第七章PCB热损伤失效机理及案例分析.pdf

第七章PCB热相关失效
机理及试验方法

邱宝军
020-87237921，[e-mail]

PCB工艺复杂，涉及的材料众多。

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在焊接过程中PCB发生分层，孔铜断裂是常
见的失效模式

热分层的原因分析

焊接过程中由于高温导致基材等材料的变形或者
分解，以及PCB吸收的水分等气体的作用产生了内
部应力是导致PCB分层的原因

影响热分层的因素

1PCB工艺不良（层压、铜箔粗化）
2PCB吸水性大导致PCB过度受潮
3PCB基板的热性能参数不合格
4焊接工艺条件设置不良

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水蒸汽压力和温度之间的关系

典型无铅焊接工艺曲线分析

目前回流焊接的特
点：
1）无铅焊料需要
50-70秒的再流时
间来保证充分铺
展。
2）无铅焊接的最
高温度可能达到
255度。
3）可能需要更快主要问题为热损伤
的冷却速度（器件、PCB）
在回流焊接条件下，PCB板内的水蒸气压力远高于传统
的锡铅焊接---目前PCB问题的根源之一

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PCB固化工艺

PCB常用固化剂

主要固化剂有Dicyandiamide(Dicy)及PhenolicNovolac(PN)与
Bisphenol-ANovolac(BN)等三种，前者架桥能力极强，故只要加入5%
即可达到良好的聚合。但因其具有极性(polarity)故容易吸水与引起
CAF且耐热性不佳。
后两者PN与BN脆性较大架桥能力较差，常需加到20-25%bywt才
能使Epoxy达到良好的聚合，且单价较贵故整体成本上升，不过因极性
小致使抗CAF与耐热性也较佳。

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PCB热性能参数分析

•Threeimportantfactorsdeterminealaminate’ssuitability
forPb-freeprocessing:
–GlassTransitionTemperature:Tg
–DecompositionTemperature:Td

–CoefficientofThermalExpansioninthez-axis.CTE

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PCB热性能参数分析-Tg

PCB热性能参数分析-Td

TG/%

100
95.00%
306.6℃
95

90

85

80
[1]kh.dt3
75TG

70

65

50100150200250300
温度/℃

氮气氛围下，10℃/min的升温速率，室温至足够高的温
度，当失重为5％时对应的温度，即PCB的使用上限。

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PCB热性能参数分析-CTE

PCB基材热性能参数要求

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PCB基材热性能参数要求说明

有铅焊接时代认为Tg较高的板材，其耐热性、耐化性，机械
强度均较好，目前170℃以上称为高Tg(但却较硬较脆、
附着力也较差)，150-170℃者为中Tg。150℃以下者称为低
Tg。然而LF强热环境中，即使高Tg者也早已经进入α2的
橡胶态为时甚久(约100秒以上)，使其Z-CTE大增至300ppm/
℃以上，这才是爆板的主因。

Td说明高温强热中，聚合物将裂解为小分子甚至气体逸
走，且挥发份也将飞散因而重量会减轻。采TGA检测时凡当
其失重达5%者，即称其为Td(310-340℃)。但真正起爆
点却是在失重0.75%即已发动了。

PCB基材热性能参数要求说明

Z-CTE又再分为①α1玻璃态者平均約55-60
ppm/℃②α2橡胶态者上限为300ppm/℃③
50-260℃间总体CTE之上限为3.0-4.0%。板材Z-
CTE(尤其是α2)太大才是爆板的主因，降低
Z-CTE最有效的方法就是添加无机Filler，减少
树脂凹缩就是明证

三种TMA式耐热裂时间又以T288较常用，平均以5
分钟为起限，此T288等与无铅焊接的峰温高低有关，
就总体耐热性而言，Td为主而T288为客，亦即客随
主变。

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降低CTE值能够降低PCB分层的可能性

降低PCB基板CTE的方法

添加无机填充剂

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孔铜断裂原因

1PCB分层导致孔铜
断裂
2PCB基材CTE和孔铜
不匹配产生大的应
力导致断裂
3铜延展性差导致的
断裂

业界对PCB耐热性能考核的要求

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业界对PCB耐热性能考核的要求

PCB热损伤相关试验方法
热应力试验
互连应力试验
吸水性试验

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热应力试验
依据IPC-TM-6502.6.8标准，对PCB空板进行热
应力分析，试验的具体条件如下：
1）预处理：在125℃烘箱中烘烤6小时；
2）焊锡：Sn63Pb37；
3）温度：288℃；
4）浮焊时间：10s；
5）次数：1次；
6）助焊剂：松香助焊剂。

互连应力测试

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分层爆板案例分析1

在焊