PTH孔孔铜电化学腐蚀失效分析及机理探究

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一、背景

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。

由图a、图b，孔铜腐蚀产物为黑色固体物质，由图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C、O、Si、S、Cu，而且铜的含量最高。

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：
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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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孔不是会塞吗