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当前对微孔失效的担忧
  2020-12-29      148

作者:Happy HoldenI-CONNECT007

在IPC高可靠性的虚拟论坛上,Summit Interconnect公司的现场应用工程经理Gerry Partida在题为“当前对微孔失效的担忧”的主题演讲中涵盖了微孔可靠性测试方面的各种问题。他的演讲还概述了HDI工艺,讨论当前使用的各种测试方法。我在这里与大家分享Gerry的演讲记录,为清晰起见,本文对演讲纪录作了一些编辑。

目前对微孔失效的担忧

在此,我向各位分享我们团队在制作微孔超过20年积累下来的知识,以及要怎样测试你的微孔,使它达到目前的IPC标准的要求。你是不是有必须用手指头压住组件才能使它工作的情况,只要手指一松开,元件又不工作了(图1)?这也许就是你今天在这里的原因。

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图1:在元件上用手指往下压使它工作。

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图2是显示IPC新闻稿中有关微孔可靠性的警告。

行业曾经发生过在电路板完成组装并发送给客户后出现微孔失效的情况,这种情况会在组装时或在对成品进行热测试时出现。客户的产品甚至会在更晚的时候出现微孔失效的情况。有一种方法可以检查你的微孔,确保你的微孔是良好的,符合组装时的回流工艺的要求,在进行热冲击时也是良好的。

为什么我们要先测试,再观察呢?我们注意到很多商业公司没有这样做,但这些公司仍然有很多高可靠性产品。美国的军用、航空航天部门对这个问题的重视程度要比众多商业公司高很多,这是有原因的。它们在生产航空航天产品时,只有元件只能被安装一次,不能重复使用。如果是定制ASIC芯片,在一个BGA上有1400个输入/输出(I/O),或者是ASIC上有一个价值100,000美元的元件,在这种情况下,你不会制造一块电路板,然后把两三个(或五、六个)价值100,000美元的元件安装在这唯一的一块太空电路板上,结果发现这个工具所传送的指令不可靠。

解决这个问题的最好办法是使用尽可能少的元件来测试这块电路板的样品。样品在设计时用相同的几何形状、钻孔尺寸、放置尺寸和过孔(无论它们是堆叠的过孔还是交错的过孔),然后制作出电路板的样品,在飞机飞行时测试这个样品传送的信号,在你将太空电路板的元件交付组装之前发现微孔的问题。这样,你就可以测试这个电路的微孔结构是不是能承受你将要对这个零件进行的回流。

在零件交付组装之前,你必须测试这个零件的样品的可接受性。许多人没有在回流温度下测试样品,通过测量在回流时样品的电阻来查明样品将会发生什么情况。通过OM测试和IPC TM650 2.6.27,你可以在回流样品时测量样品的电阻,确定这些电路板是否能够安全地完成整个组装。这样,你就可以避免在组装的样品中有这些序列号的元件。如图3所示,样品的任何失效成本都会随时间的推移而增加。

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图3:为什么要进行可靠性测试?

我做的所有测试都是IPC 2.6.27用于真实环境验证的要求,满足当前对PCB设计的要求。我将回顾PCB制造商目前需要的评估方法并讨论不同的加热方法。为什么在某些情况下一些方法无法为我们提供真实的评估?OM测试是怎样通过测试样品为你的最终产品提供实际评估?

在我们目前的评估方法中,我们采用A-B样品,根据对样品回流的温度来评估在样品中随温度上升而出现的热应力。如果锡铅焊锡的温度达到230℃或260℃,我们评估这些焊锡的横截面,看看在微酸洗剖光样品后会得到什么样的结果。

我们要求我们的各个电路板制作车间每月进行一次性能测试。我在下面会讲到这一点,以及一块电路板在电气测试中会发生什么,为什么这种电气测试不一定能告诉我们电路板中是不是存在弱微孔。我还会介绍一些实际的微孔制作,在制作微孔的过程中,D-样品测试在测量电阻时捕获一个不合格的过孔,这个过孔不符合IPC-6012的内部评估要求。

为什么以前的制作方法在这里似乎失效了?我们在制作样品A和衍生的样品B的微切片时,我们从烘烤开始。我们把它们浮焊然后剖光,在剖光微切片时,我们寻找镀层上的分离。如果我们评估的微孔在放大200倍时没有识别出镀层上有分离,或者说,如果我们没有发现任何东西,我们就用微酸洗使用的棉签擦拭刚刚剖光的样品(图4)。

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图4:在剖光后发现微酸洗的横截面中有隐藏的小分离。

我们在图5中看到这一结果,特别是在样品的第一个箔片中的各个铜镀层中。图中是一个电镀层和第二层。在这个例子中,薄镀层的微孔镀层在电镀后封闭。然后,我们要对镀层做最后的分析,但是,现在所有的证据都看不到了,所以这是一个还没有定论的问题。我们对镀层进行剖光和观察;如果我们在放大200倍时看不到任何东西,我们就对过孔进行微酸洗,直到我们看不到任何分离为止。

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图5:IPC-6012要求放大200倍到500倍检查。

但是,如果我们用更大的放大倍数观察,就可以看到微酸洗后的微孔是什么样子。图5的上图是放大300倍的微孔。按照IPC的要求,我们检查微孔从放大200倍开始,如果有问题,可以把它放大到500倍。如果我们没有识别出任何东西,就可以认为它是可以接受的。但是,如果我们把同样的图像放大3000倍,我们就可能看到镀层中的分离。我们所需要的微孔可接受标准来自制造商,按照制造商的标准,我们也许无法识别出这种分离,从而导致各种问题。这些微孔会通过所有的横截面评估后交付使用,但在制作这些微孔时,没有任何人对D样品进行热测试来证明其中存在弱微孔。相反的是,当你用手指按压元件时,你就会发现弱微孔。

图6是一个剖光后的微孔的例子。在左图上,你可以看到三个堆叠的微孔,三个过孔的镀层没有分离。在电镀之后,有些人在评估它是否合格时,他们会做一个微酸洗来观查微孔。中间的图像是经过两次锡-铅回流的微孔,回流的峰值温度大约是230℃,样品上的应力很小。你也许不会看到实际的分离,但在目标路径上微孔的顶部和中部之间也许存在分离。在最右边的柱子上,你可能会看到在第2层上的目标焊盘对着的第一个和第二个微孔之间正在发生分离。

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图6:旧的检查方法使我们的电路板失效。

从这一点看,应该把这个微孔视为不可接受的情况,是不合格的微孔。微孔又薄又小,像这样的薄弱微孔可能会被哟楼。一旦它们交付使用,你就看不出这三种情况的区别。

如果我们在微酸洗后检查样品,一切都会很好(图7),我们就会把重点放在离子束剖光和观察微孔的内部。你可能会找到一条裂缝;在有些情况下,这是失效的微孔。当你发现电路板中微孔的这些裂缝,每个人都会担心这些电路板是不是能够工作。我看到有很多客户使用有1,400个到1,600个I/O 的BGA和有四层堆叠的微孔的电路板。我告诉他们,我们不打算制作这种电路板。他们说,“我们使用的最难制作的电路板都是你做的。”但我知道,用这种电路板,他们的组装任务是不可能完成的。

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图7:旧的测试方法不能检测出弱微孔的瑕疵。

六个月后,我和两位博士去客户的质量实验室。他们正在观察一块电路板,我说,“让我猜猜。你把手指向下压时,它们就会工作。”他们的回答是,“你怎么知道?”我不打算做这种电路板,因为他们会有这种类型的故障,这是由于四层堆叠中的迁移造成的。这种四层堆叠中的迁移只能通过使用非常昂贵,非常复杂的聚焦离子束剖光才能检测出来。

这些电路板制造商的另一个要求是每个月对三级供应商进行一次质量合格测试。我们提供的所有电路板都是最复杂的电路板,我们制作的电路板都在当月测试。这些测试检查返工模拟、粘合强度、剥离强度、电介质的耐压和防潮装置。不过,制造电路板的车间是不是能真正可靠地制作微孔,目前还没有办法测试。

在我们完成一块PCB的制作时,我们会在室温下测试电路板。但是,一个弱微孔仍然会有足够的电气连接,会通过电气测试。特别是电气测试阈值的电阻值通常是10欧姆时,网路中所有低于10欧姆的测试结果都被认为是连接的。因此,不能检测出弱微孔。

关于在室温下进行的测试,有一个有趣的故事,在过去的五六年里,我们一直对样品进行可靠性回流测试。当时有些客户不会做这种样品测试,因此出现组装问题。在通常情况下,电路板会有三层或四层堆叠的微孔。我们提供这些电路板。有客户打电话告诉我们,他们想让电路板在回流炉中回流6次后重新测试电路板。现在他们希望我们在测试装置上重新测试电路板,看看我们的测试结果中电路板是不是会出现开路。

这又是在室温下的情况。我们在电路板上永远找不出任何弱微孔,即使它们经过六次回流。客户也许会说,“我想重新测试这些电路板,我会付钱给你。”但是,当我观察这块电路板的设计时,我通常会发现它有三层或四层堆叠的微孔,我们强烈建议客户不要使用这种电路板来进行组装(图8)。

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图8:在室温下的电气测试不会发现有弱微孔的界面。

在大多数情况下,在回流时如果你的电路板中只有一个有缺陷的微孔,那么,只是电阻开路。在这个例子中,你可能会看到六个峰值。这是每次回流循环中的电阻。红线是测量的电阻阈值的5%,我们不能超过这条红线;如果我们的测试结果超过红线,电路板就是坏的,它会被拒绝使用。在通常情况下,电路板制造车间不会说出这个原则,但是,如果我们有一个坏的编号,我不希望你使用这个编号的电路板。更准确地说,我想把它扔掉。我不希望你的组装失效。我会拒绝使用它。你没有买到劣质产品,我会很高兴。

正如你在图9中看到的,超过5%阈值红线的那一小段曲线是一个缺陷。这是电阻在回流温度达到峰值时超过阈值的5%,但在冷却时电阻变小。你会注意到,电阻消失了,过孔现在是连接的,或者过孔镀层中的镀层分离在室温环境下自动愈合。这给人一种错误的希望,以为一切都很好。但是在很多情况下,只有在实际的回流温度下你才能检测到这些镀层分离。

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图9:OM测试四层堆叠的微孔从室温到回流温度的电阻。

传统的热冲击热测试使用的加热腔中的热循环通常是从非常冷的温度(-60℃)到160℃。最初认为你只需要进行六次回流,不必在每次回流后检查微孔的电阻有没有改变。然后你把它们放在测试装置上,整个电阻测量只在热冲击的温度中完成(图10)。

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10:通过热冲击测试的样品在回流测试时失效的例子。

图11是一个测试报告。如果你关心的只是一些样品的热冲击测试结果,接着再看右边,你会看到黄线。左边的两对列是它经过了多少次循环。要求热循环次数是100个周期。但是当你用回流焊测量做OM测试时,回流焊后的电阻会立即受到热冲击。图中那些用黄色标记的原因是由于在回流期间,电阻超过阈值的5%,微孔失效。

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图11:负载与图10样品相同的样品在回流焊测试时失效的统计分析。

如果你只使用热冲击测试,并且这是你做的唯一测试,你会宣布所有的零件都是好的。它们都通过了热冲击测试。但是如果你对这些零件进行回流焊测试,这时温度逐渐变化加上热冲击,你就会说“不,我不想组装那四个编号的电路板,因为它们的微孔在进行实际的回流时会变成开路的过孔,即使它们通过了热冲击测试。那些在回流时会开路的电路板在交付使用后,它们仍然是连接的,并且会保持它的连接,这些电路板已在回流测试时失效过,可能会在以后的组装现场中导致各种问题。”

我们还有对使用IST的样品和样品中产生热量的电流进行评估的能力,从而评估样品的结构是否坚固。这是一个很重要的系统,用来比较样品从一个组装工艺到另一个组装工艺时的变化,我非常同意这一观点。这是一个很好的比较系统,可以指出哪些样品更强大,但这个比较系统不是对整块电路板使用回流温度,我们做这种比较时很像在组装一块实际的电路板。

在图12中,右图是一个样品的热图像,电流正在流过菊花链。样品中最热的点在样品的正中间,这里将是样品中应力最大的地方。连接器就是焊接在这个位置。这并不是说,样品已经回流过,现在的测试是回流与连接器连接的有开路问题位置。实际的样品不会在整个样品上进行回流,就像你不会在整个电路板上回流一样。因此,这里的回流例子是在箭头所指位置的回流。

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图12:在进行IST测试时,样品的中心位置产生的热量最多。

图中箭头所指的小黑点是五个不同样品上每一个失效的微孔的位置。它们都在样品的中心位置,这是热量最多的位置。顺便说一下,这些小黑点的位置是在不同样品的面板上。我没有在一个样品的中心位置制作这种最弱的微孔的能力,特别是在它们几何图形都相同时。这是验证你的工艺的一个很好的比较测试。但它不是用你的样品进行测试,它的结构应和你的电路板的结构一样,并且使用相同的回流温度,因此,这个测试就像在你的电路板上进行从头到尾的回流实验。

IPC-TM-650 2.6.27A提到挽救方法。我们使用的样品是D样品,是IPC核准的样品。任何人都可以通过导体分析技术(Conductor Analysis Technology)制作自己符合IPC要求的D样品。当你制作出你的样品时,你制作的样品就是你的电路板。你必须知道你的微孔的直径,或者机械孔或埋入孔的直径,并使用相同的焊盘尺寸。

你要指定电路板的第二层上的一个平面层,或者一个信号层。你制作的样品的网路结构和你的电路板要一模一样,这样,测试这个样品和测试你的电路板完全一样。最重要的是你钻孔的激光和机械钻头之间的距离,这里是指它们落在电路板上的位置与大小都要一样;焊盘与焊盘之间的尺寸没有什么意义。与之相反,激光钻头的边缘到机械钻头的边缘之间彼此太靠近时,微孔失效的比例就会比较高;它们之间的距离越大,过孔就变得越安全。还有,你可以使用生产车间的内部技术来制作你自己的样品,我强烈建议OEM要检查电路板制造商制作的样品,以确保一切都是正确的。D样品和你的PCB结构的匹配也要这样做。你要在你的制作工艺中评估你的电路板的结构,以及样品与你的产品的匹配。如果样品通过了检查,你的电路板将很容易组装。

把样品放入一个测试腔。OM测试当前是24位测试。你可以根据你的样品定义各种不同的互连策略。在一些情况中,你可能需要两到三个不同的样品来测试你在你的电路板中设计的所有不同钻孔距离。每个样品只能有两个不同网路。如果你的电路板中有不同配置的过孔,那么你可能必须把多个样品放到能测量电阻的面板上送入测试腔中进行测试。

实际的测试如图13和14所示。我们制作了这些电路板,图14中红色的测试结果表示电路板没有通过回流测试。图中只有三个样品通过测试。这让我们有点尴尬,但这确实发生了。

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图13:测试结果的例子。

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图14:统计OM测试的回流结果。

因此,正如在图15看到的,在帽状电镀位置的微孔中有一个空洞。右下角的那个微孔通过了测试。你正确地制作微孔时,它们会通过测试;但是,如果你在制作时有各种问题,它们就会失效。

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图15:OM测试捕捉到的WMI失效的例子。

图16是一个真实的案例研究。我有一个新的计算机辅助制造(CAM)计划,是用来制作5密尔微孔的;因为这是一个5密尔的激光钻孔,并且高宽比很大,价格是5美元。我强烈推荐0.75:1.0的高宽比。

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图16:0.005英寸的微孔,高宽比比1:1,介电目标0.0045英寸。

图17是对样品进行OM测试的热循环,峰值温度是245℃。黑线是样品上的实际温度。这是进行第一次例行的回流过程中的热曲线。这条热曲线看起来还是良好的,然后,我们开始第二次回流,这时,样品开始出现失效,当我们进行到第六个回流循环时,失效的微孔越来越多(图18)。

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图17:在实际的D样品上进行OM测试的热循环周期。

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图18:网路1在回流期间的电阻(请注意,所有的样品都通过第一次热循环)。

下面是一个样品的结构(图19)。客户放入测试腔的的每块面板上有两个样品。他在一个样品上只对第一到二层使用激光束钻的微孔。然后他就有一个自己埋入的2个到7个微孔 ,他想在第二个样品的第二网路上做7个到8个微孔。下面是这两个样品的测试结果。这些都是由于微通孔故障而失效的。 我们必须提高微孔的长宽比。 因此,我查看了一下,发现我们失败了。 我们与CAM部门进行了交谈,并告诉他们进行以下更改。

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19:由网路引起的失效。

我们将电介质加厚1密尔,并且将用激光钻的过孔改回6密尔,如图20所示。在OM热循环测试中,6密尔微孔样品的电阻都没有超过5%的阈值,图21表明样品100%通过OM热循环测试。6密尔过孔和5密尔过孔的不同之处在于过孔内的电介质,用激光钻的过孔的直径只有我头发厚度的一半,这实际上是电路板车间制作微孔的工艺窗口。

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图20:重新制作的微孔和介电层。

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21:有正确的过孔直径和高宽比时,样品100%通过OM热循环测试。

过孔的几何尺寸有助于样品可靠地通过OM测试,这一点极其重要,会使你的电路板能够完成整个组装,你不妨试试。

总结

总而言之, OM测试验证将证明你的微孔设计、选择的材料和过孔的结构符合目前具有挑战性的PCB要求。OM测试通过实际组装使用的回流条件来验证你设计的微孔的几何形状,检测微孔从室温加热到回流峰值温度出现失效的情况。这些测试记录样品上的实际温度和网路在回流过程中的电阻值,验证微孔的结构是否与PCB的设计匹配和是否符合IPC-6000的要求。

本文收集的数据可以让你更好地设计微孔。当你发现微孔的设计不利于通过OM热循环测试时,你也许会打算改变你的设计和加大微孔的直径来剔除某种结构,使你的设计更加可靠和能够盈利。

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