PCB短路失效分析

PCB短路失效分析

黄爱珍袁陆玉凤

渊深圳长城开发科技股份有限公司袁广东深圳

518000冤

摘要院随着电子产品的微型化发展袁线路板的设计尺寸也越来越小袁由于电迁移引发的短路失效案件也就

屡见不鲜了遥针对某款PCB层与层间发生的短路不良进行了深入的分析袁详细地介绍了分析的过程和手段袁通过外观检查尧电性测试尧热点定位分析尧离子切割尧SEM+EDS等分析手段袁发现PCB的第四层和第三层之间短路是由于阳极性玻璃纤纱漏电导致的遥最后袁提出了有效的改善对策袁对于降低此类失效现象发现的风险袁提高PCB的可靠性具有重要的意义遥

关键词院印制电路板曰短路曰阳极性玻璃纤纱漏电中图分类号院TN41文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1672-5468.2019.S1.011

文章编号院1672-5468渊2019冤S1-0058-05

ShortCircuitFailureAnalysisofPCB

渊ShenzhenKaifaTechnologyCo.袁Ltd.袁Shenzhen518000袁China冤

HUANGAizhen袁LUYufeng

gettingsmallerandsmaller袁andtheshortcircuitfailurecasescausedbyelectromigrationbecomecommon.TheshortcircuitdefectbetweenlayerandlayerofPCBisanalyzedindetail袁andtheprocessandmeansofanalysisareintroducedindetail.Throughtheanalysismeansofappearanceinspection袁electricaltest袁hotspotlocationanalysis袁ioncutting袁SEMandEDS袁itisfoundthattheshortcircuitofthefourthandthirdlayersofPCBiscausedbyCAF.Finally袁effectiveimprovementcountermeasuresareputforward袁whichisofgreatsignificancetoreducetheriskofthiskindoffailureandimprovethereliabilityofPCB.

Abstract院Withtheminiaturizationofelectronicproducts袁thedesignsizeofcircuitboardis

Keywords院PCB曰shortcircuit曰CAF

0引言

自PCB发明以来袁电迁移问题便成为了这个

行业的一部分袁影响着电子产品的长期可靠性遥只要在同时满足水汽尧电解质尧偏压尧通道和电

极的条件下袁电子产品就不可忽略阳极性玻璃纤纱漏电渊CAF院ConductiveAnodicFilament冤的影响遥在PCB板中袁CAF的发生模式一共包括孔-孔尧孔-线尧线-线和层-层4种袁本文主要是选取了PCB层间短路的案例进行分析遥

收稿日期院2019-04-16

作者简介院黄爱珍渊1986-冤袁女袁广东深圳人袁深圳长城开发科技股份有限公司项目管理工程师袁从事PCB&PCBA焊接可

靠性方面的研究工作遥

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第1期黄爱珍等院PCB短路失效分析

1

1.1背景

案例分析

Layerdescriptions渊Stackup冤SilkscreenSolderMaskCopperplatingCopperfoilPPRawMaterialthickness/滋mNominal10252010035010018202510353518Nominal10252010035010018202510353518TheoreticalFinshedthickness/滋m+/-5Tolerance+/-15+/-3.5+/-20+/-30+/-20+/-5+/-5+/-5+/-5某电子产品在出货一段时间后出现PCBA功能异常现象袁初步分析判断为PCB的P+和ID第三层与第四层网络短路袁失效率约为1%遥不良产品的外观图如图1所示遥

Ni逸5滋mAu逸0.01滋mCopperfoilIDP+

CopperfoilCopperfoilPPCCL图1不良产品外观图

CopperplatingSolderMaskSilkscreen+/-3.5+/-15+/-51.2.1电路原理及Layout分析

PCBA的电路原理图如图2所示袁从图2中可以看出袁正常状况下P+和ID之间应该呈现开路袁而失效产品表现出来的现象却是P+和ID之间存在短路遥

F1

R1

U1

C5

R310K

20.1滋F

NTC

R42KC3

0.1滋F

P+NTCID

1.2分析过程

Ni逸5滋mAu逸0.25滋m图4PCB各层尺寸

1.2.2外观检查

对不良样品的第四层渊最外层冤的P+和ID区域进行外观检查袁均未发现明显的异常袁如图5所示遥

ID

P+

0.1滋F

C1

46

DP

VDD

VSS

R4look

C4

0.1滋F

C20.1滋F

图2PCBA电路原理图

IDP+

数如图3-4所示遥

PCB为4层板袁其Layout图及各层的尺寸参

IDP+

图3PCBLayout图

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

图5不良样品的外观检查结果

59电子产品可靠性与环境试验2019年

1.2.3电性能测试

用万用表测量不良样品的P+和ID之间的电阻袁结果如表1所示遥从测试结果可以看出袁P+和ID间的阻值很小渊OK样品P+和ID间的阻值应为无穷大冤袁存在短路异常遥

表1电阻测试结果

样品名称NG2#NG8#测试结果渊R/赘冤

6.332.411

1.2.5离子切割&SEM/EDS分析

利用离子抛光机渊CP冤对NG7#不良样品的热点漏电位置进行切割袁并在扫描电子显微镜下进行高倍形貌观察和成分分析袁结果如图7-8所示遥从图7中可以看出袁NG-7#不良品第四层铜层渊ID冤边界处发现有向3~4介质层延伸的细丝袁但在此切割方向下袁并未发现细丝与第三层铜层搭接在一起遥

NG7#

第3层铜层渊P+冤1.2.4漏电定位分析

切割方向第4层铜层渊ID冤利用热点侦测显微镜袁对不良PCBA样品进行热点侦测袁B+/B-接电源袁P+/P-接入负载袁同时用电路表侦测输出电流遥利用高灵敏度Detector侦测导体线路在通电状态下袁不同位置所产生的热辐射分布袁藉以定位出失效所在位置遥

漏电定位结果显示袁3PCS不良样品的第四层渊最外层冤ID金手指边缘均存在漏电点袁如图6所示遥

细丝NG2#ID漏电位置P+图7NG7#不良样品离子切割图

NG7#

IDP+

经成分分析可知袁向3~4介质层延伸的细丝含有Cu元素遥而3~4层的填料主要为C尧O尧Si尧Al等元素袁由此可以判断袁填料应为氧化铝和二氧化硅颗粒遥

漏电位置NG8#IDP+漏电位置图6不良样品漏电定位图

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第1期黄爱珍等院PCB短路失效分析

Spectrum1234526.7841.0159.0326.461.920.969.02C21.73OAl2.258.24//Si29.535.001.98//P0.421.341.15//Cl///3.86/Ni///3.01/Cu///13.3////SAllresultsinweight/%54.25////Ba1.71////W100.00100.00100.00100.00100.00Total微镜下进行高倍形貌观察和成分分析袁得到的结果如图9-10所示遥从图9中可以看出袁NG-8#不良品第四层铜层渊ID冤边界处存在裂纹袁且贯穿3~4介质层袁与第三层铜层连通遥同时发现在第

97.122.3134.4128.5524.72图8NG7#不良样品EDS图

同样袁利用离子抛光机渊CP冤对NG8#不良样品的热点漏电位置进行切割袁并在扫描电子显

第三层铜层P3P2切割方向第四层铜层P1三层搭接位置存在一个孔洞遥

从图10中可以确认袁从第四层铜层渊ID冤边界起始并贯穿3~4介质层袁与第三层铜层连通的裂纹中含有Cu元素袁并沿着PCB的3~4介质层的玻纤/树脂界面生长袁形成带有明显金属光泽的铜细丝袁为典型的PCB基材内的阳极导电细丝袁即为CAF现象遥

此外袁裂纹在与第三层铜层连接的位置存在一个空洞袁这是由于第三层铜层和第四层铜层存

图9NG8#不良样品离子切割图位置P1位置P2阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

61电子产品可靠性与环境试验2019年

位置P2图10NG8#不良样品典型位置渊P1/P2/P3冤形貌图

在偏压袁在电化学反应过程中第三层铜层作为阳极发生了氧化反应袁铜层不断溶解成铜离子袁并在电压场的吸引下往阴极方向移动析出造成的遥1.3机理及结果分析

综合上述的试验结果袁可知此PCBA功能异常是由于PCB基材内第四层铜层和第三层铜层发生短路导致的遥短路是由于PCB基材内部发生了CAF短路现象遥

CAF是指在偏压渊直流电压或脉冲电压冤的作用下袁PCB基材中的铜和所吸附的水分等发生了电化学反应袁生成的铜离子在毛细作用下袁沿着基板内部的界面或通道迁移袁以致发生短路或电器性能下降遥CAF的形成首先是玻纤/树脂的物理破坏袁然后吸潮导致了玻纤/树脂分离界面存在水汽袁从而为电化学反应提供了通道袁在电场的作用下铜离子从阳极向阴极方向移动袁并在阴极沉积袁最终形成从阴极往阳极生长的导电丝遥其化学反应如下所述遥

1冤铜在阴极发生溶解Cu寅Cu2++2e-H2O寅H++OH-2H++2e-寅H22冤铜从阳极向阴极方向发生迁移Cu2++2OH-寅Cu渊OH冤2Cu渊OH冤2寅CuO+H2O3冤铜在阴极沉积

CuO+H2O寅Cu渊OH冤2寅Cu2++2OH-2

CAF的形成对电子产品的长期可靠性的影响是不容忽视的袁其会直接导致电子产品的功能失效或功能不稳定遥为了降低此案件中layer-layer的CAF短路发生风险袁建议采取以下改善对策院

1冤尽量地选择吸湿性低的PCB材料渊树脂冤袁并保持使用环境干燥曰

2冤尽量地选择玻纤布与树脂充分浸渍且结合良好的PCB材料渊半固化片PP冤袁减少玻纤/树脂的界面缝隙袁从而减少反应的有效通道曰

3冤进一步地优化PCB设计袁尽量地降低偏压及增大有效间距曰

4冤优化PCB生产中的各种热制程工艺遥参考文献院

[1]白蓉生.看图说故事[EB/OL].渊2018-07-01冤

c8447ef77.html.

04-20].https院//wenku.baidu.com/view/dc04b76527d3240

[2019-

结束语

Cu2++2e-寅Cu

[2]林其水.在PCB中离子迁移的危害与对策[J].印制电[3]高艳丽袁华嘉桢.CAF院电子工业小型化的威胁[J].印[4]师剑英.基板材料CAF的形成机理及其应对措施[C]//

第十四届中国覆铜板技术窑市场研讨会袁2019-09-24袁中国湖北仙桃袁2013院5-10.2014渊4冤院102-106.

[5]李勇.CAF失效研究之通道的形成[J].印制电路信息袁

制电路信息袁2005渊10冤院56-59.路信息袁2008渊5冤院56-59.

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