軍用印制板標準在理解和實施中的問題探討

張永華 張 濤 劉立國

(無錫江南計算技術研究所軍用印制板質量檢測中心，江蘇 無錫 214083)

0 前言

緊隨印制電路板（PCB）產品高密度、高集成度和高可靠性的快速發展，新修訂的軍用印制板標準一方面新增了銅蓋覆鍍層、盲埋孔樹脂塞孔、微導通孔等成熟工藝的性能要求，另一方面擴展細化了連接盤缺陷、導體最終鍍層或涂層、阻焊膜、鍍覆孔孔壁缺陷等要求，并對應IPC標準中的3A級產品，增加了宇航用印制板的性能要求。無論新增要求的提出，或是原定要求的修改，均是基于印制板連通性、非連通性（絕緣性）和長期使用的可靠性的考慮。

為積極推動軍用印制板標準在工藝鑒定和產品質量管控中的基礎作用，本文將基于標準最新規定，通過典型案例分析的方式，探討標準中各項性能要求提出的出發點，以及在理解和實施過程中可能遇到的一些問題，希望可以減少因標準理解不當而造成的損失。

1 外觀和尺寸檢驗

印制電路板的外觀，包括標識、絕緣基材、表面涂鍍層、導電圖形等，是印制電路板加工質量最直觀的反映，也是產品實現順利交付的重要基礎，其檢驗方法是使用3倍線性放大鏡（仲裁檢驗應在至少30X的放大鏡下進行）在合適的光照條件下進行目檢。而印制板尺寸，包括外形、板厚、孔位精度、外層環寬、導體寬度和間距等，表征了印制板加工與布設總圖和相關規范的符合性，是保證后續電裝和安裝質量的重要前提，應采用精度不低于0.01 mm的量具進行測量。

1.1 露織物、顯布紋和露纖維

如果層壓過程中流膠過多或受到化學侵蝕，印制板表面會出現明顯的纖維紋理。若未斷裂的織物纖維完全暴露在空氣中，為露織物，而當其表面仍有樹脂覆蓋時，則為顯布紋（見圖1）。

圖1 （A）露織物（B）顯布紋

由于缺少了樹脂的保護，裸露的玻纖更易吸附水分和化學殘留物，引起印制板絕緣性能的劣化，因此露織物的印制板不可接收。顯布紋的印制板可以接收，但粗糙的表面往往給人一種質量不高的觀感，且很難僅通過目檢與露織物的印制板區分開。

由于基材受到機械應力沖擊、劃傷或化學侵蝕，而出現的增強纖維裸露的現象，稱為露纖維。與露織物相比，露纖維通常只會在局部位置出現；因此，只要增強材料未出現明顯的切斷或變形，并且未使導電圖形之間的間距低于布設總圖規定的最小值，可以接收。

1.2 白斑和微裂紋

白斑和微裂紋都是發生在基材內部玻璃纖維與樹脂分離的現象，并表現為基材下的白色斑點或十字紋，其中白斑呈分散狀（見圖2），微裂紋呈陣列狀（見圖3）。

圖2 白斑

白斑的產生多源于印制板已受潮，并在受到熱應力沖擊時，急劇的膨脹破壞了玻纖與樹脂結合的化學鍵，最終導致經緯玻纖在交織處出現局部分離現象；白斑常發生在大面積銅箔邊緣。由于白斑存在于基材內部，并不會吸收離子污染物，也沒有證據能夠證明白斑會成為CAF（導電陽極絲）的生長通道，因此只要白斑的尺寸不大于0.80 mm且未跨接相鄰導體，是可以接收的；但白斑的存在降低了印制板的絕緣和抗電強度，尤其是高海拔、低氣壓環境下，絕緣性能下降更為明顯，因此對于高電場（通常指1000 V）和宇航用印制板，白斑不可接收。

圖3 微裂紋

微裂紋的產生通常是由于基材受到了外部強烈的機械應力沖擊；微裂紋降低了基材的剛性和絕緣性，因此微裂紋區域不應超過相鄰導體間距的50%，且在熱應力、模擬返工或溫度沖擊試驗后裂紋不應擴大；宇航用印制板不允許微裂紋。

1.3 粉紅圈

多層板內層孔環處的黑化層（氧化銅）或棕化層（氧化亞銅）側緣，因受鍍孔工藝中強酸槽液的橫向浸蝕，而變為原銅色，當這一區域超過了外層孔環的覆蓋范圍時，成品印制板上便可觀察到沿孔環邊沿分布的粉紅圈。目前還沒有證據證明粉紅圈會影響到印制板的功能性，因此粉紅圈可認為是一種制程預警，只要未跨接相鄰導體，不應作為拒收的理由；但粉紅圈的存在破壞了黑化層的微觀結構，事實上降低了內層銅箔與樹脂間的物理結合力，因此在印制板受到熱應力沖擊時，如果出現了分層現象則不可接收；對于高密度印制板，粉紅圈的出現會增加CAF風險，因此必須進行良好的管控；粉紅圈的出現，通常會伴有三角形的楔形空洞（已被電鍍銅填充），如圖4所示。

圖4 楔形空洞

1.4 銅鍍層空洞和最終涂覆層空洞

銅鍍層空洞會影響鍍覆孔的孔電阻和載流能力，成品印制板目檢時，孔內不應有銅鍍層空洞，因為目檢時能夠發現的鍍層空洞，其尺寸通常較大，將對后續電裝的成品率和電路的性能產生嚴重不良影響。顯微剖切方法檢驗時，允許銅鍍層厚度減少不超過規定銅鍍層厚度（通常為25 μm）的20%，但應是孤立的且不大于板厚的10%，這是針對鍍覆孔個別位置銅鍍層厚度小于平均厚度要求，但又滿足最小銅鍍層厚度要求的情況；銅鍍層厚度小于規定值的80%（通常為20 μm），視為鍍層空洞，每塊板的空洞數不多于1個，且空洞的最大尺寸未超過板厚的5%時，可以接收，這是針對銅鍍層厚度小于最小銅鍍層厚度要求的情況；內層導電層和鍍覆孔孔壁的界面處應無鍍層空洞；宇航用印制板不允許銅鍍層空洞。典型銅鍍層空洞缺陷如圖5所示。

圖5 銅鍍層空洞

如果最終涂覆層空洞垂直方向的長度不大于孔長度的5%，并且橫向尺寸未超過孔周長的25%時，鍍覆孔內允許存在1個最終涂覆層空洞；過大的涂覆層空洞，尤其是當暴露基底鍍銅層時，會極大地降低鍍覆孔的可焊性；宇航用印制板不允許涂覆層空洞。

1.5 阻焊膜

阻焊膜的主要作用是防焊、絕緣和減少印制板面污染。由于起泡、脫落、褶皺、跳印（漏印）、吸管狀空隙等缺陷，均會導致PCB吸潮、藏匿污染物，導致印制板導電圖形間的絕緣性降低，增大電化學遷移的風險，因此均不允許。

圖6 阻焊膜厚度測量圖

如圖6所示，為保證阻焊膜對導體起到足夠的覆蓋保護作用，防止假性露銅等現象，B處的阻焊膜厚度應不小于0.018 mm；A處阻焊膜厚度過厚，會導致其與鄰近待焊接焊盤高度差過大，阻礙焊料與焊盤的接觸，極易引起可焊性不良現象的發生，尤其是對于阻焊限定的連接盤的情形，因此基材上阻焊膜的厚度不應大于0.1 mm；C處的阻焊膜厚度應能覆蓋導電圖形。對于厚銅板，如銅厚大于70 μm（2 oz/ft2）以上的印制板，為保證C處阻焊膜不會出現暴露導體的情形，通常都會增大阻焊膜的印刷量，此時A處的阻焊膜厚度要求，可由供需雙方共同商定。

1.6 導電圖形尺寸

印制板導線的寬度和間距是衡量印制板加工質量和工藝能力的重要尺度；由于邊緣粗糙、缺口或露基材的劃痕使導線寬度的減小應不大于布設總圖規定的最小導線寬度的20%，由于孤立的突出、殘渣或對位不良使導線間距的減小應不大于20%；對于微波印制板有阻抗控制要求的導線，上述缺陷造成的尺寸減小應不大于10%。

2 顯微剖切要求

顯微剖切方法是評價PCB內部質量的重要手段，選取的試樣應包括3個在同一直線上的鍍覆孔（涵蓋PCB上最小孔徑的孔），并在100X的放大倍率下檢驗（仲裁檢驗放大倍率不低于200X）。需要注意的是研磨和拋光應使觀察面在孔中心±10%以內，否則將導致鍍層厚度測量結果誤差較大；鍍層分離的判定、殘銅引起的介質層厚度的減小、芯吸長度的測量，都應在微蝕之前進行評定；鍍層厚度（如鍍金層）小于1.25 μm時，顯微剖切方法的測量誤差較大，應采用其它替代方法（如X-熒光鍍層測厚儀）進行測量。

2.1 分層和層壓空洞

分層和層壓空洞都是在層壓制程中出現的缺陷，其中分層指的是基材中的絕緣層間或絕緣層與銅箔之間分離的現象，層壓空洞是指因樹脂填充不充分而出現的局部區域缺膠的現象。在受到較大的機械應力或較強的熱沖擊時，極易出現分層的擴大甚至爆板，導致失效。因此印制板不應有任何形式的分層現象，層壓空洞的出現會降低印制板的絕緣性能，其尺寸應控制在一定范圍之內。

熱應力、模擬返工或溫度沖擊試驗后，A區（鍍覆孔或微導通孔周圍0.08 mm以內的受熱區）的層壓空洞不做評定，但應進行分層的評定。因此，印制板在受熱后出現在內層銅箔和基材之間的分離現象，通常表現為狹長、規則的形貌（分離界面整齊），并時常伴有內層銅箔的變形，應作為分層進行判定不予接收；而出現在內層銅箔和基材之間的層壓空洞，通常表現為一種不規則的形貌，其在A區的尺寸不做測量，只要其延伸部分在B區（層壓評定區）的尺寸不超過0.08 mm，允許接收（見圖7）。

圖7 出現在內層銅箔和基材之間的分層和層壓空洞

2.2 樹脂凹縮和孔壁分離

層壓電鍍后的印制電路板，鍍覆孔孔壁背后的基材若未徹底硬化，在受熱后會出現局部區域繼續硬化聚合，造成樹脂從孔壁處退縮而出現空洞的現象，稱為樹脂凹縮。交收態印制板顯微剖切后，樹脂凹縮深度應不大于0.08 mm，且被評定鍍覆孔每一邊上的樹脂凹縮應不大于該邊基材累積厚度（被評定的介質層厚度的總和）的40%。由于孔壁銅鍍層與基材結合力不足，印制板受熱后造成的孔壁與基材的分離現象，會極大地降低孔壁銅鍍層的機械強度，因此不可接收。

樹脂凹縮通常表現為沿孔壁邊緣向基材方向收縮的圓弧形，鍍覆孔孔壁形貌基本保持不變；而孔壁分離現象常常伴有孔壁的變形，且分離處兩側的形貌相似對稱，呈彈開狀態（見圖8）。

熱應力、模擬返工或溫度沖擊試驗后，樹脂凹縮產生的應力只要未造成孔壁銅鍍層斷裂，可不進行判定。

圖8 樹脂凹縮和孔壁分離

2.3 層間重合度

只要印制板最小內層環寬不小于0.05 mm，即滿足層間重合度的要求，過小的內層環寬甚至破孔現象，會極大地降低鍍覆孔和內層導電圖形之間的互連可靠性。層間重合度測試不需單獨取樣，但為防止因顯微剖切的選取方向可能引起的誤判，應對兩個附連測試板（“交收態”和“熱應力”）分別沿長度（X）方向和寬度（Y）方向進行顯微剖切測試。

內層環寬的測量應在微蝕后進行，并選取印制板各層中的最小環寬，從內層孔環邊緣測量至內層連接盤與孔壁連接處，如圖9所示。

圖9 內層環寬測量示意圖

2.4 銅包覆鍍層和銅蓋覆鍍層

為保證鍍覆孔的高可靠性，樹脂塞孔工藝變得更為普遍，并對銅包覆鍍層和蓋覆鍍層提出了新的要求。銅包覆鍍層是指由孔壁鍍層延伸至表面連接盤上的銅鍍層，銅蓋覆鍍層是指覆蓋在塞孔絕緣材料和銅包覆鍍層之上的表面銅鍍層。

導通孔的銅包覆鍍層厚度應不小于12 μm，測量的位置是表面連接盤除去基底銅和蓋覆銅之后的總厚度（見圖10）。

圖10 銅包覆鍍層厚度測量圖

樹脂研磨、蝕刻或整平處理，均會造成表面銅包覆鍍層厚度的減少，但不應小于規定值的20%；銅包覆鍍層厚度不足時，會極大地降低連接盤上銅鍍層和基底銅箔之間的結合力，嚴重情況下，如過度研磨造成銅包覆鍍層厚度為零，極易在印制板受熱后，造成鍍層分離現象的發生（見圖11）。

圖11 銅包覆鍍層厚度不足引起的鍍層分離

銅蓋覆鍍層的常見缺陷是因塞孔樹脂固化不良或鍍層氧化，引起的銅鍍層空洞，以及因樹脂研磨不凈或清潔不良，引起的蓋覆鍍層與包覆鍍層之間的分離。由于樹脂塞孔不足或鏟平操作不當，引起的銅蓋覆鍍層的凸起或凹陷，應控制在一定范圍內，以降低后續焊接時，因蓋覆鍍層平整度問題可能引起的虛焊、橋連、焊點空洞等問題的風險（見圖12）。

2.5 凹蝕

圖12 銅蓋覆鍍層空洞

凹蝕默認指正凹蝕，理想情況下鍍覆孔銅鍍層和內層銅箔之間形成良好的三面連接；允許單側凹蝕陰影（凹蝕陰影未超過180°）的存在，即凹蝕應至少對每個內層導體的上或下表面產生作用，以保證可靠的連接要求，如圖13所示。凹蝕的尺寸是沿內層銅箔接觸區開始，測量至孔壁鍍層與內層銅箔的最深接觸點，最小凹蝕深度為0.00 5 mm；過度凹蝕不僅會造成孔壁異常粗糙，并且其產生的應力可能會引起內層銅箔的斷裂，因此凹蝕深度不應超過0.080 mm（宇航用為0.040 mm）或規定的最小內層環寬（兩者中取較小值）。

圖13 正凹蝕

當去鉆污使孔壁基材去除的深度小于沉銅前內層銅箔的蝕刻量時，便產生了負凹蝕。行業內常見的觀點是正凹蝕比負凹蝕更為可靠，但并不絕對，因為相比正凹蝕，負凹蝕形成的孔壁更為平滑，且不會產生應力集中點，也有觀點認為對于長期使用可靠性，負凹蝕更有優勢。因此當布設總圖未做凹蝕要求時，允許零凹蝕或負凹蝕的存在，如圖14所示。負凹蝕過度，可能會在凹蝕連接處夾雜污染物，造成鍍層空洞或鍍層分離的缺陷，因此其深度也應控制在一定范圍內（負凹蝕深度“X”應不大于0.013 mm，負凹蝕深度“Z”應不大于0.0195 mm）。

圖14 負凹蝕和零凹蝕

為避免凹蝕工藝和芯吸作用共同引起孔壁非金屬材料去除過度，造成導電圖形間絕緣和耐壓性能的降低，增大短路風險，由凹蝕和芯吸引起的介質去除量的總和，不應超過最大凹蝕允許量與最大芯吸允許量（0.08 mm）之和，如圖15所示。

圖15 凹蝕和芯吸引起的介質去除深度

2.6 去鉆污

附著在內層孔環上的樹脂鉆污，會破壞鍍覆孔孔壁與內層導電層間的互連性，增大開路風險，因此熱固性樹脂基材印制板鍍覆孔應清潔、無樹脂鉆污。去鉆污和凹蝕是兩個互為關聯，但又相互獨立的工藝；凹蝕工藝通常伴有去鉆污的過程，但去鉆污卻不一定會產生凹蝕效應。與凹蝕工藝相似，為避免鉆污去除過度造成孔壁異常粗糙，針對僅做去鉆污處理未作凹蝕的印制板，去鉆污使孔壁徑向除去材料的深度應不大于0.025 mm。

因為材料特性原因，熱塑性樹脂基材印制板允許內層導體層處鉆污殘留不大于內層導體厚度的25%，但不允許內層導體層與孔壁鍍層分離。對于上述樹脂鉆污和鍍層分離的準確區分，可行的方法包括兩種，首先是對形貌進行觀察，相比樹脂鉆污，鍍層分離的界面更為整齊對稱，并且樹脂鉆污通常會填滿分離面，而鍍層分離的位置往往在微蝕后表現為空洞狀態，如圖16所示；更進一步的方法是借助能譜分析的方法進行確認，鉆污處非金屬材料成分應與基材處相同。

圖16 樹脂鉆污和孔壁分離

當發現內層導體存在樹脂鉆污時，應做水平切片進行仲裁，鉆污累積長度未超過孔環周長的33%（120°）可接收，如圖17所示。

圖17 水平切片仲裁樹脂鉆污（不可接收）

3 結語

所謂“基礎不牢，地動山搖”，軍用印制板標準是保證軍用電子設備用印制板產品獲得最優質量的基本保證。因此，熟練的掌握標準要求，靈活的應用標準制定更為嚴格、適用的產品鑒定和驗收規范，也是供需雙方協作共贏，實現最大經濟效益的保證。