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HDI线路板爆板真正原因分析及预防

文章来源:电子发烧友作者:龚爱清 查看手机网址
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人气:6609发布日期:2016-01-25 09:49【

    摘要:爆板是HDI线路板一种最常见的品质可靠性缺陷,其成因复杂多样,在电子产品的无铅化焊接工艺中,随着焊接温度的提高和焊接时间的延长,在热量增加的情况下,PCB爆板发生率剧增。本文通过理论和务实做法试从HDI线路板设计、材料选择、加工过程等方面进行归纳总结,并提出简单可行的解决方案。

    一、前言

    随着欧盟RoHs法令的实施,组成电子产品的印制电路板、电子器件、组装焊料等全面进入无铅化时代,电子组装工艺发生巨大变化。应用多年的63/37锡铅焊料已被Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等无铅焊料替代,其熔点由183℃剧升到217℃以上,回流焊接温度由220℃升高到250℃,且焊接时间延长20秒以上,焊接热量的剧增给电路板、电子元器件等的耐热性能提出了更高的要求,在焊接的过程中,爆板(Delamination)是电路板最常见的可靠性缺陷之一。本文通过理论分析和务实做法试从PCB设计、材料选择、加工过程等方面对爆板进行归纳总结,以期找到简单可行的解决方案与同行共勉。
    二、爆板的成因及解决方案

    造成HDI线路板焊接过程爆板的成因众多复杂,我们从PCB设计、材料选择、焊接曲线、加工过程(包括棕/黑化、压板、烤板、钻铣成型、阻焊退洗、及过程吸湿管理等)等四方面对其爆板现象、形成原因和解决方案进行归纳总结。

    (一)材料耐热性能不足型爆板

    1.成因分析

    (1)上述两个爆板案例主要发生在高层板结构中,爆板的位置相对比较固定。爆板的主要位置发生在BGA Pitch间距较小及BGA 密集区域位置。

    (2)无铅焊接的Profile峰值温度较传统锡铅焊接平均高出34℃(锡铅焊料熔点为183℃,而无铅焊料熔点最低为217℃),对材料的耐热性提出更高要求。锡铅焊料在Reflow 时的峰温平均为225℃,波焊峰温平均为250℃,而无铅焊料的Reflow峰温需提高到245℃,喷锡及波焊温度需提高到270℃,且Reflow 的平均操作时间延长20s以上,焊接热量的剧增,对PCB板的损伤加剧。

    (3)Z-CTE膨胀太大,在高温焊接受条件下,Z轴膨胀过大导致爆板。

    2.解决方案

    为应对无铅化对PCB板的耐热性能的挑战,IPC-4101B/99针对“无铅FR-4”增加了四项新要求,要求Tg≥150℃(玻璃化转变温度)、Td≥325℃(热裂解温度)、Z-CTE≤3.5%(50—260℃)和T288≥5min。因此,建议在耐无铅工艺的材料选择时应优先选择满足上述要求的材料,同时在配方方面建议优先选择有填料(Filler)和酚醛(PN)硬化的材料。

    (二)设计不良型爆板

    设计不良造成的爆板主要有三种类型:

    1.叠板结构不合适,内层板的铜厚和填胶量计算不正确。实践证明,半固化片的胶含量应足够,特别是低树脂含量的7628PP,使用时更应详加计算。我们的经验是压合后奶油层厚度应大于等于0.25mil;

    备注:奶油层厚度=(PP总厚度-填胶厚度-玻璃布厚度)/2

    2.内层板阻流块设计不合适,常见的阻流块设计有三种:铜条结构、“城墙”结构和圆形Pad设计(如下图),设计时应根据实际情况试验确定;

    3.孔设计和编号孔设计不良。板边过多的工具孔设计(工具孔一般为3.2mm)在压合时不能被充分填胶而导致空洞,后工序易藏药水而导致爆板。另外,编号孔也存在同样的影响。因此,建议在设备购买时应选用一致的对位系统,以减少板边的Tooling孔数量。

    (三)加工过程控制不良型爆板

    1.棕黑化不良型爆板

    (1)成因分析

    棕化的反应机理是:2Cu+H2S04+H 202+nR1+nR2→CuSO4+2H20+Cu(R1+R2)

    在棕化槽内,由于H2O2的微蚀作用,使基体铜表面立即沉积上一层簿薄有机金属膜。增加PP与铜面的结合力。此类分层的主要原因是棕化面的微观粗糙度不良,压合后测试结合力差而导致爆板。另一方面,棕化膜的耐热性不足者,在多次压合(如2+N+2结构HDI板)产品中常发生内层一次压界面处分层。

    (2)改善建议

    良好的维护保养和稳定的药水控制,是解决此类爆板的关键,应尽量避免药水换槽时不彻底(常见的做法是排一部分保留一份)或不按时更换药水。其次棕化水质的氯离子控制也很重要,过高的氯离子会严重影响棕化效果。另一方面在药水供应商选择时,需评估棕化的耐热性能,取多次压合的样板进行测试评估。

    2.压板不良型爆板

    压板不良型爆板是负责压板工程师最熟悉的一种类型,压板工序造成爆板的原因很多。这里只对固化不足型缺陷进行分析。

    (1)原因分析

    压合固化不良型爆板一般不容易被怀疑,压合程式一旦设定好,就很少去更改了,但在最初程式设定时因为试验条件的不同,评估好的程序有时却出现问题。我们对失效的PCBA进行△Tg测试发现,当△Tg 值大于3℃时即存在较高的爆板风险。以下是失效PCBA的△Tg测试值:样品测试条件Tg1 Tg2 △Tg参考值PCBA A态138.95 144.21 5.26 △Tg≥3℃

    (2)改善措施

    压合是PCB制造的最重点工序之一,压合过程的管理,定期的料温测试和△Tg测试是必须的。或者适当延长压板周期,确保板子充分固化。另外建议程式设定时采取高温卸压,释放板子在高温高压固化时产生的内应力。

    3.钻铣不良型爆板

    钻铣不良型爆板常发生在密集孔区和板边位置,其成因主要是钻铣加工过程中的机械应力影响。实践中解决这类问题的方法主要有:

    (1)在BGA等密集孔区,钻孔时除参数应优化外,最好能够采取跳钻;

    (2)钻孔后的烘板处理对预防爆板有一定的帮助;

    (3)发生在板边的爆板一般与成型铣板有关,应控制铣刀的寿命和叠板块数。

    (4)高TG、无卤素在钻大孔径时出现的爆孔一定跟上下刀速、转速有关!

    4.棕化耐高温性差(压机程式设定不良)导致的爆板在随着材料的应用中,制程改善和耐高温性要求材料的Tg不断提高,固化时间的延长和固化点温度的提高对棕化的耐高温性提出了挑战,普通的材料固化温度要求在170℃左右,也就是说我们的实际压板料温必须保证在170℃以上保证20-30min,那么最高温度也就一般控制在185℃以下,这时的棕化层颜色比较正常,棕化层完好无损,自然棕化层与半固化片的结合力也就达到理想的状态。反之则棕化层颜色变红、脱落,棕化层与半固化片的结合力破坏,导致分层!针对无卤、HTG材料固化温度的提高,以及固化时间的延长,要求实际压板料温必须保证在185℃以上保证60-90min,那么最高温度也就会随着时间的延长而增高,一般的棕化药水耐高温连接点在195-200℃之间,所以我们的压板料温在程式设定的时候就必须考虑最高温度及压板的时间,既要保证材料充分固化,又要保证棕化层在高温下不被侵蚀。改善方案:定期测试料温,根据天气的变化,热煤油的导热性能而调节程式!

    5.烤板过度型爆板线路板生产过程中很多工序都涉及到烤板,一是为了加强固化,而是为了赶走水气,一般的烤板温度设定都较板材的Tg值高出5℃左右,时间则要根据实际情况而定,如果是加强固化,则长点;赶走水气,则相应短点。如果温度设定超出板材Tg值很多(20℃以上),则很容易导致板材炭化,棕化层变色。eg:普通tg的板件,本应用150℃烘烤4小时,如果设定170℃烘烤4小时,则一定会发生板材炭化型爆板;Htg板件,本应用175℃烘烤5小时,如果设定175℃烘烤8小时,则板材也会发生炭化,棕化层变色,导致分层。

    6.腐蚀型爆板线路板基材、半固化片等很多材料都是由“胶”组成的,那么使用强酸(CP浓硫酸)可以对胶迹进行去除!直接从表层 渗入里面进行除胶渣!使用强碱浸泡可以使基材松透,这就是平时我们在退洗阻焊时浸泡时间过长导致基材出现织纹显露的原因!

    7.过程吸湿型爆板

    过程吸湿管理是PCB制造过程重点,这类爆板常发生于绝缘层中间,没有明显的缺点特征。为预防因吸湿造成的爆板,我们建议:

    (1)应选择吸水率相对低的材料;

    (2)PP储存车间与叠板车间要求有温湿度控制管理,若PP在冷库中储存,使用前应做解冻(回温)处理;

    (3)半成品过程存放时间不能太长,特别是内层生产过程中的尾数板管理(我们的试验证明,在常温没有湿度控制的环境中,内层板存放7天再压合,爆板的发生率就非常高);

    (4)成品板的包装不良也是PCB吸湿爆板的重要影响因素。
    三、结论

    通过以上分析可以得出以下结论:影响分层爆板主要原因与PCB设计、材料选择、加工过程、焊接Profile 等有较大的影响。从实验的结果来看,通过优化设计,选择耐热性能较好的板料,加强过程品质控制及优化焊接温度,分层爆板可以得到有效的改善。

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