PCB掉焊盘失效分析

PCB掉焊盘失效分析
一、前言：
在SMT组装过程中，焊盘脱落，尤其是BGA焊盘坑裂等可靠性失效现象时有发生，造成产品良率下降。

拉脱强度是衡量焊盘与基材结合力的一个
重要参数，本文首先对焊盘拉脱失效模式及拉脱强度的差异性进行阐述；
再从材料种类和焊接条件等因素对刚性PCB拉脱强度的影响进行实验分析，最后得出焊盘拉脱失效机理；从而提出提高拉脱强度的改善建议，为增加
刚性PCB焊盘的可靠性提供实验依据。

随着电子产品朝着轻薄、高密度、多功能化等方向发展，不仅对组装和封
装技术提出了更高的要求，焊盘尺寸也随之精细化[1]。

焊盘作为PCB与电子元器件焊接装联的必要媒介[2]，其尺寸的精细化使焊盘的可靠性迎来了重大的挑战，一般情况下，焊盘尺寸越小其焊盘所能承受的最大拉脱力也越小，这意味着焊盘越容易脱落。

另外，在焊接过程中焊盘局部会受到热冲击，这是导致焊盘脱落的重要原因，而手工焊接导致的焊盘脱落的失效案
例时有发生[2]，但关于预防焊盘脱落的研究报道却很少，因此，对焊盘焊接过程中的拉脱失效机理及影响因素进行研究是非常必要的[2]。

拉脱强度是衡量焊盘与基材结合力的一个重要参数，导致焊盘拉脱强度降
低的因素有很多[2]，例如SMT制程的影响、CTE不匹配、运输过程的影响、焊料的影响、PCB设计的影响等。

本文将从材料种类、焊接条件入手，对刚性PCB的焊盘拉脱失效机理进行分析和探究，从而提出提高拉脱强度的改善建议，为实际工艺生产提供实验依据。

二、焊盘拉脱失效模式
焊盘是由基铜、电镀铜层、表面镀覆层等构成，基铜层的铜牙与板材的树脂之间形成物理结合力，该结合力影响着其拉脱强度，焊盘的表面和截面如图1所示。

一般地，焊盘脱落的界面可分为四种：
1.玻纤与树脂界面；
2.铜牙与树脂界面（铜牙残留部分树脂）；
3.树脂与树脂界面（与固化剂发生交联反应，生成立体网状结构的产物，结合力最大）；
4.铜牙完全与树脂分离的界面（基铜缺失导致，制程缺陷不予讨论）。

1~3#界面示意图和焊盘拉脱失效界面如图2所示。

三、实验设计
3.1实验物料及设备
（1）主要物料为：FR-4刚性板材及相对应的半固化片。

（2）实验设备：万能试验机、光学轮廓仪、立体显微镜（KE）、扫描电镜和能谱仪.
3.2实验方案
3.2.1试板设计
设计4层刚性板，L2/3为刚性芯板，L1和L4为铜箔。

参照相关设计标准，在L1和L4层上设计了一系列焊盘，测试板图形设计及叠层结构如图3和图4所示。

3.2.2实验方法
（1）拉脱强度测试
参照GJB362B-2009相关测试标准，使用万能试验机对测试板进行拉脱强度测试，测试示意图如图5所示。

（2）对失效板进行微观形貌观察、外观观察以及台阶高度测试（测量以基材为基准面的断裂面深度）。

实验参数
设计以下条件进行实验。

具体参数设计如表1。

计算方法及判定标准
焊盘的拉脱强度P应按此公式计算：P=F/S
式中P为拉脱强度，单位为N/cm²；F为焊盘的最大拉脱力，单位为N，由软件计算得出；S为测试焊盘的面积，单位为cm²。

根据GJB 362B-2009，焊盘的拉脱强度应不小于345N/cm²的标准值。

四、数据分析
4.1同等条件下拉脱强度的差异分析
在接收态（未做焊接处理）和相同的测试条件下，其拉脱强度测试结果如表2所示，发现焊盘拉脱强度的离散性较大，出现该结果的原因可能是焊盘失效界面和断裂面的深度不一样。

现观察拉脱强度差异性大的焊盘失效界面，分析焊盘拉脱强度差异性的原因，如图6所示。

如图6所示，在接收态下，焊盘拉脱界面主要为玻纤与树脂界面，说明此时玻纤与树脂的结合力比铜牙与树脂、树脂与树脂的结合力都要小；拉脱强度有差异的焊盘拉脱后玻纤与树脂界面占焊盘总面积的比例均不相同，说明各个焊盘横跨玻纤的位置也不一样；如图7所示，测得的台阶高度测试结果均不相同，说明不同拉脱强度的断裂面距离基材的深度均不一样；结合玻纤与树脂界面的面积比例和基材面台阶高度测试结果可知，拉脱强度大的焊盘拉脱的体表面积要比拉脱强度小的焊盘拉脱的体表面积大，这是因为半固化片里的玻纤和树脂纵横交错的结构，以及基铜的铜牙长度不均匀，导致铜牙与树脂结合的位置和深度不同，因此，在相同测试条件下的拉脱强度存在差异性，即玻纤与树脂的结合力存在差异。

4.2材料种类对拉脱强度的影响
实验选用A、B两种不同种类的板材及其对应的半固化片，不同种类的材料特性会存在差异，在320℃焊接不同次数的条件下，不同种类材料的拉脱强度情况及其失效界面如表3所示。

接收态下两个种类材料的焊盘拉脱强度均未出现低于标准值的情况，且失效界面主要为玻纤和树脂界面，进一步说明在接收态下玻纤和树脂的结合力要比铜牙与树脂、树脂与树脂的结
合力都小；其拉脱强度有区别的原因可能是B材料本身和树脂的亲和力较A 材料低，以及铜牙与玻纤中间的树脂厚度各不相同；在320℃焊接不同次数的条件下，两种材料出现表3所示的失效情况及失效界面的原因可能是在焊接过程中热量对两种材料的损伤累积程度不同，其大小排序是：B＞A。

4.3焊接温度对拉脱强度的影响
在不同焊接温度下焊接2次后进行拉脱强度测试，其拉脱强度对比如图8所示，拉脱强度情况及其失效界面如表4所示。

从图8可以看到，拉脱强度随着焊接温度的升高而降低，260℃焊接2次的条件下无拉脱强度低于标准值的情况，且其失效界面主要为玻纤与树脂界面，说明升高焊接温度可降低玻纤与树脂的结合力；在290℃及以上的温度焊接2次的条件下均出现了拉脱强度低于标准值的情况，其失效界面主要为铜牙与树脂界面，说明升高焊接温度也可降低铜牙与树脂的结合力，导致出现这种情况的原因是铜牙与树脂的结合力受焊接温度影响的敏感性要高于玻纤与树脂的结合力，在受热冲击后，铜牙与树脂的结合力很可能会小于玻纤与树脂的结合力。

焊接次数对拉脱强度的影响
在320℃的焊接温度下焊接不同次数后进行拉脱强度测试，其拉脱强度对比如图9所示，拉脱强度情况及其失效界面如表5。

从图9可以看到拉脱强度随着焊接次数的增多而呈现下降的趋势，未焊接和320℃焊接1次的条件下均无拉脱强度低于标准值的情况，且其失效界面主要为玻纤与树脂界面，说明此时玻纤与树脂的结合力仍然比铜牙与树脂的结合力要小，同时增加焊接次数可降低玻纤与树脂的结合力；在320℃焊接2次和3次的条件下均出现了拉脱强度低于标准值的情况，其失效界面主要为铜牙与树脂界面，说明增加焊接次数也可改变铜牙与树脂的结合力，导致出现这种情况的原因是焊接过程中的热量对铜牙与树脂结合力的损伤具有累积效应，拉脱强度降低的原因可能是降低了铜与树脂的物理结合力，反复的热冲击下，树脂与铜的物理结合力进一步减弱，从而导致失效。

五、焊盘拉脱失效机理
在接收态下，由于各个焊盘横跨玻纤和树脂的位置和深度不一样，拉脱强度存在差异性，即玻纤与树脂的结合力存在差异性，其失效界面大致的变化规律如图10所示，说明失效界面存在玻纤与树脂界面时拉脱强度较大，而有铜牙与树脂界面存在时拉脱强度较小，又由于焊盘拉脱是结合力最弱的位置先失效，可说明失效界面存在玻纤与树脂界面时的结合力比失效界面存在铜牙与树脂界面时的结合力要大，而失效界面存在结合力最大的树脂与树脂界面可能是由于其它两个结合力较小的界面先失效，然后对树脂有横向拉扯的作用，从而将树脂撕扯成两部分，一部分残留在基材面，另一部分则仍与铜牙结合。

铜牙与树脂的结合力受焊接条件影响的敏感性要高于玻纤与树脂的结合力，焊接条件可以降低铜牙与树脂的物理结合力且焊接过程的热量对铜牙与树脂结合力的损伤有累积效应，所以在焊接温度升高和焊接次数增加后，焊盘的结合力的表征由较大的玻纤与树脂的结合力转变成较小的铜牙与树脂的结合力，最后导致拉脱强度低于标准值。

六、总结及建议
（1）在相同的测试条件下，焊盘拉脱强度存在差异性，这与各个焊盘横跨玻纤和树脂的位置和深度有关，在接收态下，焊盘拉脱界面主要为玻纤与树脂界面，说明此时玻纤与树脂的结合力最小；
（2）随着焊接温度升高和焊接次数增加时，其焊盘拉脱强度会降低甚至低于标准值，在290℃焊接2次的条件下就有拉脱强度低于标准值的情况，其焊盘的结合力由较大的玻纤与树脂的结合力降低为较小的铜牙与树脂的结合力；
(3）通过上述实验数据可知，可通过调整焊接温度和焊接次数来控制焊盘的结合力，以防降低到较小的铜牙与树脂的结合力，甚至使拉脱强度低于标准值。