03.27 肉眼看不見的PCB失效問題！

在PCB行業驗收標準IPC-6012C中，只有三個章節的試驗牽涉到可靠性方面的要求，主要是介質耐電壓、溼熱絕緣電阻（MIR）和熱衝擊（Thermal Shock），前兩者主要評估板材可靠性，後者主要評估電鍍銅可靠性。

一些常見失效切片分析如下：

1、電鍍銅延展性不佳或板材Z-CTE較大，造成孔中間的孔銅全周拉斷且斷口較大，如圖10所示：、

2、金屬疲勞產生的微裂，呈45°斜向微裂，常沿著晶格出現，經常裂在玻纖與樹脂交界處的銅壁，孔銅開裂附近之部份基材也有微裂，如圖11所示：

3、孔角斷裂，主要是應力移往板面並出現槓桿式伸縮，金屬疲勞和應力集中引起，如圖12所示：

4、孔壁和孔環的拉裂，拉裂的孔環呈Z方向的走位，其主要是多次焊接高溫或材料Z-CTE較大造成， 如圖13所示：

5、孔環銅箔的斷裂，鑽孔釘頭再結晶後銅箔弱化，在疲勞試驗中被拉裂，如圖14所示：

6、盲孔與底墊分離，主要是底墊銅面出現鈍化膜，或熱應力較大（迴流曲線熱量較高、多次焊接、局部過熱）造成，如圖15所示：

7、盲孔根部斷裂，主要是電鍍藥水老化或雜質較多，造成鍍銅質量下降，低電流處結晶疏鬆造成，如圖16所示：

熱衝擊試驗

來源於IPC-6012C 3.10.8章節的要求，依照IPC-TM-650 測試方法2.6.7.2測試，一般常用FR4材料的PCB選用條件D，在經過高低溫循環100次之後，第一次高溫電阻和最後一次高溫電阻的變化率不能超過10%，並且試驗後做顯微剖切的鍍覆孔完整性合格。

IPC定義的熱衝擊（ThermalShock）試驗，其與封裝業JEDEC的溫度循環試驗（TCT）類似，但與JEDEC的熱衝擊試驗（TST）有差異，因為IPC的熱衝擊試驗（TS）和JEDEC的溫度循環試驗（TCT），都是基於空氣傳熱的，而JEDEC的熱衝擊試驗（TST）是基於液體傳熱的，其溫度轉換速率遠遠高於空氣傳熱，故如果客戶要求測試TS時，還是需要確定所依據的標準和試驗條件。

JEDEC原為美國電子工業協會EIA之下屬團體，現已獨立出來成為IC封裝業的專門組織，曾就有機IC載板與半導體成品之品檢與可靠度試驗訂定許多規範，其涉及到溫度循環方面最常見的兩個試驗如下：

TCT：參考標準JESD22-A104E，兩箱式Air to Air溫度循環試驗(Temperature Cycling Test)，共有13種高低溫匹配與4種留置時間CycleTime(1、5、10、15分鐘)的級別對應，以供用戶參考，如下圖2和圖3所示：

TST：參考標準JESD22-A106B，兩槽式Liquid to Liquid高低溫液體中之循環試驗，特稱為Thermal ShockTest熱衝擊試驗，試驗條件如下圖4所示:

不管是TCT或是TST試驗，其試驗時間都是很長的，而IST時間明顯小於TCT和TST，常見的溫度循環測試曲線如圖5所示，由圖可以看出，液冷式的TST試驗，高低溫轉換速率是最大的，IST其次，TCT最小，而高低溫轉換速率越大，其對材料的衝擊也隨之增加，也就更容易失效：

IST試驗雖然試驗時間最短，但其也有不足之處，它的高低溫溫差是最小的，溫差決定了測試樣品的工作溫度範圍，溫差越大，代表樣品能工作在更高或更低的溫度，如圖6所示：

IST因為測試時間短，溫度轉換速率大，對測試樣品的疲勞老化影響也較大，故可以使試樣早早發生失效，比對圖7的IST失效數據和圖8的TCT失效數據，可見在相同的條件下，IST試驗很早就發生的失效：

在PCB的各種溫度循環試驗中，其主要失效機理是因為板材的Z軸CTE遠遠高於孔銅的CTE，在溫度劇烈變化的過程中，各種應力集中處容易被Z軸膨脹拉斷，常見的失效模式見圖9所示：