摘要：化学沉镍金板，由于基材、孔铜和镍层的热膨胀百分比（PTE）不相同，在回流焊接等高温过程中，各材料的膨胀量不一致，PTH孔孔环位置产生应力集中，孔环在应力作用下发生形变，最终导致孔环镍层出现裂纹失效现象。本文通过一例化学沉镍金板PTH孔孔环裂纹的失效案例，从失效分析的角度入手，分析了孔环裂纹产生的根因，并提出改善方案，为业内同行提供参考。
1 前言
PTH孔主要起到导电、信号传输、散热、支撑和测试等作用，是PCB板实现层与层之间导通互联的核心结构之一，因此，PTH孔的品质直接关系到PCBA的品质和产品的可靠性。化学沉镍金工艺Electroless Nickel/Immersion Gold，简写为ENIG，又称化镍金、沉镍金或者无电镍金，是目前PCB业内最常用的表面处理工艺之一。化学沉镍金是通过化学反应在铜的表面置换钯，再在钯核的基础上化学镀上一层镍磷合金层，然后再通过置换反应在镍的表面镀上一层金。因此，在化学沉镍金PCB板上，PTH孔的组成结构包括孔壁电镀铜（一般要求铜厚大于25μm）、化镍层（一般要求镍厚3μm~5μm之间）以及化金层（一般要求金厚0.05μm~0.75μm）。
本文通过一例化学沉镍金板PTH孔孔环裂纹的失效案例，从失效分析的角度入手，分析了孔环裂纹产生的根因，并提出改善方案，为业内同行提供参考。
2 孔环裂纹失效分析
2.1失效背景
某型号的化学沉镍金PCBA板在经2遍无铅回流焊处理和1次波峰焊处理后，部分PTH孔孔环出现裂纹，不良概率为100%。现有不良PCBA 2块和未拆封的同周期PCB库存板若干块，需要对孔环出现裂纹的失效现象开展失效分析。
2.2孔环裂纹现象确认
通过金相显微镜，对失效PCBA板和未拆封PCB板进行外观检测，观察PCB板PTH孔孔环的外观形貌，结果如图1所示。
图1：PTH孔孔环外观形貌观察结果（左为失效PCBA板，右为未拆封PCB板）
从上图1中外观检测结果可知，未拆封的PTH孔孔环外观形貌正常，无裂纹；经过回流焊和波峰焊处理后的PCBA失效板，PTH孔孔环上有裂纹，且裂纹从PTH孔内向孔环外部延伸，贯穿了整个孔环。
对有裂纹的孔环取样制作垂直切片，通过金相显微镜观察孔环截面形貌，分析结果如图2所示。
图2：孔环垂直切片图
从上图2中孔环切片图可知，裂纹发生在孔环的镍层和金层，而镍层下面的铜层没有裂纹。
2.3 孔环裂纹模拟复现
对同周期库存板上未产生裂纹的PTH孔进行热应力模拟实验，模拟PCB在波峰焊处理时的受热过程，观察在热应力前后孔环的形貌变化。
结果如下图3所示：热应力条件（IPC-TM-650 2.6.8 《热应力冲击，镀通孔》），将样品在140℃条件下烘烤4h后，在288℃的锡炉中漂锡3次，每次漂锡时间为10s；漂锡时，使用高温胶保护样品表面，防止锡料粘附在孔环表面。
图3：热应力处理前后孔环形貌
从图3可知，热应力处理前，孔环表面无裂纹；经3次288℃漂锡处理后，孔环表面出现裂纹。
3 孔环裂纹产生机理
由于本案例中的不良PCB板采用的是某普通Tg材料，热膨胀系数CTE较大，约为326ppm/℃，板材膨胀量大；而PCB的PTH孔孔铜热膨胀系数CTE较小，约为17.5ppm/℃，镍层CTE约为9.2 ppm/℃，均远小于PCB板材的热膨胀系数。因此，在回流焊和波峰焊过程中，PTH孔区域，板材、孔铜和镍层三者之间膨胀量不匹配，导致应力集中。
PTH孔孔环裂纹产生的过程，如下示意图4所示。在常温条件下，PCB板材和孔铜均未发生明显的形变，孔环表面没有裂纹；由于热胀冷缩的原理，当PCB板经过波峰焊、回流焊或是热应力的高温处理时，板材膨胀大，而孔铜和镍层的膨胀小，板材便会给孔环一个向上的应力，将孔环向上顶起，造成孔环发生向两边翘起的形变，在形变过程中孔环上孔口处的镍层断裂（镍层断裂延展率小于5%），出现孔环裂纹；而由于孔铜镀层厚度较厚且延展性较好（断裂延展率大于18%），在形变过程中，孔铜不会断裂；最后，当PCB恢复至室温，在孔环表面就形成了孔环裂纹的失效现象。
图4：孔环裂纹形成过程示意图。A常温下；B高温时，板材膨胀大，孔铜膨胀小，孔环被板材顶起；C恢复至常温，孔环裂纹
采用TMA设备测试不良PCB的板材在不同温度下的Z轴热膨胀百分比PTE，测试结果如下表1所示。
表1：不良PCB板材的PTE值
由表1可知，随着温度升高，PCB板材的膨胀量越大。温度越高，板材膨胀量越大，就越容易导致孔环裂纹。
为了进一步证明孔环裂纹是由板材、孔铜及镍层之间膨胀量不匹配所致，进行如下不同温度下的热应力实验验证，结果如下图5所示。
图5：热应力实验验证结果
从图5实验验证结果可知，当温度达到240℃时，漂锡6次后，孔环出现裂纹；当温度高于250℃时，受热后孔环极易出现裂纹。这主要是温度越高，PCB板材的膨胀量越大，对孔环产生的应力越大，越容易导致孔环上镍层断裂。
4 改善方案
4.1使用低PTE板材
采用某高Tg低膨胀量板材制作实验板，使用TMA对板材进行PTE测试，测得的结果如下表2所示。
表2：低PTE板材的测试结果
对该实验板进行热应力漂锡实验，每次漂锡后观察孔环表面形貌。漂锡测试后结果见下图6。
图6：高Tg板材制作的PCB热应力实验验证结果
由上图高Tg板材制作的实验板热应力验证可知，在270℃条件下漂锡12次和在288℃下漂锡6次后，实验板PTH孔的孔环表面均未出现裂纹现象。当温度为280℃时，该材料膨胀率较小，Z轴膨胀百分比PTE为3.635%，小于低Tg材料在230℃时的3.857%，在漂锡过程中，孔环受到板材的应力较小，镍层不会被拉裂，因此，低PTE板材在一定程度上能够改善孔环裂纹的失效现象。
4.2采用阻焊半塞孔工艺
采用阻焊半塞孔工艺制作实验板， 对PHT孔进行阻焊塞孔处理，在后续化学沉镍金制程中，孔内无法镀上镍金层，如图7所示。 阻焊塞孔的实验板经288℃条件下，6次漂锡测试后，无孔环裂纹失效现象。
图7：阻焊半塞孔工艺（左）及无阻焊塞孔工艺（右）对比
5 分析结论
可以通过改用低PTE板材来改善孔环裂纹失效现象，同时，结合阻焊塞孔设计可有效改善孔环裂纹的缺陷。
