印制電路板濕熱環(huán)境試驗(yàn)失效案例分析

陳慶國 夏寶山 何 瑩 方少舟

（安徽國家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 銅陵 24400）

（國家印制電路板質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，安徽 銅陵 24400）

1 案例介紹

某國家質(zhì)檢中心實(shí)驗(yàn)室承接了一批次CAF（導(dǎo)電性陽極絲）標(biāo)準(zhǔn)測試板，試驗(yàn)條件為：將樣品260 ℃模擬回流5次，再進(jìn)行焊接、清洗和105 ℃烘烤6 h后，將樣品放入溫度85 ℃和相對濕度85%濕熱試驗(yàn)箱中，先不加電壓靜置96 h，然后，加偏壓50 VDC，測試電壓100 VDC，測試時(shí)間500 h，分別記錄初始絕緣電阻值、靜置96 h后絕緣電阻值和加電測試過程中的電阻值（每30 min記錄一次阻值）。在測試過程中出現(xiàn)0.7 mm孔對孔圖形的電阻值出現(xiàn)異?，F(xiàn)象[1]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在整個(gè)試驗(yàn)過程中，215 h后出現(xiàn)0.7 mm圖形電阻值低于108Ω，并且直到測試終止時(shí)阻值仍小于108Ω，中間出現(xiàn)多次電阻值恢復(fù)的波動(dòng)情況，然而，當(dāng)測試結(jié)束試驗(yàn)條件恢復(fù)至室溫后，電阻值升高至1010Ω，見圖1和圖2所示。

圖1 電阻值變化曲線圖

圖2 室溫下條件下電阻測試圖

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證性試驗(yàn)

通過目視及光學(xué)顯微鏡檢查樣品未有遷移、污染等異?，F(xiàn)象，此時(shí)測量室溫條件下失效圖形的絕緣電阻，電阻值已恢復(fù)正常，為1010Ω。為查找引起電阻值異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對圖形進(jìn)行高溫高濕加電加速試驗(yàn)，將樣品繼續(xù)放入溫度85 ℃和相對濕度85%的濕熱試驗(yàn)箱中，加壓，持續(xù)監(jiān)測絕緣電阻值，每24 h測試一次阻值或根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測頻率。根據(jù)測試的電阻值大小來決定下一個(gè)周期所施加的電壓值。通過改變加載電壓大小來加速模擬試驗(yàn)過程[2]，試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)電阻值降至106Ω，電阻值反復(fù)波動(dòng)的情況，504 h后阻值為107Ω，試驗(yàn)現(xiàn)象符合CAF失效的典型曲線，但并沒有嚴(yán)重失效至導(dǎo)通。其試驗(yàn)結(jié)果詳如表1所示。

表1 高溫高濕加電電阻測試結(jié)果表

加速試驗(yàn)后，檢查外觀圖形表面，發(fā)現(xiàn)孔周圍生長出大量異物，對表面異物進(jìn)行SEM（掃描電子顯微鏡）形貌和EDS（散X射線光譜儀）成分分析，發(fā)現(xiàn)表面焊盤上的油墨有部分開裂，孔周圍出現(xiàn)大量異物，正負(fù)極焊盤之間有枝晶生成，發(fā)生遷移痕跡。阻焊層表面上有大量Cu元素。為判斷異物的來源是否從油墨中裂解而出，將表面油墨去除，檢查基材表面外觀，并測試此時(shí)的電阻值，去除油墨后，基材表面無明顯異常，僅在焊盤周圍發(fā)現(xiàn)有銅遷移的跡象，在正負(fù)極孔之間有明顯的銅絲生長。對試樣圖形進(jìn)行耐電壓試驗(yàn)，根據(jù)火花閃爍的位置來確定絕緣電阻值最低點(diǎn)，最易發(fā)生異常的位置。對電氣性能最差的正負(fù)極孔作金相切片，發(fā)現(xiàn)表層焊盤被明顯腐蝕，內(nèi)層樹脂無明顯異常，玻纖中未見銅絲生長現(xiàn)象。

2.1 外觀檢查

高溫高濕加電加速模擬試驗(yàn)（504 h）結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)樣品板面孔周圍生長出大量異物，呈黑色焦化狀或黃色、紅色、白色，異常。觀察可得，異物基本出現(xiàn)在正負(fù)極孔之間。且孔周圍的油墨發(fā)生開裂，破損，漏出底層線路，油墨在高溫高濕加電的情況下發(fā)生的形態(tài)及性質(zhì)的變化，如圖3所示。將樣品進(jìn)行切割，選取部分，去除表面油墨后，發(fā)現(xiàn)基材表面并無明顯異常，僅在孔環(huán)周圍發(fā)現(xiàn)有銅遷移的現(xiàn)象，在孔環(huán)周圍生長出銅絲，如圖4所示。

圖3 加速模擬試驗(yàn)后的樣品外觀圖

圖4 去除表面油墨后的樣品外觀圖

2.2 耐電壓測試

對加速模擬試驗(yàn)后的圖形做耐電壓測試，接通正負(fù)極后，緩慢加電壓，觀察并記錄產(chǎn)生火花時(shí)的電壓值和漏電流的大小，以及火花產(chǎn)生的位置，究竟發(fā)生在哪對正負(fù)極孔之間，以此來確定此圖形中最易出現(xiàn)問題的正負(fù)極孔，定位失效位置。將部分樣品去除表面臟污和油墨后，再次測試，緩慢加電壓，發(fā)生火花閃爍時(shí)的耐電壓值有輕微上升，且出現(xiàn)火花的正負(fù)極孔位置基本一致，結(jié)果如表2所示。

表2 加速試驗(yàn)后的耐電壓測試結(jié)果表

2.3 切片分析

切取耐電壓測試中有明顯火花閃爍和異物生長的正負(fù)極間的孔作垂直方向切片，用2500目和4000目細(xì)砂紙緩慢打磨，一層一層觀察內(nèi)部樹脂及玻纖中有無異常，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層樹脂無明顯異常，未見缺陷，玻纖緊密，無稀疏缺損，未見銅絲生長。但孔表層焊盤銅鍍層有明顯被腐蝕的痕跡，形成一個(gè)個(gè)坑洞，而焊盤上的油墨和Ni/Au層也有裂紋和破損現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 垂直方向切片圖

2.4 SEM及EDS成分分析

對樣品表面進(jìn)行電鏡能譜分析，通過觀察表面形貌，發(fā)現(xiàn)表面焊盤上的油墨有部分開裂，裂解成一種脆性的狀態(tài)，嚴(yán)重的已發(fā)生脫落，正負(fù)極孔之間有遷移物生成，重點(diǎn)對黃色、紅色、黑色和白色異物做能譜分析，發(fā)現(xiàn)均存在大量Cu元素，而其他元素?zé)o明顯異常，為油墨和Ni/Au層中的常見元素，如圖6（a）所示，在正負(fù)極孔之間也發(fā)現(xiàn)了明顯的枝晶生成，能譜結(jié)果顯示基本為銅元素，證明表面遷移的存在如圖6（b）所示。

圖6 樣品表面SEM/EDS圖

3 結(jié)論

綜上所述，所有銅遷移的跡象均發(fā)生在正負(fù)極之間的表面油墨上或焊盤周圍，而玻纖束中未發(fā)現(xiàn)明顯銅遷移，此現(xiàn)象具備表面電化學(xué)遷移的特征，與CAF失效機(jī)理不符，而表面電化學(xué)遷移主要跟生產(chǎn)工藝中表面處理不凈等因素相關(guān)，與PCB基材不相關(guān)。