PCB白斑成因分析案例

senlenced3

白斑是发生在编织纤维增强型层压基板内的一种内在现象，基材内的纤维纱束在交叉处的粘合发生分离。行业内通常认为白斑现象的主要成因是能快速扩散到环氧玻璃中的湿气和元器件焊接时的温度共同作用的结果。此外，还包括树脂的成分、层压方法、耦合剂、Tg等。
: s* D: V4 R6 S5 V2 C下面分享一例PCB白斑成因分析。
  b! a5 ?) N2 O, _& B# X1不良板信息描述
1 b1 Z$ `7 R3 G0 b  y
PCB样品采用真空包装，并于(16~30)℃、（30~70）%RH下存储了半年。取出样品进行波峰焊接后发现了白斑现象，位置均在波峰焊接孔周围的铜皮开窗的基材部位，发生率为100%。失效样品外观和不良位置放大图如图1所示：

该失效样品为2层无铅喷锡刚性板，两面均为大铜皮设计。

% b6 f. R2 p1 O2失效位置确认

/ a4 U1 f( v/ g9 J失效位置水平切片分析
% @$ v  w6 c+ y3 o因失效样品CS面有电容器的阻挡，因此对失效位置的SS面进行了水平切片研磨分析，如图2所示：

  H7 t9 @. L! c2 \3 v) e, ^" z由图2的水平切片可以看到，白斑主要集中在波峰焊接孔的两侧，与电容器插件脚方向一致；此外，在该波峰焊接孔周围也存在一些较小的白斑，而远离孔区域未发现白斑现象。由此说明，电容器插件的机械应力会加剧白斑现象。
0 `1 _1 u% j4 W# g# m" H

8 m. Y. a( Z# v! J) a' l其他位置水平切片分析
% N4 M& r1 I3 a, S1 g, Z% h为了确认失效样品CS面是否也有类似的白斑现象，将失效样品的部分器件进行了移除，移除器件之后的失效样品外观和不良位置放大图如下：
* Q# W' a5 h3 G4 o# J5 e5 u5 a
% A' V% p2 W' W; K2 ]

移除器件后，发现失效样品在SS面的波峰焊接孔周围，白斑明显增多。而在CS面的波峰焊接孔周围也可见明显的白斑现象。说明退器件时的热应力会加剧白斑现象。

) K1 }+ X0 V) p3 j7 f分别对失效样品边缘基材区域（无PTH孔区域）和密集孔区域进行水平切片分析，如图4所示：

; u  D' e; Z7 d  J, W8 D. Z

由失效样品边缘基材区域（无PTH孔）的水平切片可以看到，该区域两面均无白斑现象；由密集孔区域的水平切片可以看到，此处并未经过退器件的高温，但是在波峰焊接孔和其他非波峰焊接孔周围均存在明显的白斑现象。
( t. h6 [; P2 _* t* ?7 L/ Y7 g
由以上水平切片可知，白斑出现在PTH孔周围或者说是无铅喷锡孔周围，并非仅集中在波峰焊接的插件孔周围。此外，电容器插件的机械应力和退器件时的热应力均会加剧白斑的严重程度。

; V  S6 }2 V2 I5 {白斑界面确认
8 s( ^* a2 J6 l为了确认失效样品是否存在分层，对退器件的区域制作垂直切片，如下图5所示：
% n. e1 w# c) {' @% K" ?$ f7 G
# f: m4 k! h( U" t! w3 G

" Z. @' E7 x8 N- z由上图5可知，即使退器件的高温会加剧白斑现象，但未造成明显分层现象。此外，由垂直切片可见，白斑出现在靠近阻焊层的基材，而基材内部无玻纤与玻纤之间的分离现象。
9 K# _8 M+ y4 x: ^8 ^6 x
3原因分析

0 y6 p  _1 Y1 @# n! V" i0 o根据以上失效位置的确认，白斑出现在钻孔周围，且仅在基材外侧。且退器件的高温和电容器插件的波峰焊接均会加剧白斑的严重程度。通常认为该板材的耐热性能异常，因此对该板材的耐热性进行了如下评估：
# @+ L4 N( ~6 u6 F3 r
  @( T: u& C1 [$ C4 v5 ]
) z! Q' `& |3 o3 B7 _! N分层爆板时间确认
采用TMA对失效样品在260℃和288℃的分层爆板时间进行测试，结果如下图6所示：
+ R1 ?2 D2 W% N9 W

失效样品的T-260在设定的测试时间（33.36min）内，未出现分层，即T-260大于30min；T-288时间为25.85min，大于15min。说明失效样品的分层爆板时间满足相关标准要求。

热膨胀系数确认
采用TMA对失效样品的固化度△Tg、热膨胀系数CTE和（50~260）℃热膨胀百分比PTE进行测试，结果如图7：

9 ?( _1 [! g# y2 p0 G+ y! l6 [失效样品的固化度△Tg=177.97℃-179.39℃=-1.42℃；热膨胀系数α1-CTE为48.33μm/(m·℃)，小于60μm/(m·℃)，α2-CTE为226.1μm/(m·℃) ，小于300μm/(m·℃)，（50~260）℃热膨胀百分比PTE为2.478%，小于3.0%。均符合相关标准要求。

/ [. ~) c& u- D. V+ ^* L6 j) ^热应力测试
取边缘基材区域进行热应力测试（288℃漂锡3次，每次维持时间10s），如下图：

通过对比失效样品热应力前和3次热应力后的外观图，可以发现，热应力后未出现白斑和分层现象。说明失效样品的在288℃下热应力测试结果符合相关标准。

) X$ ]8 R( i8 X# N* O2 L' {: c( k通过以上分层爆板时间、热膨胀性能和热应力测试，说明该失效样品的耐热性符合相关标准要求。而结合白斑出现的位置来看，说明该板材是在钻孔的机械应力、无铅喷锡的热应力和电容器插件焊接的机械应力的综合作用下，产生了白斑现象。
7 M* r( y- @/ ~" q& w/ C. D* t
/ X9 c. Y4 m. L- y' p9 f# I4分析结论
; g# i0 a; i% {) j失效PCB仅出现白斑而无分层现象，其是在钻孔的机械应力、无铅喷锡的热应力和电容器插件焊接的机械应力的综合作用下产生的。
2 c  T& V! w! @4 C  B* G

QqWw11

快速扩散到环氧玻璃中的湿气和元器件焊接时的温度共同作用