电路板可靠度之检验_10版_090610

就PCB而言，其可靠度可歸納為基材板與電鍍銅兩個領域；也就是考 試板所經常關注者。基材板方面目前最熱門的是CAF問題，電鍍銅 則在通孔盲孔方面兩者又有不同，其詳細內容不但非常多，而且極為 專業，需仔細深入探討。
常見單箱式TCT試驗之舉例(事實上手法很多頇按客戶要求而定)
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PCB加速TCT試驗的兩款商用機種
電路板可靠度之檢驗
TPCA 資深技術顧問 白蓉生
2008.12.05五編 2008.12.12六編 2008.12.23七編 2009.01.15八編 2009.06.10九編
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內容概要
1. 規範中對PCB可靠度的要求...........P.3~P.8 2. IST試驗的原理與TCT的比較........P.9~P.28 3. IST試驗手法與評鑑.......................P.29~P.40
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•JEDEC 對封裝載板可靠度的檢驗
• JEDEC原為美國電子工業協會EIA之下屬團體，現已獨立出來成為IC 封裝業的專門組織，曾就有機IC載板與半導體成品之品檢與可靠度試 驗訂定許多規範。下列四項即為常見可靠度檢驗規範。
• TCT：JESD22-A104C為兩箱式Air to Air溫度循環試驗(Temperature Cycling Test)，共有10種高低溫匹配與4種留置時間Cycle Time(1、5、 10、15分鐘)的級別對應，以供用戶參考。
•
3.10.8為熱震盪(Thermal Shock)兩箱式之 檢驗，現場應根據IPC-TM-650之2.6.7.2B 法(見右表傳統FR-4所用條件)。執行檢驗 後各通孔劣質性電阻增大之變化不可超過 10%，且切片品質還要通過表3-6之規定。 其實這就是封裝業JEDEC的另類說法「溫 度循環試驗」(TCT)，或日本業界習慣稱 呼的“冷熱衝擊試驗”。由於此等常規 TCT非常耗時，目前業界已逐漸採用IST 與HATS兩種快速商用專機的替代做法了。
Y pattern
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•
3.8.4節為「濕氣與絕緣電阻」 (Moisture Insulation Resistance;MIR),早先亦稱為“表面 絕緣電阻”(SIR)。頇按IPC-TM-650之2.6.3F 法實做，對與量產板相同材料／製程的右列考 試板，在100VDC的偏壓下檢測出失效前到底 可以支撐多久？Table 3-11分別列出四種絕緣 電阻值的及格標準。
• 通常在規範訂定或客戶指定的手法下，試圖找出完工板 的可靠度到底如何？也希望能進一步比較出各種板材、 製程與參數的優缺何在？並得知品質改善的量化數據。 • 簡言之就是利用各種加速老化的手法，例如高溫、高溼、 高電壓在循環式或連續式考驗中透析出PCB忍耐能力的 極限，並對其改善體質過程中提供參考指標。
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各級可靠度之定義與規範所要求之測試
Burn In Useful Life Wear Out
Failure Rate
Time Quality Manufacture SPC Infant Reliability ESS, IST Conventional Reliability S/F, L/L, IST, A/A Long Term Reliability CAF, IST, A/A Ultra High Reliability Field
類似盲孔焊接後自底墊的拉脫，若更為明顯鴻溝者， 且微切片之機械研磨尚未拖填蓋滿時，則仍可看見
1000x
2000x
2000x
2000x
此種增二後鍍銅附著不牢的失效，可明顯看出是前處理微蝕活化之不 良所致，翻閱自動記錄後竟然發現微蝕槽三組泵浦中有兩組失效了
此組微切片分析是針對Cu-18的盲孔三缸水平快速鍍銅與一層VCP慢 鍍銅的試樣所做，但已可明顯見到不良柱狀與固體粒子的包夾
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PCB國際允收規範IPC-6012B對可靠度的檢驗
• IPC-6012B(2007.1)大部份著墨在 品質檢查手法與允收規格方面， 對於可靠度檢驗並不明確。只有 在3.8.1、3.8.4與3.10.8三小節處 才涉及到類似可靠度之試驗。前 兩小節涉及板材之絕緣性，後者 只探討導體之疲勞劣化。 • 3.8.1節要求「介質耐電壓」 (Dielectric Withstanding Voltage) 之檢驗(IPC-TM-650之2.5.7法)， 並按Table 3-10之規格執行允收。 對寛距(80μm以上施加測試電壓 500V)與窄距(80μm以下測試電壓 250V)等線路進行30秒絕緣之測 試，所用考試板為Y形電路或下 頁的梳形電路。
IPC-6012B在其 3.2.6.9.節中對電鍍 銅物性品質之要求 有二： (1)延伸率 (Elongation) 需>12% (2)抗拉強度 (Tensile Strength) >36KPSI(248MPa) 本文主要內容大部 分著墨於電鍍銅之 失效分析，且與延 伸率關係密切。較 少部份討論基材板 的失效真因。有關 板材問題另見無鉛 與無鹵等講義。
3 MINUTE HEAT CYCLE FIXED
24 37 51 64 78 91 104 118 131 145 158 171 2
VARIABLE COOLING CYCLE TYPICALLY 2-3 MINS.
15
28
41
54
67
80
93
106 119 132 145
CYCLE TIME IN SECONDS
FEpoxy FPTHCu FCu finish 0
Tf Tf
24
快速的IST與耗時的TCT(A/A)以及TST(L/L)之比較
175 150
4. IST試驗後的微切片判讀................P.41~P.66
5. 失效模式說明與案例分析..............P.67~P.80
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HALT對PCB可靠度之評估
• 完工板之可靠度(Reliability)得通過各種“高加速壽命試 驗”(Highly Accelerated Life Test; HALT)多類手法進行 評估與比較。一般而言，此等試驗與允收只是在資格認 可(Qualification)的考試板上執行。 • HALT只是一種邏輯性的概念，希望在刻意加設的溫度 (T)、溼度(H)與電壓(偏壓Bias)條件，以及持續變化的特 定環境中，讓PCB不斷受到折磨而出現質變與劣化。
Failure image after IST Results available after several days(~ 288 cycles/day)
Failure image after TCT Results available 23 after several weeks(~ 24 cycles/day)
TEMPERATURE CHANGE IN DEGREES C
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 11
ACTIVE "POWER" CIRCUIT
FORCED AIR COOLING
PASSIVE "SENSE" CIRCUIT (PTH VIA'S)
板材的Z-CTE(Tg以下約50ppm/℃，Tg以上約250ppm/℃ 遠高於孔銅(17ppm/℃)與ENIG(1~2ppm/℃)
PCB components are treated as a system of coupled springs. The system settles at the point of equilibrium of forces. T0
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IST試驗曲線(前處理試驗加上主試驗)與現場回焊曲 線，TCT試驗以及漂錫試驗等之比較
IST Precondition Solder Float Reflow Oven
IST Test
Thermal Cycling Oven
時間
IST前處理試驗可視為組裝現場焊接工程(兩次回焊 + 一次重工)之模擬，也就是對起碼存活度的評估
手機板組裝焊接後盲孔與底墊之間電測出現open ，但從微切片畫面上卻看不到太大的異常
此等存活度(Survivability)之不良，為了看清盲孔與底墊兩者界面互 連的真相起見，於是又進一步利用FIB深入側切並觀察其介面之實情
從FIB搭配SEM之1500倍與4500倍畫面可見到盲孔底銅與承墊 銅面之間外觀似乎有虛陷，再從側面2000倍與30000倍放大圖 面上確實見到介面的open
• TST：JESD22-A106A為兩槽式Liquid to Liquid高低溫液體中之循環 試驗，特稱為Thermal Shock Test熱震盪試驗。 • HAST：JESD22-A110B為“高加速溫濕應力試驗”(HighlyAccelerated Temperature and Humidity Stress Test)。注意此處縮寫 字與美商麥克羅泰克公司後來刻意選用HATS作為商用機器之名稱跡 近雷同。讀者請務必認清不宜混淆。 • THB：JESD22-A101B”高溫高濕偏壓試驗”(Temperature Humidity Bias Test)是在双八五環境(85℃/85%RH)與指定偏壓中觀察失效前待 測產品到底能支撐多久(例如5V/1000小時、20V/500小時、50V/240小 時、100V/168小時、100V/500小時等)，但考試板每家不同。
三缸水平快鍍銅(80ASF)，為了同時也鍍深通孔而採用了太強的反脈 衝供電下，不但造成盲孔的惡劣柱狀結晶，而且低電流處非常鬆散容 易拉斷，幸好通孔目前還平安無事
羅門哈斯自08年10月推出新一代EVF製程以取代舊式的VFN 製程，在25ASF下的VCP中確已展現良好的性能，號稱盲孔 填銅與通孔鍍銅可以同時進行，對高階NB非常有利
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一般性板材與通孔鍍銅常用的IST參數(需先進行模擬 組裝焊接的數次強熱前處理)
IST TEMPERATURE PROFILE @150 C (COMPENSATED) POWER & SENSE CIRCUIT (Part # TV22001A)
190 180 170 160 150 140
POWER SENSE
快速的商用法IST可取代耗時的JEDEC規範法TCT
Temperature changes cause mechanical stress/strain in the PTH Cu. By cyclic variation of the temperature the PTH Cu is stressed periodically which leads to fatigue cracks. The number of cycles until cracking is called fatigue life Nf. The higher the strain εthe lower Nf.
Comparison of IST (230C) Vs IR Oven (210C) Preconditioning Profiles 300
230C - 4 Min Oven Profile
250
Temperature - Degrees C
2 per. Mov. Avg. (Oven Profile)
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存活能力與可靠度之定義(浴缸曲線)
存活度 常規可靠度 穩定期(正常使用期) 耗損期
早夭期
Normal Useful Life 使用時間 Reliability is the probability that an item will perform its intended function for a specified time interval under stated conditions
200
150
100
50
Baidu Nhomakorabea
0
2
23
44
66
87
108
129
150
172
193
214
235
256
277
299
320
341
362
383
405
426
447
Time in Seconds
468
從材料學觀點可分為脆性(Brittle)材料與塑性(Plastic)材料， PCB應歸屬於後者，多項品目中以韌性(Toughness)最為重要