磨切片沒(méi)有面積、大小的限制，可以同時(shí)觀察到很多孔和很寬的區(qū)域，宏觀性強(qiáng)，有助于整體分析問(wèn)題；

（3）平磨切片對(duì)技術(shù)要求不高，幾乎誰(shuí)都可以做；

（4）平磨切片可以逐層往下磨，當(dāng)多層發(fā)生爆板時(shí)，一個(gè)樣品可以重復(fù)使用。

當(dāng)然，平磨分析法也有它的局限性：

（1）不能像垂直金相切片那樣可以看到爆板的具體形貌、產(chǎn)生的疊層位置（樹(shù)脂內(nèi)部、樹(shù)脂與玻纖布之間、樹(shù)脂與銅箔的交界處等等）；

（2）不能直接做進(jìn)一步分析（如SEM，EDX等）。

2.3 剝離分析法

剝離分析法是指在爆板位置用刀將其劃開(kāi)，然后沿著爆開(kāi)層將其剝離開(kāi)，通過(guò)顯微鏡、SEM/EDX等對(duì)爆板界面進(jìn)行觀察和分析。圖5為爆板剝離后的圖片。

從剝開(kāi)的樣品上可以看出，分層處外層銅皮上及埋孔上方均有殘留樹(shù)脂，棕化面顏色正常，由此可以判斷，爆板分層發(fā)生在樹(shù)脂內(nèi)部。

在有些情況下，通過(guò)肉眼或顯微鏡很難判斷剝離開(kāi)的部分是否兩面都有樹(shù)脂殘留，通常我們會(huì)借助SEM和EDX來(lái)做進(jìn)一步的分析。如圖6，剝開(kāi)爆板層后，下面一層幾乎看不到樹(shù)脂殘留在上面。

圖5 爆板剝離照片

圖6 爆板剝離照片

為了驗(yàn)證圖6中圓圈區(qū)域表面是否有樹(shù)脂，對(duì)不良品取樣做EDX分析，分析結(jié)果如圖7和表1所示。

從分析結(jié)果可以看出，主要元素均為樹(shù)脂的成分，由此可以說(shuō)明分層表面是有樹(shù)脂殘留的，因此分層是發(fā)生在樹(shù)脂內(nèi)部，不是樹(shù)脂與銅面之間，分層與棕化工序沒(méi)有關(guān)系。

與前面兩種方法相比較而言，剝離分析法的特點(diǎn)是：

（1）能在很快的時(shí)間內(nèi)作出初步判斷；

（2）在不破壞原始狀態(tài)下，可借助SEM/EDX作出比較精確的判斷。

當(dāng)然這種方法也有一些局限性和弱點(diǎn)：

（1）必須是表面看得見(jiàn)的爆板才能采用此方法進(jìn)行分析；

（2）在剝離的過(guò)程中，有可能會(huì)破壞原有的一些結(jié)構(gòu)；

（3）在割開(kāi)爆板區(qū)域時(shí)，起爆點(diǎn)被破壞了，很難找到爆板的起爆點(diǎn)。

圖7 EDX分析

表1 EDX分析結(jié)果

2.4 Tg/ T260測(cè)試分析法

按照前面敘述的幾種分析方法，我們通常能分析出爆板失效的位置類(lèi)型（發(fā)生位置是在樹(shù)脂內(nèi)部、樹(shù)脂與玻纖布之間、樹(shù)脂與銅箔的交界處等）。而當(dāng)爆板發(fā)生在樹(shù)脂內(nèi)部的時(shí)候，我們通常會(huì)去考慮材料固化是否完全的問(wèn)題和材料本身耐熱性的問(wèn)題。一般情況下我們通過(guò)測(cè)試產(chǎn)品材料的Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）來(lái)確認(rèn)材料在層壓過(guò)程中是否完全固化。

測(cè)試材料的Tg通常有三種方法：DSC（差示掃描量熱儀）法，TMA（熱機(jī)械分析儀）法和DMA（動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)械分析儀）法。最常用的是DSC法，測(cè)試方法在IPC-TM-650 2.4.25《Glass Transition Temperature and Cure Factor by DSC》中有詳細(xì)的描述[1]。

一般操作步驟如下：

（1）取樣（盡量不要含Cu）：＞20 mg；

（2）樣品預(yù)處理：105 ℃，烘2 h；

（3）DSC測(cè)試：第一次升溫10 ℃/min，至比玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn)溫度高約30 ℃，分析得到Tg1；保溫約15 min，第二次升溫10 ℃/min，至比玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn)溫度高約30 ℃，分析得Tg2；

（4）計(jì)算ΔTg= Tg2- Tg1。

判斷標(biāo)準(zhǔn)為：Tg1和Tg2都要達(dá)到材料本身Tg值允許范圍內(nèi)，同時(shí)ΔTg要小于4 ℃。

以下是對(duì)某不良樣品進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，參見(jiàn)圖8和表2。

當(dāng)產(chǎn)品固化良好時(shí)，為了確認(rèn)材料本身的耐熱性是否足夠，我們通常會(huì)測(cè)試材料的T260值。

表2 某不良樣品Tg測(cè)試結(jié)果

T260測(cè)試方法是利用熱機(jī)械分析儀（TMA，Thermo mechanical Analyzer）在設(shè)定氣氛下，勻速升溫至260 ℃后恒定，測(cè)量樣品隨時(shí)間變化而發(fā)生的厚度方向尺寸變化，其中尺寸突變的地方，即為爆板分層時(shí)間，也即T260值。目前該方法已被廣泛應(yīng)用于覆銅板行業(yè)，并作為評(píng)判板材耐熱性的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)[2]。測(cè)試方法在IPC-TM-650 2.4.24.1 《Time to Delamination (TMA Method)》中有詳細(xì)的描述[3]， 且在IPC-4101B版本中已明確規(guī)定無(wú)鉛板材T260值≥30 min為滿(mǎn)足耐熱性要求[4]。

圖8 某不良樣品Tg測(cè)試結(jié)果

3 總結(jié)

從上面的介紹可以看出，對(duì)HDI板爆板缺陷進(jìn)行分析的方法有很多種，不同方法各有特點(diǎn)，可以從不同方面去分析問(wèn)題，但爆板問(wèn)題往往比較復(fù)雜，使用一種方法很難找到問(wèn)題的根本，實(shí)際工作中往往需要多種方法聯(lián)合使用，這樣才能最終找出導(dǎo)致爆板的根本原因。

圖9 T260曲線(xiàn)

[1] IPC-TM-650 2.4.25. Glass Transition Temperature and Cure Factor by DSC[S].

[2] 萬(wàn)海威. ROHS & Lead Free對(duì)PCB之沖擊[N]. 電子時(shí)報(bào)，2006/05/08.

[3] Douglas J. Sober. International Standards update for Base Materials (IPC-4101B)[C]. International Conference∶ IPC-4101B Lead Free and High Performance Base Materials.

[4] IPC-TM-650 2.4.24.1. Time to Delamination (TMA Method)[S].