无铅焊接爆板问题预防与改善

 

 摘  要:爆板也叫分层,是PCB 制造与装配一个常见问题,在有铅焊接也经常出现,涉及影响因素很多,板材,PCB 制造过程和装配过程都存在一定影响因素。目前,业界已普遍采用无铅焊接,爆板问题更为突出。如何防范该问题的发生,必须从各个环节进行预防与改善。本文根据日常经验进行整理,供大家参考。

  关 键 词:无铅焊接爆板应力粘结强度耐热性

  一、前言

  无铅焊接的机理与锡/铅焊接的原理基本上是一样的,都是焊接的过程中,熔融的焊料与焊接衬底接触,在界面上形成一层金属间化合物(IMC)。无铅焊接,对PCB 而言,要求装配用焊料及助焊剂中铅含量应低于0.1wt%,且不含其它有害元素;目前无铅装配行业常用SAC305 焊料,其熔点为217℃,它比长期以来使用的传统型锡铅(Sn/Pb)焊料的熔点约高出34℃。在印制电路板上组装电子部件时,为了在使用无铅的SAC 焊料中,获得良好的焊接质量,使得其波峰焊焊峰的温度及再流焊的加热温度,都有了较大幅度的提高。Sn63/Pb37的回焊温度峰值一般在210℃~230 ℃,波焊250℃ 左右;SAC 回焊峰值一般在235℃~245℃,波焊270℃左右,无铅焊接温度大约提高20℃~30℃,工艺窗口缩小,而且熔点以上时间也多出50S。PCB 板材受热量大增,图1 为无铅回流焊与有铅回流焊PCB 受热对比图,无铅回流焊(红色区域),其焊接时热量远远比有铅焊接(蓝色区域)多,对PCB的可靠性带来了诸多不利影响,爆板问题更为突出。如何防范该问题的发生,必须从各个环节进行预防与改善。

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  二、爆板概念

  爆板也叫分层,其机理是PCB 内部产生不同压力,撑开层间结合,使层间出现分离问题。产生不同压力的来源一般有两种,一是PCB 吸湿,高温下水分蒸发,内部产生不同压力;二是焊接过程中,温度不均匀,传热不均匀,元器件和构成PCB 的复合材料热膨胀系数不一致,在PCB 内部产生不同压力。按分层界面划分,爆板有如表一的四种情况:

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  图1 目前业界通常的爆板是指分层和起泡,IPC 标准对于分层与起泡作了如下表二的定义

表二

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  从图片说明可以看出,起泡与分层的区别为,起泡在板表面上看出“隆起”,而分层只在板表面上看出“泛白”,但不出现“隆起”现象。在严重情况下,两种情况会同时存在于同一板上。PCB 爆板产生“泛白”如下图2, “隆起”如下图3。

  图2 PCB“ 泛白” 图3 表面“隆起”

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  三、无铅焊接爆板原因

  根据爆板机理,引起无铅焊接爆板问题的因素主要有板料,PCB 制程和无铅装配过程等三方面, 具体请看图4.

  图4 爆板问题分析图

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  一)、板料

  1、树脂耐热性问题,板料是由环氧树脂,增强材料,填充剂所组成。环氧树脂是一类高分之化合物,目前使用比较多的有以下两种环氧树脂一是双酚A 型环氧树脂,典型的化学结构为:

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  一是酚醛环氧树脂,以下为苯酚型酚醛环氧树脂树脂的化学结构:

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  从以上两种环氧树脂的的化学结构可以看出,酚醛环氧树脂结构中含有2 个以上的环氧基(归属于多官能团环氧树脂),固化后交联密度高,刚性变强,产品的耐热性等都会相对提高,抗强热冲击的能力也较强。环氧树脂本身是一种热塑性高分之预聚物,只有加入固化剂,使之交联形成网状立体结构,才能体现出各项优良性能。目前主要固化剂有Dicyandiamide(Dicy) 及PhenolicNovolac (PN) 与Bisphenol-A Novolac(BN)等三种,前者因其具有极性因而容易吸水耐热性较差,但其价格便宜,而且其架桥能力,对树脂本身的团聚黏合力比较强;后两者极性小耐热性也较好,但脆性增加,相比之下,对铜箔及玻璃布附着力下降。

  2、板料Tg 值问题,示差扫描量热法(DSC)为测量板料Tg 值最为常用的方法。DSC 工作原理为:在规定大气压下将一个试验样品和一个参考样品(对热相对稳定的物质,没有任何热效应)放置在程控温度下,DSC 通过在一恒定升温速率下测定两者的热流量(能量)差得出与温度和(或)时间的函数。对于每一次测量,通常的操作是记录下一条曲线,温度或时间画在x 轴上,热流量(能量)差画在y轴上。从DSC 测试曲线来看(如下图5)

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  图5 DSC 测试曲线示意图

  ab 段样品盘和参比盘近似达到一恒定热差,曲线平稳;进入bc 段时,样品吸收大量热量完成玻璃转化,升温缓慢,与参考盘的温差加剧,DSC 曲线向吸热方向移动,表现出倾斜陡坡;进入cd 高弹态后,温差又达到恒定。在ab 和cd 区域各作一条切线,DSC 曲线两切点连线中点对应的温度即为Tg 值。Tg 值越高,“玻璃态”转变成“橡皮态”的温度越高,板材愈耐温而不易变形,对耐热性有一定的贡献。

  3、热分解温度(Td),Td 说明高温强热下,聚合不足的小分子,挥发物,和某些高沸点溶剂将逐步逸走,而导致重量减轻,造成树脂基体出现小裂口,并逐步扩大而形成爆板问题。采用TGA 检测时在失重5%的温度即称为Td,这是衡量板材耐热性能的一个主要参数,Td 越高,材料耐强热冲击性越好,爆板几率越小。

  4、热分层时间(包括T260、T288 和T300),采用TMA 法将板材逐步加热到260℃、288℃,或300℃之定点温度,然后观察板材在强热环境中,界面结合处的粘结强度,能够抵抗板厚在Z 轴方向膨胀产生应力多久而不致分离,此种忍耐时间即定义为“耐热裂时间”。该时间越长,耐分离的效果越好。是材料耐热性、CTE、内层结合力、玻纤和树脂结合力、填料与树脂结合力综合作用表现出来的结果。从覆铜板厂家提供板料DATASHEET 归纳出,Td 与T288 的关系整体上是同步增长的,也就是说,Td 增加,T288 必然增加。

  5、Z-CTE[包括a1CTE、a2 之Z-CTE 和总的膨胀率(50℃~260℃)],指各种物质每升高1℃所出现的膨胀情形,在无铅焊接的强热环境下,即使Tg 值为1700C 板材也早已进入α2 的橡胶态很久(约100sec 以上),使其Z-CTE 大增到接近300ppm/℃,这是板材在强热环境下出现爆板的重要原因。

  6、板材吸水率问题:根据有关资料,在220℃水蒸气压约340psi,在230℃水蒸气压约400psi, 在260℃水蒸气压约700psi。以下为蒸汽压与温度的关系图:

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  图6蒸汽压与温度关系图

  从上图可以看出,在高温情况下,蒸汽压随着温度的上升几乎直线上升。板材吸水后,水气扩散到板件内部时,就开始在材料界面结合处聚集凝结。在无铅高温焊接过程中,板件内部结合处的蒸发压成倍增加,进而在板件内部产生不同应力,撑开层间结合,产生爆板问题,无铅焊接温度的提高和高温时间的延长对板材的的吸水率提出了更高的要求。

  二)、PCB 制程问题:

  1、层压前:

  1) 、半固片受潮吸水,半固化片吸水后,即使在真空条件下被吸附的水分也只有少部分被抽掉,说明吸附水分部分为物理吸附,部分为化学吸附。吸水后影响树脂流动度和固化度,将加速环氧树脂的聚合,影响树脂的固化,削弱层间粘结强度,使PCB 板抗强热冲击的能力下降,引发爆板问题。

  2)棕化有机金属沉积不良,棕化此种有机金属的作用是粗化金属铜面,增加融熔树脂流动时对铜箔的有效湿润性,使流动的树脂有充分的能力伸人氧化膜中,固化后展现强劲的抓力,并阻绝高温下液态树脂中固化剂分解铜面的影响,提高多层板间铜面与半固化片的粘结强度。如果沉积不良, 在层压高温高压条件下,半固化片高分子裂解的有机物将直接攻击铜面产生水分,在后继强热冲击下,水分蒸发,PCB 内部产生不同压力而产生爆板问题。棕化后板面受污染,使棕化有机皮膜失效, 降低铜面与半固化片的粘结强度。

  2、层压

  1) 、玻纤与铜层直接接触,如右图7。多层板半固化片与内层芯板的之间粘结主要是通过半固化片的树脂与铜箔完成的,而玻纤布是一种增强绝缘材料,基本是没有粘结性能。层压过程中出现玻纤与铜直接接触,层间的粘结强度将急剧下降。此问题的原因主要有,层压过程中预压压力偏高,生温速率过快,压力不均匀。当然与半固化片的含胶量不足也有很大关系。

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  2)、层间空洞,层压过程是一种加成型聚合反应,但由于高分子化合物吸湿性及多种因素,固化过程有一些水分、低分之物存在,因而需要增加压力排除这些水分、低分之物,如果预压周期太长,即施全压太晚,水分和挥发份排除不彻底,间隙未被树脂充满,便会在多层板内产生空洞等缺陷,留下爆板的稳患。

  3)、固化不足,层压前半固化片中的聚合物是半固化(B 阶段)的树脂,需要在压板热压中进一步固化,使半固片中的树脂彻底完全聚合。板料在热压过程中温度/时间不够,将严重影响聚合物分子间的交联反应进行的程度,板料中存在的极性基团较多,从而也使得板料极易吸水,成为爆板的一个诱因。业界一般采用△Tg 作为衡量固化度的指标,一般认为≤3°C 固化才充足。

  4)、残留热应力,PCB 板主要材料树脂,玻纤布,铜箔,热膨胀系数分别为:85ppm/℃左右、5ppm/℃左右和16.8ppm/℃左右,环氧树脂的膨胀率是玻纤布的几十倍,是铜箔的五六倍,使其交界处产生热应力,当温度越高其产生应力差异也就越大,而应力越大,生产过程中如果没有有效释放,层压后板件的a2 之Z-CTE 和50-260℃总的Z-CTE 就越高,越容易产生爆板问题。层压过程一方面在固化过程中,一些分子键段的自由能还没有降到最低时就已经被冻结,这种热应力会在高温恒温时被部分消除,另一方面,在降温过程中,一些分子链段的自由能需要在高温下慢慢降低,但快速的冷却使其被冻结,使其热应力无法得到释放

  5) 、残留杂物,与棕化后板面受污染的影响基本一致。

  3、后制程固化

  PCB 基础原材料的板料,本身有一定的吸水率,多层板经过层压后,还必须经过孔金属化,图形转移,蚀刻,表面处理等一系列湿制程工序,引起板件吸湿问题,因而需要热固化去湿。在一般加工流程中,有阻焊后固化和字符后固化两个相对独立的固化过程,受阻焊油墨和字符油墨本身特性影响,有UV 光固化和热固化两种,UV 光固化将难以有效去潮。

  4、储存和包装

  真空包装并采用水汽传送率低的包装材料,和优良的存储环境(合适的温/湿度),可以有效减少水分的存在,进而减少板件对水分的吸收。

  三)、焊接问题

  强热冲击,导致板件内部产生过大的应力,是爆板的外部诱因。焊接的过程本质上是一个热量传递的过程,在这个过程中,影响因素众多,根据美国ACI研究院EMPF中心的研究结果,回流焊接的加热模型可以简化为: Tt-Ti=(Ts-Ti)(1-e-1/RC), 式中: Tt一当时间为t时,PCB的温度;

  Ti— PCB的初始温度;

  Ts—加热环境的温度;

  R—传热的热阻;

  c—PCB的热容。

  其中,热阻R 与回流焊炉的传热效率及PCB 的结构特征有关,热容与PCB 的材料特性有关。加热区的设定温度越高,单位时间内PCB 的温升(Tt-Ti )越高。在无铅高温焊接过程中,板件内部水分等物质将急剧蒸发膨胀产生的蒸汽压将比有铅焊接升高一倍以上,引发爆板问题。

  对于升温速率过快问题,组成PCB 的复合物中,膨胀系数(CTE)差异较大,PCB 在X.Y.方向受到有玻纤布的钳制,以致热胀系数(CTE)不大,约在12-15ppm/℃左右,但板厚Z 方向在无拘束下将扩大为80-90ppm/℃,而铜的CTE 为16.8-ppm/℃,片状陶瓷的CTE 为6p pm/℃,在相同温度下,膨胀系数相差为几倍到十几倍,在温度快速上升时,由于板件有一个热传导时间,如果时间不足,内层板间温度不一致,同一层间或者不同层间膨胀产生应力的差别将增加,产生拉扯作用,导致内层分层。

  局部过热问题,回流焊设备控温能力差;内部循环效果差;炉内各点温差大。其结果势必造成板上各点温差大,热量差异大,引发爆板产生分层的原理也基本类似。

  四)、其它:

  设计的影响:铜厚/板厚增加,组成PCB 板复合材料的膨胀系数差别进一步加大,而且对焊接过程的热传导产生负面影响,造成局部温差大,而导致爆板的发生。另,如果设计有密集的BGA 或大型的元件,则元件在回流过程将吸收更多热量,有可能造成局部过热,而导致爆板的发生。

  四、业界相关标准对爆板的要求:

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  从对爆板的要求看,基本上都有数量级的要求,但爆板一出现,其范围将难以控制,因而关键是做好预防与改善。

  五、预防与改善

  选择最好的材料,最贵的制程,可以预防与改善爆板问题的发生。例如Tg 高的板料,价格一般比较贵、PCB 热压时间一般要求较长,成本增加。根据管理上的金三角模型,企业竞争主要围绕服务、质量、成本三个方面进行。特别是在目前金融危机环境下,在爆板问题上,有所取舍,对各方面的影响因素进行细化,寻求预防与改善。

  一)、板材方面

  提高板料Td,可以有效预防爆板,并延长热分层时间。通常提高Td 的做法是采用多官能酚醛环氧树脂取代传统的双酚A 型环氧树脂,并将固化剂由原来极性较强容易吸水的Dicy 改为极性较小不容易吸水的PN 固化剂,但此种改变将使板料刚性变强,脆性变大,铜箔与玻纤布的附着力也很差,增加PCB 板的加工难度。添加填料的板材其Z-CTE 普遍降低,耐热性上升,有利于改善爆板问题,目前填料主要以SiO2 和Al(OH)3 为主,但由于填料本身刚性、脆性都比树脂大,对PCB 制程的钻孔、外性、除胶渣、与PTH 甚至其它湿制程,以至成品最终的品质都会带来极大的影响。目前,业界在无铅焊接板材选择方面建议如下:

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  二)、PCB 制程方面

  1、半固化片的储存控制,应该做好防潮措施,和有效存储环境,期限的控制,此方面主要可以参照供应商提供的资料和内部相关的试验数据进行管控。

  2、棕化有机金属沉积的管控,除了选择品质优良的棕化药水,此种棕化药水一般必须具备两方面的品质,一是要是抗撕强度≥4lb/in,二是在后继层压过程由于采用耐热性能良好的板材,在压合时需要用到更高的温度和压力,金属基不出现脆断。对过程参数彻底量化,应用SPC 每天监控, 每周趋势分析,每月总结评价。并对棕化层的污染进行严格控制,例如隔板纸不混合使用、定期清洗,棕化后板件不允许拿板入板内和控制叠板间的洁净度等。

  3、层压制程,无铅焊接的板材,为了提高耐热性能,在双酚A 型环氧树脂的基础上添加了多官能酚醛环氧树脂和PN 固化剂,以及添加SiO2 等,其黏度和高温聚合固化时间都将增加,必须对升温段,升温速率和加压时机等条件进行重新调整,使半固化片聚合固化完全,并避免产生流胶过大和层间空洞等缺陷。另外,由于一些分子链段的自由能需要在高温下慢慢降低,因而也需要调整层压程序降温速率、降低板件出料温度,释放热应力。因而必须根据结合供应商提供的参考层压曲线结合内部压机的情况,进行重新设计层压曲线。采用厚铜/厚板试压后进行△Tg,Td,T288,Z-CTE, 热应力,抗老化,模拟焊接条件等耐热性的测试,确认层压曲线是否合适。并对生温速率,温度均匀性,压力均匀性等关键指标定期较验,确保压机状态正常。

  4、后制程烘板,阻焊油墨采用低于Tg 值但高于水沸点的温度烘板,从而赶走板件在蚀刻、电镀、阻焊油墨等湿制程药水浸泡吸潮;字符油墨采用135°C,60min 的条件进行烘板,赶走沉金等各种表面处理过程中药水浸泡吸潮;包装前采用125℃、2 小时条件烘板,进一步消除累积应力及赶走水气。

  5、储存和包装,ISOLA对成品PCB的包装、储存等要求,建议:成品板包装除真空包装外,使用的包装材料水汽传送率WVTR(TheWater Vapor Transmission Rate)应≤0.02g/100in2/24hr;成品PCB在环境温度<30℃湿度<60%RH 中露置总时间不应超过168 小时。

  三)、焊接方面,选择良好的板材和PCB制程合适的工艺加工条件,日常监督管理,是防范爆板问题发生的关键,再加上下游焊接的共同努力,将使无铅焊接爆板问题不再是困乏业界的难题。

  1、前处理:组装前在125 ℃中烘烤2 hr,以消除累积应力及赶走水气(最好在N2 烤箱中进行)。

  2、回焊曲线:无铅回流焊曲线采用有鞍型,即在约130℃-170 ℃范围内,有一保温或平缓升温段以确保PCB/元件预热饱和,避免因为急剧加热造成的PCB/元件吸热差异,受到热冲击过大。对于保温时间,参考PCB层压热传递过程,当厚度为1.6mm的同一块板件,保温时间≥120sec才能使板中间与板面温度一致,因而对于双面受热的焊接过程,保温时间必须≥60sec;对于生温度速率,为使板件均匀受热升温速率不超过2.5℃/sec,最好是在1.5℃/sec以内。

  3、回流焊炉不论是用热风加热还是用红外加热,均必须保证循环充分、热均匀性好,且各个区段不会互相干扰,以确保PCB板上各点温差ΔT<5℃。

  4、回流焊峰值实测温度不超过245℃,以减少高温对PCB及元器件带来的伤害。

  5、对于一般无铅波峰焊采用水基助焊剂,为了充分地将水分挥发掉,PCB 预热温度也要相应提高,一般为100-130℃,为了使PCB 内外温度均匀,预热区要加长,使其缓慢升温,保温时间≥60sec。焊接时间为3-4s,两个波之间的距离要短一些,波峰焊峰值实测温度不超过265℃。

  参考文献:

  1、辜信实主编《印制电路用覆铜箔层压板》

  2、袁欢欣《层压板热压释放残余应力对多层印制板品质的改善》2008 中日电子电路秋季大会既秋季国际PCB 技术/信息论坛

  3、白蓉生《无铅焊接与板材选择》4、冯志刚,郁鼎文,朱云鹤《回流焊工艺参数对温度曲线的影响》电子工艺技术2004年11月第25卷第6期

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