PCBA再流焊接中的爆板分析與改善

　前言

隨著電子產(chǎn)品向多功能、高密度、微型化、三維等方向發(fā)展，大量微型器件得以越來越多地應(yīng)用，這就意味著單位面積的器件I/O越來越多，發(fā)熱元件也會(huì)越來越多，散熱需求越來越重要，同時(shí)因眾多材料CTE不同而帶來的熱應(yīng)力翹曲變形使得組裝失效風(fēng)險(xiǎn)越來越大，隨之而來的電子產(chǎn)品的早期失效概率也會(huì)越來越大。

因此，PCBA的焊接可靠性變得越來越重要了。下面介紹再流焊接中的爆板的缺現(xiàn)象及其改善方法，供大家參考。

1.再流焊接中的爆板現(xiàn)象

1.1 爆板的定義

⑴ 定義：在再流焊接(特別是無鉛應(yīng)用)過程中，發(fā)生在HDI積層多層PCB第二次壓合的PP層和次層（L2）銅箔棕化面之間的分離現(xiàn)象，我們將其定義為爆板。如圖1.1-1.2所示。

圖1.1 爆板位切片（1）

都被拉裂。 圖1.2 爆板位切片（2）

從切片分析，爆板的位置均發(fā)生在L1-L2層埋孔密集的區(qū)域；沒有發(fā)現(xiàn)雜物或其他異常情況；切片顯示板件發(fā)生爆板非常猛烈，有些第二層線路都被拉裂。

　1.2 影響爆板的因素

⑴ 有揮發(fā)物的形成源是產(chǎn)生爆板的必要條件

① 吸濕問題

下面通過水在PCB中的存在形式，水汽擴(kuò)散的途徑和水蒸汽壓力隨溫度的變化情況，來揭示水汽的存在是導(dǎo)致PCB爆板的首要原因。

PCB中的水分主要存在于樹脂分子中，以及PCB內(nèi)部存在的宏觀物理缺陷(如空隙、微裂紋)處。環(huán)氧樹脂的吸水速率和平衡吸水量，主要由自由體積和極性基團(tuán)的濃度決定。自由體積越大，初期的吸水速率就越快，而極性基團(tuán)對水具有親和性，這也是環(huán)氧樹脂具有較高吸水量的主要原因。極性基團(tuán)的含量越大，平衡吸水量也就越大。綜上所述，環(huán)氧樹脂初期的吸水速率是由自由體積決定的，而平衡吸水量則是由極性基團(tuán)的含量來決定。

一方面，PCB在無鉛再流焊接時(shí)溫度升高，導(dǎo)致自由體積中的水和極性基團(tuán)形成氫鍵的水，能夠獲得足夠的能量在樹脂內(nèi)做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。水向外擴(kuò)散，并在空隙或微裂紋處聚集，空隙處水的摩爾體積分?jǐn)?shù)增加。

另一方面，隨著焊接溫度的升高，使水的飽和蒸汽壓也同時(shí)升高，如表1.1所示。

表1.1 水蒸汽的蒸汽壓

由表6.1可見，在224℃時(shí)水蒸汽的飽和蒸汽壓為2500kPa；在250℃時(shí)水蒸汽的飽和蒸汽壓為4000kPa；而當(dāng)焊接溫度升到260℃時(shí)，水蒸汽的飽和蒸汽壓甚至達(dá)到5000kPa。當(dāng)材料層間的粘合強(qiáng)度低于水汽產(chǎn)生的飽和蒸汽壓時(shí)，材料即發(fā)生爆板現(xiàn)象。因此，焊接前的吸潮是PCB發(fā)生分層、爆板的主要原因之一。

② 存貯和生產(chǎn)過程中濕汽的影響 HDI積層多層PCB是屬于潮濕敏感部件，PCB中水的存在對其性能有著異常重要的影響。例如：

(a)存放環(huán)境的濕汽會(huì)使PP(半固化片)的特性發(fā)生明顯的變化；

(b)在無防護(hù)情況下，PP極易吸潮，圖1.3示出了PP在相對濕度為30%、50%、90%條件下存放時(shí)的吸濕情況；

圖1.3 PP的存貯時(shí)間與吸濕率的關(guān)系顯然，靜態(tài)放置下隨著時(shí)間的推移，PCB含水量會(huì)逐漸增多。真空包裝的吸水率比無真空包裝的吸水率，隨著暫存時(shí)間的增加其吸水率的差異，如表1.2所示。

表1.2真空包裝與無真空包裝吸水率的比較

c) 濕汽主要是入侵樹脂體系中各種不同物質(zhì)之間的界面，存在著水對界面的沖擊。

③ 吸潮的危害

(a) 使PP的揮發(fā)物含量增加。

(b) 水分在PP樹脂中存在，減弱了樹脂分子間的交聯(lián)，造成板的層間結(jié)合力下降，板的耐熱沖擊能力削弱。多層板在熱油或焊料浴、熱風(fēng)整平中易發(fā)生白斑、鼓泡、層間分離等現(xiàn)象。

⑵ PP與銅箔面粘附力差是產(chǎn)生爆板的充分條件 ① 現(xiàn)象描述 從切片分析可知，爆板位置均在二次壓合pp和銅箔接觸面(棕化面)之間，壓合疊層結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。

圖1.4 HDI積層多層板無鉛再流中爆板常發(fā)位

銅在金屬狀態(tài)時(shí)是一種非極性物質(zhì)，因此許多粘合劑對銅箔的粘附力極小。銅箔表面若不經(jīng)過處理，即使使用性能優(yōu)良的粘結(jié)劑也不能使其具有充分的粘附力和耐熱性。

早期對銅箔表面進(jìn)行棕化處理方法是：通過化學(xué)處理使銅箔表面形成紅褐色的氧化亞銅(Cu2O)。它與樹脂層壓基材板粘結(jié)時(shí)，雖然常溫時(shí)粘附力增加了，但在200℃附近會(huì)產(chǎn)生剝離。這是由于Cu2O對熱不穩(wěn)定，經(jīng)過加熱與銅箔之間產(chǎn)生剝離。

60年代日本東芝公司的研究者們發(fā)現(xiàn)，用特殊的化學(xué)溶液處理后，在銅箔表面形成的黑色天鵝絨狀薄膜(CuO)，結(jié)晶較細(xì)密，且能牢固地粘附在銅箔表面上，熱穩(wěn)性也很好，這就是后來普遍使用的黑化工藝。

90年代中期，歐、美等使用一種新型多層板內(nèi)層導(dǎo)電圖形化學(xué)氧化的新型棕化工藝，取代傳統(tǒng)的黑化工藝，已在業(yè)界普遍使用。

② 棕化增強(qiáng)粘附力作用機(jī)理

新型棕化工藝，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是：

2Cu + H2SO4 + H2O2 + nR1 + nR2 → CuSO4 + 2H2O + Cu(R1 + R2) 圖1.5基板銅箔棕化后SEM圖(×3000)

在棕化槽內(nèi)，由于H2O2的微蝕作用，使基體銅表面形成凹凸不平的微觀結(jié)構(gòu)，故能得到相當(dāng)于6～7倍未處理過的平滑銅表面的粘合面積。同時(shí)在基體銅上沉積一層薄薄的與基體銅表面通過化學(xué)鍵結(jié)合的有機(jī)金屬膜，基板銅面棕化的SEM圖，如圖1.5所示。且粘合劑進(jìn)入凹凸部后，也增加了機(jī)械嚙合效果。

圖1.5基板銅箔棕化后SEM圖(×3000)

③ 影響棕化效果的因素

棕化質(zhì)量和效果，處決于其工藝過程參數(shù)控制的精細(xì)化，例如：

(a) 選擇配方先進(jìn)的藥水：

表1.3示出了使用Atotech棕化藥水和Rockwood藥水，對Htg材料再流次數(shù)測試(再流時(shí)間10sec)的對比數(shù)據(jù)。

表1.3耐再流焊接試驗(yàn)

使用Atotech 藥水棕化層粗糙度大，棕化層結(jié)合力可以耐受12次無鉛再流溫度不爆板。

(b) 加強(qiáng)生產(chǎn)過程中槽液成分的監(jiān)控。 (c) 棕化(或黑色氧化銅)膜厚度： 棕化 (或黑色氧化銅) 膜與PP的粘結(jié)強(qiáng)度、耐酸堿性、耐電暈及耐高溫等性能與其膜的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。但也并非愈厚粘結(jié)強(qiáng)度愈高。 (d) 棕化層受污染及工藝錯(cuò)誤： 在一個(gè)爆板質(zhì)量案例中，剝開發(fā)生爆板的部位，發(fā)現(xiàn)棕化層有受污染跡象，樹脂與受污染的棕化層完全分離，如圖1.6中紅圈所示。

圖1.6棕化面被污染

導(dǎo)致污染部分的棕化層與pp片在層壓后未能有效粘合，PCB板在后續(xù)SMT裝配中發(fā)生起泡。 經(jīng)過調(diào)查，高Tg材料誤用普通材料的程序進(jìn)行壓板，固化，也是造成最外層銅箔與pp片結(jié)合力不良的原因之一。

⑶ 再流溫度選擇不合適是爆板的誘發(fā)因素 ① 溫度對爆板的誘發(fā)作用 通過對爆板發(fā)生模式的充分和必要條件的分析，可以知道它們都是溫度的函數(shù)。多層板中可揮發(fā)物的數(shù)量及其膨脹壓是隨再流焊接溫度的增高而增大的，而棕化層和PP之間的粘附力則是隨溫度的升高而減小的。顯然潛伏爆板的充分及必要條件必需要借助溫度這一因素來誘發(fā)?；趯唧w產(chǎn)品特點(diǎn)的綜合性分析來優(yōu)化再流焊接溫度曲線，對抑制爆板現(xiàn)象的發(fā)生是有效果的。 ② 如何根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)優(yōu)化再流焊接溫度 (a) 美國微電子封裝專家C.G. Woychik指出：“使用通常的SnPb合金，在再流焊接時(shí)元器件和PCB板所能承受的最高溫度為240℃。而當(dāng)使用SnAgCu(無鉛)合金時(shí)，JEDEC規(guī)定最高溫度為260℃。溫度提高了，就可能危及電子封裝組裝的完整性。特別是對許多疊層結(jié)構(gòu)材料易使各層間發(fā)生脫層，尤其是那些含有較多潮氣的新材料。內(nèi)部含有潮氣和溫度的升高相結(jié)合，將使所用的大多數(shù)常用的疊層板(HDI積層多層PCB板)發(fā)生大范圍的脫層” 。 (b) 美國電子組裝焊接專家J.S.Hwang在其撰寫的“電子組裝制造中的焊接材料和工藝”一書中也有這樣的描述：“考慮到現(xiàn)有無鉛材料的熔點(diǎn)溫度高于SnPb共晶材料的熔點(diǎn)溫度(183℃)，為了將再流焊溫度降到最低程度，一條合適的再流焊接溫度分布曲線顯得特別重要。他還指出：根據(jù)目前生產(chǎn)條件所限制，如現(xiàn)有的SMT生產(chǎn)企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施包括元器件和PCB所具有的溫度特性等，無鉛再流焊接峰值溫度應(yīng)該保持在235℃。 經(jīng)過綜合分析，在HDI積層多層PCB板的無鉛再流焊接中，當(dāng)使用SnAgCu焊料合金時(shí)，峰值溫度建議取定在235℃，最高不要超過245℃。實(shí)踐表明，釆取此措施后，對爆板的抑制效果非常明顯。

⑷ 可揮發(fā)物逃逸不暢是爆板的助長因素

從切片分析看，爆板位置幾乎都是發(fā)生在埋孔的上方覆蓋有大面積銅箔的部位，如圖1.7所示。

圖1.7爆板的位置特征

這種設(shè)計(jì)的可制造性確實(shí)有問題，主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：

⑴ 焊接受熱后對積聚在埋孔和層間內(nèi)的可揮物(如濕氣等)的排放不利；

⑵ 加劇了在再流焊接時(shí)板面溫度分布的不均衡性；

⑶ 不利于消除焊接過程中的熱應(yīng)力，容易形成應(yīng)力集中，加劇了HDI積層多層PCB內(nèi)層層間的分離。

顯然，HDI積層多層板產(chǎn)品的圖形設(shè)計(jì)不合理，助長了無鉛制程中爆板現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 爆板發(fā)生的機(jī)理 ⑴ 爆板發(fā)生的機(jī)理 根據(jù)上述對爆板現(xiàn)象特征分析和歸納，我們可以按下述物理模式來研究和分析爆板發(fā)生的物理過程。 ① 在工作環(huán)境溫度不大高的情況下，多層板L1-L2之間的粘結(jié)情況良好，如圖1.8示。

圖1.8正常HDI積層多層板的切片

② 隨著對其加熱升溫過程的進(jìn)行，埋孔及內(nèi)層的可揮發(fā)物(包含濕氣)不斷排出，如圖1.9所示。

③ 排出的可揮發(fā)物氣體在埋孔口與PP(粘結(jié)片)之間集聚，如圖1.10所示。

圖1.9在再流升溫過程中可揮物受熱膨脹

圖1.10可揮發(fā)物在埋孔口和L1之間積聚

④ 隨著溫度的繼續(xù)升高，集聚在埋孔口附近的氣體愈積愈多，形成很大的膨脹壓，使得L2的棕化面和PP之間受到一個(gè)使其分離的膨脹力。如圖1.11示。

圖1.11強(qiáng)大的膨脹壓導(dǎo)致爆板的發(fā)生

⑤ 當(dāng)最終形成的膨脹壓(f)小于棕化面與PP之間的吸附力(F)時(shí)(f＜F)，此時(shí)僅在內(nèi)層埋孔口留下一個(gè)小氣泡，即形成點(diǎn)狀的爆板現(xiàn)象，如圖1.12-1.13所示。

圖1.12點(diǎn)狀爆板現(xiàn)象

圖1.13點(diǎn)狀爆板的外觀

⑥ 當(dāng)最終形成的膨脹壓(f)大于棕化面與PP之間的吸附力(F)時(shí)(f＞F)，則沿L2棕化面與PP之間便發(fā)生分離，出現(xiàn)如圖1.14那種明顯的塊狀的起泡分層現(xiàn)象。

在PCB受熱的同時(shí)，其中一部分自由體積的水可以通過微孔狀的PCB基材散失出去，從而減少了可能在空隙或微裂紋處聚集的水的摩爾體積分?jǐn)?shù)，有利于PCB的爆板情況的改善。但是如果PCB表面有大面積的銅箔圖形覆蓋，則在PCB受熱時(shí)，埋孔上方的大銅箔面擋住了受熱后向外逸出的水汽，使微裂紋中水汽的壓力升高，導(dǎo)致發(fā)生爆板的幾率大大增加。

圖1.14 塊狀起泡切片

具體影響PCB受熱爆板的因素，可歸納如圖1.15所示。

圖1.15影響PCB受熱分層、爆板的因素

1.4 預(yù)防爆板的對策

⑴ 根除爆板發(fā)生的必要條件

· PP存儲中最大問題是防止它吸潮，空氣中的水分容易在PP上凝聚成為吸附水。為了保持PP原有的性能不變，較適宜的存儲條件是：溫度(10～20)℃，濕度＜50%RH (最好是在真空中存貯)。 據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，在5℃下存放一個(gè)月或更長一些時(shí)間的粘結(jié)片，并不能成功地生產(chǎn)出高質(zhì)量的多層板，故冷藏也是不可取的。

· 嚴(yán)格控制PCB成品的倉庫存放條件，特別是在陰雨天氣，要適時(shí)增加抽濕機(jī)的功率來控制倉庫的濕度；

· 改進(jìn)對無鉛制程用PCB產(chǎn)品的包裝，采用真空薄膜+鋁膜包裝，確保保存時(shí)間和干燥度； · 尋找新的耐熱性能好，吸潮率低的材料。

⑵ 抑制爆板發(fā)生的充分條件 · 優(yōu)化“棕化”工藝質(zhì)量，增加PCB內(nèi)部層間粘著力； · 選用優(yōu)質(zhì)棕化藥水； · 加強(qiáng)對原材料進(jìn)貨質(zhì)量的監(jiān)控，例如PP材料的樹脂含量(RC%)、樹脂凝膠時(shí)間(GT)、樹脂流動(dòng)度(RF%)、揮發(fā)物含量(VC%)等關(guān)鍵指標(biāo)。以保證存在于浸漬纖維空間的樹脂的均勻性和占有率，確保最后成形的基板材料具有低吸水性、更好的介電性能、良好的層間粘合性和尺寸的穩(wěn)定性。

⑶ 攺善大銅箔面的透氣性 根據(jù)上述對爆板發(fā)生的位置特征和發(fā)生爆板的機(jī)理分析。顯然，當(dāng)PCB表面有大面積銅箔層設(shè)計(jì)時(shí)，將造成內(nèi)部水汽無法釋放，故有必要對表面上有大銅面覆蓋的區(qū)域開窗口來改善爆板現(xiàn)象。

⑷ 優(yōu)化再流焊接的峰值溫度 在確保良好潤濕的條件下，盡適當(dāng)?shù)亟档驮倭鞯姆逯禍囟取?