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PTH孔孔铜电化学腐蚀失效分析及机理探究

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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-3-10 14:39 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    一、背景) t* w' W* F% @; c6 s0 }/ o
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    随着电子产品质量稳定性和功能要求不断提高,对印制电路板的质量和品质要求也越来越严格, 为了防止在焊接过程中的锡珠、焊接后的化学试剂以及环境中的潮气进入镀通孔(Plated through hole,简称PTH孔),提高PCB的使用性能和抗恶劣环境的能力,除元器件插装孔、散热孔、测试孔外,其余PTH孔均采用油墨塞孔[1]。然而,阻焊塞孔不饱满以及阻焊塞孔裂纹将会导致在整机通电后PTH孔孔铜发生腐蚀,出现信号不良的失效现象虽然此过程非常缓慢,往往在PCB生产厂商无法在出货前筛选出来,而在整机适用几年后会出现信号不良的现象,对PCB的可靠性造成不良影响。
    文章将对一例PTH孔孔铜腐蚀案例进行失效分析并对机理进行探究,并提出改善阻焊塞孔质量的方法,以减少由阻焊塞孔不良造成的品质问题。
    失效点形貌如图1所示。

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    失效点为阻焊塞孔,阻焊塞孔周围存在黑色异物。该板使用于沿海地带3年。
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    二、异物成分分析
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    通过立体显微镜、金相显微镜及电子显微镜对异物形貌进行观察,并通过能谱仪分析异物元素,如下图2所示。

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    由图a、图b,孔铜腐蚀产物为黑色固体物质,由c、图d可以看出,黑色固体物质的形貌为晶体状,对黑色异物进行X射线能谱分析,如图e、图f,其主要元素为COSiSCu,而且铜的含量最高
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    三、原因分析
    3.1切片分析

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    取孔口有异物和无异物的PTH孔分别进行切片分析,并使用金相显微镜和扫描电镜进行形貌观察,结果如图3所示:

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    由图a、图b、图c可知,孔口位置处阻焊与孔铜之间有明显裂缝,且裂缝位置处的孔铜已被腐蚀,出现部分孔铜缺失的现象。另外,在无阻焊裂缝一侧的孔壁,孔铜未被腐蚀。由图d、图e、图f可知,无异物孔的孔铜未被腐蚀。
    3.2机理分析
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    据研究表明,在潮湿的空气中,物体表面会形成薄薄的一层水膜,当相对湿度在65%-80%的空气中,物体上的水膜厚度为0.001-0.1μm。空气中的尘埃含量一般为20-60mm3/m3,如果物体表面附有污物尘埃等杂质,材料表面会凝结水气,促进水膜的形成[2。由于塞孔孔口处阻焊与孔壁之间存在裂缝,在后期装配及高盐、高湿的环境使用过程中,可能会导致污染物及杂质离子残留在裂缝中,促进水膜的形成,水膜与孔铜、焊盘相连,在整机使用的过程中,保持通电状态,形成电场,因此,水膜与孔铜、焊盘共同构成了电解槽,发生电化学反应。其中,孔铜作为阳极,被溶解,并产生大量的铜离子。随着反应的进行,铜离子逐渐积累,随着铜离子的积累量逐渐增多,铜离子将顺着裂纹溢出到孔口,在空气的氧化作用下变成铜的化合物,因此在表面可以看到黑色的含Cu污染物。
    阳极反应:
    阴极反应:
    据研究表明,在薄液膜下,O2很容易扩散到电极表面,阴极过程中氧还原变得十分容易[3],阴极反应如下。
    TH孔孔铜电化学腐蚀过程如下:$ U1 w) f4 R" f4 ?0 S9 Y' H
    电解阳极铜→铜离子溢出→铜离子被氧化,形成铜的腐蚀产物。
    PTH孔孔铜电化学腐蚀过程示意图如下:
    四、实验
    PTH孔孔铜电化学腐蚀的两个重要条件:(一)水膜——电解液,(二)电场,二者缺一不可。盐雾试验机可以提供高盐高湿的环境,创造水膜形成的条件,再采用整流器提供电压即可形成电解池,利用构造的电解池模型验证PTH孔孔铜电化学腐蚀的机理。
    4.1实验设计
    设计两组对照试验,如下:
    第一组:将电镀铜箔通电后,置于盐雾试验机中;
    第二组:将同样的电镀铜箔直接置于盐雾试验机中;
    盐雾试验机提供了高湿高盐的环境,创造了形成水膜的条件,为形成电解池的条件之一(电解液),将铜箔接入电极,创造了形成电解池的另一条件(电极)。
    24h后,在金相显微镜下,观察两种条件下电解铜被箔腐蚀情况。
    4.2实验结果与讨论
    在金相显微镜下观察两组实验结果,如图5所示。通电后的电镀铜箔被腐蚀,可以观察到黑色腐蚀产物;未通电的铜箔未被腐蚀,无黑色腐蚀产物;证实了第一组实验发生了电化学腐蚀,即在高湿的环境下会形成水膜,当存在电场时便会发生电化学腐蚀。
    4.3 PTH孔电化学腐蚀失效改善建议
    电化学腐蚀速率远大于化学腐蚀速率,一旦PTH孔发生电化学腐蚀,将会对PCB的可靠性带来严重影响。而阻焊塞孔往往无法保证塞孔全部饱满、无裂纹,因此需采取一定的改善措施,减小PTH孔电化学腐蚀失效风险。
    4.3.1 取消阻焊塞孔流程
    部分国内客户明确要求不允许有阻焊塞孔,部分日系客户也明确提出不允许有阻焊塞孔,原因在于客户担心阻焊油墨塞孔后,如果不饱满,则会导致孔铜腐蚀问题,那么就干脆油墨不塞孔,以绝后患[4]。因此工程部门在分析客户的阻焊塞孔之要求时,也不妨建议客户取消部分或全部塞孔,杜绝品质隐患。
    4.3.2 改用树脂塞孔
    树脂塞孔工艺通过采用真空塞孔的方法,可以实现塞孔均匀饱满,与孔铜结合良好,可有效解决塞孔不良的缺陷,从而降低PTH孔电化学腐蚀失效发风险。
    五、总结
    由以上结果可知,当阻焊塞孔不饱满或阻焊塞孔有裂纹时,若整机PCB使用在潮湿的环境中,未被阻焊完好覆盖的PTH孔孔铜与周围焊盘会形成电解池,发生电化学反应,孔铜被腐蚀,铜离子由孔内溢出,在PCB上形成黑色腐蚀产物。
    电化学腐蚀速率较快,阻焊塞孔的电化学腐蚀将对PCB可靠性将带来严重的风险。建议根据客户需求,取消阻焊塞孔流程或改用树脂塞孔流程,在PCB制作端减小PTH孔腐蚀的风险。
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    发表于 2021-3-10 15:30 | 只看该作者
    孔不是会塞吗
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