無鹵PCB板可靠度與故障分析
文章出處：無鹵PCB板可靠度與故障分析__典型案例_蘇州天標檢測技術有限公司 發布時間:2018-08-17
印刷電路板( Printed Circuit Board，或稱為Printed Wiring Board)為電子產品之母，藉由PCB，將各種電子零件予以結合導通，完成系統成品組合。
PCB之發展已數十年，然近年來，因終端產品日趨輕薄短小，加上電子組裝導入無鉛制程生產( Lead Free Process)后，不但回焊( Reflow Soldering)與波焊( Wave Soldering)組裝溫度提高，而且所增加的熱應力對傳統PCB潛在的影響更深遠，故PCB所導致產品失效( Defect)的案例，也較轉換無鉛制程前更為嚴重。雖然許多材料供貨商為克服熱應力( Thermal Stress)問題而開發出了high Tg基材或改善填充劑( Filler)種類，卻因而衍生出許多其他問題，如焊墊強度( Bond Pad Strength)降低、鉆孔質量不佳以及陽極細絲導通( Conductive Anode Filament，簡稱CAF)等狀況。因此PCB的可靠度(或稱信賴性，Reliability)試驗，再度受到高度重視。
繼無鉛應用上的問題外，目前各國際組織( NGO)亦積極推動產品無鹵化( Halogen Free)。在必須符合無鉛制程需求且達到無鹵素含量要求，本公司亦開發出一套針對PC板材料特性進行可靠度驗證方法，可協助客戶產品進行先期可靠度承認或產品固定抽樣分析。
無鹵素PCB之服務項目
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溫度循環及動態低阻試驗
PCB之溫度循環試驗( Temperature Cycling Test，以下簡稱TCT)為最普遍且重要之試驗手法，其經常伴隨著使用動態阻值量測系統，如Data logger或Event detector。TCT的目的主要是因為利用各種材料間不同的熱膨脹系數不匹配( CTE mismatch)現象，在長期的高溫與低溫循環過程中產生導通孔斷裂或產品脫層( Delamination)等問題，以協助找到產品質量風險。此試驗方法對于多層產品以及高密度互連( HDI)產品，具有很高的效益，亦可驗證及改善制程疊構結合( Lamination Bond)強度、電鍍質量、制程穩定性等。溫度循環試驗亦可搭配非動態試驗，取固定循環數予以進行阻值測試。
對于本試驗用之PCB，可采用雛菊煉( Daisy Chain)設計，亦可采用實際產品板進行試驗。使用Daisy Chain設計，有助于減少樣品數量并可觀察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。TCT試驗條件則通常以IPC-TM-650 2.6.6為主，或參考IEC60068建議。
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濕式與干式溫度沖擊試驗
PCB之熱沖擊試驗(Thermal Shock Test，以下簡稱TST)的目的是為了試驗其本體在瞬間暴露于不同的溫度環境下以及不同溫度下快速交替可能產生的問題，包括本體受損、退變色、阻值變異等。
TST與傳統的溫度循環試驗(TCT)不盡相同，主要的差異在于TCT使用之溫度轉移為漸進式，其目的系透過熱膨脹系數不匹配以突顯產品結構問題。而TST在不同溫度槽之轉移時間僅10秒鐘，由于時間快速，其熱膨脹系數不匹配的現象較不顯著，但因在冷或熱的瞬間沖擊導致材料本身無法承受而發生受損現象為此試驗之目的。
TST試驗可分為液槽式與氣槽式兩類，均為雙槽模式。所謂的雙槽系指冷槽與熱槽分開，透過樣品之移動達到駐留，此駐留時間包含轉移時間，待測樣品必須于兩分鐘內達到要求之試驗溫度。依據IPC-TM-650 2.6.7中建議試驗條件，FR4材料使用condition D，而FR5材料使用condition E，總試驗循環數依規范建議至少100 cycles。
對于本試驗用之PCB，可采用雛菊煉(Daisy Chain)設計，亦可采用實際產品板進行試驗。使用Daisy Chain設計，有助于減少樣品數量并可觀察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。
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離子遷移試驗
PCB之離子遷移試驗( Electrochemical Migration Test，以下簡稱ECM)為進入無鉛化之后重要的試驗手法。與導通阻值測試不同，ECM是一種高阻值變化的試驗方法，其目的在測試兩個絕緣電路間發生短路之風險。
ECM主要是透過金屬解離后游離至另一極性，并產生金屬沉積的形成dendrite 導致短路，或透過生成金屬化合物游離透過PCB內層延長至另一導通點，兩者之差異主要為反應方程式的不同，發生的位置可分為PCB表面與內部。發生于表面時，其試驗方法稱為表面絕緣電阻試驗( Surface Insulation Resistance，簡稱SIR)；發生于表面與內部間或者內部與內部時，則稱為陽極細絲導通( Conductive Anode Filament，簡稱CAF)。
對于本試驗用之PCB，一般采用梳型電路(comb design)設計，亦可采用實際產品板進行試驗。使用梳型電路設計，有助于減少樣品數量并可觀察到較完整的現象，對于新供貨商之驗證上更有幫助。
無鹵素材料的CAF試驗結果普遍較傳統FR4材料或High Tg FR4來得差，主要因素為材料本身的特性以及其對鉆孔質量影響甚大，造成CAF的風險更加嚴重。
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焊墊結合強度試驗
銅箔拉力試驗是PCB半成品壓合后必進行之確認動作，但此試驗僅對于半成品有效益，對于后續仍有諸多制程的成品來說，并不顯著。而使用焊墊結合強度試驗則是一個比較有意義的試驗方法，主要是在于其與實際的成品狀態相同，可有效模擬出組裝后維修過程中焊墊脫落的風險度。但此項試驗并無允收規格，常是以樣品測試值的標準偏差或者Cpk來觀察質量穩定度，亦可藉由歷史資料比對結果。
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對于無鹵素材料來說，文獻紀錄均以傳統的Peeling Test作為觀察，認為其接合強度較典型FR4差。
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耐熱模擬試驗
耐熱試驗在PCB的使用上一般以浸錫法288度為主，但因為目前產品主要以SMT組裝為主要方式，因此進行Reflow模擬成為更有效益的方式，此法已被列入標準測試方法中IPC-TM-650 2.6.27。
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IPC-TM-650 2.6.27 回焊模擬測試建議條件
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此試驗可采用Daisy Chain進行阻值監控，每一次試驗后須進行量測阻值已確認失效發生的試驗次數。此法亦可作為制程質量仿真監控，尤其對于壓合站與電鍍質量有很好的效益。
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動態熱油試驗
動態熱油試驗，并不算是真正的可靠度試驗方式，經由使用Daisy Chain進行導通阻值的監控，以得到實際的失效位置以及失效現象。
熱油試驗???條件如圖所示，透過此快速試驗法，可將制程中早夭問題點予以找出，可作為研發或新產品開發過程對制程質量的確認，并進行質量改善，再以此重新驗證。
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CTE與Tg量測
熱膨脹系數CTE與玻璃轉換溫度Tg是無鹵素板材基本試驗項目。由于多數無鹵素材料中使用大量的氫氧化金屬物質作為填充劑，因此制程中壓合條件，必須做一有效的調整。壓合質量的良窳，關系到產品結合強度，在組裝過程中，受到reflow或wave soldering熱的沖擊影響，易發生脫層( Delamination)或者爆板( Popcorn)問題，進而影響到周邊的導通孔結合問題。此量測通?？梢允褂肨MA或TGA進行。然無鹵素材料不如傳統FR4成熟，理論的Tg、delta Tg或CTE在試驗前應予以確認，作為協助判定之用。
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熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion)
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彎曲試驗
無鹵素板材，由于大量的無機氫氧化金屬填充劑的使用，導致PCB變硬變脆的問題。彎曲試驗的主要目的在于觀察板材在彎曲后對導通孔與板材承受力的品質風險。彎曲試驗可分為破壞性與非破壞性兩種，依照需求或組裝程度，與以選擇進行。
以攜帶型產品而言，常用的彎曲試驗為Cyclic Bending，目的是為了仿真產品使用時受到彎曲應力持續作用下，造成材料的疲勞問題。另外，對于此PCB可搭配零件同時進行，可觀察PCB于受外力時，因本身所產生的應變( Strain)對于零件焊點的影像，典型的問題如Pad Peeling或者Pad Cratering等現象均可由此方法呈現。
此外，利用單次持續彎曲，可看出因無鹵板材硬度高，透過Daisy Chain監控下，在相同的彎曲程度下，其所發生的不良數量較傳統使用的high Tg FR4明顯高了許多。
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機械沖擊試驗
PCB原材雖然也有機械沖擊試驗，但因裸板應力分布上的問題，并無法顯現出產品結構上的真正問題，因此機械沖擊主要是針對已完成組裝的產品進行。在高G值的沖擊之下，PCBA所產生的形變，造成PCB與零件間的焊點( Solder Joint)潛變，常使結合無法承受，此問題在無鹵素后因板子的硬度大幅增加，韌性不足，對于焊墊的結合力是一個很嚴格的挑戰，尤其在未來零件腳間距( Pitch)越來越小的情形下，更值得去了解其存在風險。
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故障分析
如前所述PCB之發展已達數十年，由于制程的成熟，因此許多失效現象已不再發生，但由于無鉛制程及無鹵材料的導入，使得業界不得不重新重視材料變更后會遇到的問題及現象。
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本公司目前對于PCB可靠度試驗，依據IPC-TM-650 主要類別，區分為化學性試驗、機械應力試驗、環境/可靠度試驗與SMT組裝模擬等，除可協助客戶進行一系列的試驗外，并提供相關技術咨詢與故障分析服務。
