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PCB Information步态识别
AUG 2019 NO.5PCB
文／工业和信息化部电子第五研究所 沈江华 何骁 贺光辉
印制线路板(PCB)上的过孔孔铜犹如人体神经网络穿插于基材“身体”中，为信号传输与电流传导提供基本路径。一旦出现孔铜断裂，就如神经被切断，信号指令无法传达或电路链路不通而引发产品整机失效。
孔铜断裂是孔铜抗拉强度不足以承受热应力带来的基材膨胀应力。引起孔铜抗拉强度下降的原因很多：如镀铜层“孪晶”缺陷[1]、镀铜针孔缺陷[2]、孔铜厚度不足、孔破等等。部分原因比较好辨认，如孪晶和针孔缺陷，通过特定的蚀刻液处理后放大观察即可识别。然而部分孔铜断裂失效原因容易混淆，如孔破，有可能为蚀刻工序的咬蚀，或阻焊工序后药水残留的咬蚀[3]，或表面处理工序的咬蚀，而孔铜断裂基本是PCB 成品出货后在组装方或者整机使用阶段才暴露出来，其失效具有一定的隐蔽性，如何辨别孔铜在什么阶段被咬蚀形成孔破需要一定的现场经验。
近年来，笔者在失效分析工作中遇到了不同原因
【摘 要】孔铜断裂失效是印制板众多失效模式中较为常见的一种。孔破是造成孔铜断裂失效的一种主要原因，但引起孔破原因较多，也经常容易相互混淆。本文选取了由腐蚀、蚀刻和贾凡尼效应三种 内衣生产
不同原因引起的孔破断裂失效案例，系统剖析了其分析过程和失效原因，总结了失效特征的区别，为行业内ＰＣＢ企业寻孔破断裂失效原因、划分责任归属和开展不良改善整改提供了参考。【关键词】孔破；贾凡尼效应；腐蚀；蚀刻；失效分析 第一作者简介：沈江华，现就职于工业和信息化部电子第五研究所(中
国赛宝实验室)，主要从事PCB&PCBA 的综合测试评价、失效分析及可靠性研究工作。
造成的孔破断裂失效，在实际分析和指导PCB 工厂进行品质改善过程中，发现部分制程工程师对于失效原因认识不足，存在原因“张冠李戴”的情况。本文通过对三种孔破失效案例的分析，对其失效特征和失效原因做了详细的对比，为行业内PCB 企业寻孔破失效原因、划分责任归属和开展不良整改提供了参考。
１．１ 腐蚀孔破断裂失效1.1.1 分析过程
某产品在终端使用时出现花屏、黑屏现象，PCBA 经切片后发现孔破。
在样品上以电测的方式确定过孔开路失效后进行切片分析，结果可见过孔结构为阻焊半塞孔。孔铜断裂位于塞孔阻焊的边缘。放大观察孔断的形貌，可见孔断处呈“月牙”形孔铜缺失的孔破现象，甚至在边缘发现有孔铜被腐蚀变黑的形貌。详见图1。 为了验证孔铜腐蚀是SMT 过程引入还是PCB 自身原因，将同周期PCB 光板进行切片分析，见图2，发现孔铜上也存在腐蚀变黑的现象，说明铜层被腐蚀变在PCB 制作过程中已经存在，并非SMT 过程中的腐蚀性物质(如助焊剂、清洗剂等)所致。腐蚀变黑
０前言
１ 案例分析
2019年8月第5期
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1.2.2 综合分析
结合该板的PCB 制程，电镀铜后需要电镀锡作为抗蚀层再进行褪膜和蚀刻线路，当电镀锡层不良时即给蚀刻过程带来保护不足的情况，使得孔铜受到蚀刻液的侵蚀，从而呈现出孔破的现象。
1.2.3 小结
蚀刻孔破也呈“月牙”形貌，区别于腐蚀孔破，该类失效现象在孔破处相对干净，没有铜层疏松的形貌。
1.1.2 综合分析
从失效样品的切片结果看，样品失效表现为孔铜完全断裂。孔断处呈“月牙”形孔铜缺失的孔破现象，仅从这个现象很容易错判为因孔铜保护不足而被蚀刻所导致。但仔细观察发现孔破边缘存在孔铜腐蚀变黑的形貌，同一周期PCB 光板进行切片，发现光板上也存在相类似的情况，从这一证据可以排除SMT 制程的因素，即孔铜被腐蚀在PCB 制作之后，SMT 制作之前已存在。孔铜被腐蚀后不仅在成分上发生变化(纯铜变为铜的化合物)，而且在结构上也发生巨大的变化，正常情况下电镀铜各晶粒之间紧密结合，而发生腐蚀后是铜的化合物，在结构上排布则变为疏松的形貌，这种疏松的形貌会劣化孔铜的抗拉强度，使其抗拉强度严重下降，在后期SMT 制程受热时不能承受基材膨胀应力作用而造成孔铜断裂失效。过孔结构为阻焊半塞孔，液体在孔内交换困难，甚至有可能因表面张力的因素造成孔内空气不易挤出，增加了孔内制程药水清洗难度，如图4。这些清洗不干净的过孔会形成药水残留，为
后期PCB 储存过程腐蚀孔铜提供了腐蚀媒介。
1.1.3 小结
腐蚀孔破多数发生在阻焊半塞或者阻焊塞孔工艺的过孔中，失效位置呈“月牙”形貌，一般会伴随发黑孔铜的存在，SEM 下可见其疏松的形貌。的孔铜在SEM 下观察，发现铜层结构非常疏松，见图3。１．２ 蚀刻孔破断裂失效1.2.1 分析过程
图5所示样品为普通有铅喷锡PCB 板，SMT 生产后在客户端老化测试时发现过孔不通。
切片上可见明显孔破现象，孔破处呈“月牙”形貌，孔破处较为干净，边缘未见腐蚀变黑的形貌，孔破处孔铜厚度非常薄，甚至出现不连接的现象。而过孔在SEM 下观察发现孔破的形貌并无规律，形状也不均一，见图6。
图１ ＰＣＢＡ失效过孔切片图片图２ ＰＣＢ光板过孔切片图片
图３孔铜腐蚀变黑位置ＳＥＭ图片
图５失效孔切片代表性图片
图６失效孔ＳＥＭ代表性图片
图４
阻焊半塞孔内液体流动示意图
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PCB Information
AUG 2019 NO.5１．３ 贾凡尼效应孔破断裂失效1.3.1 分析过程
某沉锡板在回流焊接后板卡功能测试不通过，经过排查判断为PCB 过孔孔破造成失效。
异位发酵床对PCB 板上多个位置过孔进行切片分析，见图7。大部分孔破呈“月牙”形，而在孔破严重的周围，化锡层明显厚于正常水平，轻微孔破处化锡层则悬空在铜层表面，悬空的现象说明化锡初期该处存在铜层作为沉积层表面的支撑，表明孔破并非发生在化锡工序前，而是在化锡过程中形成。结合孔破严重处的周围存在厚厚的化锡层这一失效特征，基本可认为化锡过程发生了明显的“贾凡尼”反应。
1.3.2 综合分析
贾凡尼(Galvanic)效应[4]指两种金属由于电位差的缘故，产生了电化学反应。多数情况下，贾凡尼效应一般发生在导线与阻焊结合处，其主要机理示意图如图8。正常情况下，化锡过程Cu 基体不断失电子形成Cu +，而溶液中的Sn 2+离子不断地得电子沉积在Cu 基体表面，当铜基体完全覆盖后，反应趋于停止。但是当线路表面存在阻焊Undercut 等狭小裂缝时，裂缝内的药水交换不充分，无法提供足够的Sn 2+离子，而溶液中的其他成分仍促使Cu 向Cu +离子转换，并不断溶解于溶液中，多余的电子被化锡药水中的Sn 2+捕获，从而继续沉积在表面。因此发生贾凡尼效应的位置，其周边化学镀层一般都相对较厚。贾凡尼效应不仅在化学镀锡制程中容易发生，在化学镀银制程中也较为常见。
因为贾凡尼效应多数发生在导线表面，所以很多人往往忽略了孔铜内也具备发生贾凡尼效应的条件。例如阻焊限定的孔焊盘(图9，位置1)、显影残留在孔内阻焊残留物(图9，位置2)或阻焊半塞孔与孔壁结合不良的位置(图9，位置3)等等，均有形成狭小缝隙，从而为化学沉积镀层的过程形成贾凡尼效应提供有利条件。
1.3.3 小结
贾凡尼效应的孔破一般发生在化锡或者化银的过孔，虽然也呈“月牙”形貌，孔破处也较为干净，与蚀刻型孔破非常相似，但是其周边一般会伴随镀层异常增厚的现象。在孔破轻微处镀层悬空是区别于蚀刻型孔破的重要证据，也是贾凡尼效应孔破重要特征。
图８ 化锡表面处理导线“贾凡尼”效应机理图
图９ 孔铜发生贾凡尼效应的示意图
图７
失效位置代表性切片图片www.m227
本文介绍了三种由孔破造成的孔铜断裂失效，粗看失效现象相似，都呈“月牙”形貌，具有一定干扰性。但仔细辨别，三者有着本质的区别：腐蚀孔破会伴随着孔铜形貌疏松、孔铜发黑的现象；蚀刻型孔破边缘较为干净，无孔铜疏松和孔铜发黑现象；贾凡尼效应孔破则会伴随镀层异常增厚现象。根据切片截面上的形貌逐一辨别，辅助以SEM 放大观察，其实并不难确认失效的真因，为解决问题到“对症”。
参考文献：
[1] 罗斌. 印制电路板孔内电镀铜层柱状结晶的研究[D]. 哈尔滨工业大学，2009.
[2] 彭华领. 低孔隙率HEDP 镀铜工艺及镀层性能研究[D]. 南昌航空大学，2017.
[3] 王钊. 一种可以替代铝片塞孔的方法[C]. 印制电路信息2016(11), 64~66.
[4] 杜森. 沉银工艺侧蚀缺陷的试验研究[J]. 印制电路信息2012(8), 40~46.
２ 总结
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