PCBA再流焊接中的爆板分析與改善

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象及其改善方法，供大家參考。

再流焊接中的爆板現象

1.1 爆板的定義

⑴定義：在再流焊接(特別是無鉛應用)過程中，發生在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，爆板的位置均發生在L1-L2層埋孔密集的區域；沒有發現雜物或其他異常情況；切片顯示板件發生爆板非常猛烈，有些第二層線路都被拉裂。

1.2 影響爆板的因素

⑴有揮發物的形成源是產生爆板的必要條件

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內部存在的宏觀物理缺陷(如空隙、微裂紋)處。環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，而極性基團對水具有親和性，這也是環氧樹脂具有較高吸水量的主要原因。極性基團的含量越大，平衡吸水量也就越大。綜上所述，環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的含量來決定。

一方面，PCB在無鉛再流焊接時溫度升高，導致自由體積中的水和極性基團形成氫鍵的水，能夠獲得足夠的能量在樹脂內做擴散運動。水向外擴散，并在空隙或微裂紋處聚集，空隙處水的摩爾體積分數增加。

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℃時水蒸汽的飽和蒸汽壓為2500kPa；在250℃時水蒸汽的飽和蒸汽壓為4000kPa；而當焊接溫度升到260℃時，水蒸汽的飽和蒸汽壓甚至達到5000kPa。當材料層間的粘合強度低于水汽產生的飽和蒸汽壓時，材料即發生爆板現象。因此，焊接前的吸潮是PCB發生分層、爆板的主要原因之一。

② 存貯和生產過程中濕汽的影響 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)存放環境的濕汽會使PP(半固化片)的特性發生明顯的變化；

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

圖1.3 PP的存貯時間與吸濕率的關系顯然，靜態放置下隨著時間的推移，PCB含水量會逐漸增多。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，造成板的層間結合力下降，板的耐熱沖擊能力削弱。多層板在熱油或焊料浴、熱風整平中易發生白斑、鼓泡、層間分離等現象。

⑵PP與銅箔面粘附力差是產生爆板的充分條件①現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，壓合疊層結構如圖1.4所示。

圖1.4 HDI積層多層板無鉛再流中爆板常發位

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

早期對銅箔表面進行棕化處理方法是：通過化學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時，雖然常溫時粘附力增加了，但在200℃附近會產生剝離。這是由于Cu2O對熱不穩定，經過加熱與銅箔之間產生剝離。

60年代日本東芝公司的研究者們發現，用特殊的化學溶液處理后，在銅箔表面形成的黑色天鵝絨狀薄膜(CuO)，結晶較細密，且能牢固地粘附在銅箔表面上，熱穩性也很好，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層導電圖形化學氧化的新型棕化工藝，取代傳統的黑化工藝，已在業界普遍使用。

② 棕化增強粘附力作用機理

新型棕化工藝，其化學反應機理是：

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，由于H2O2的微蝕作用，使基體銅表面形成凹凸不平的微觀結構，故能得到相當于6～7倍未處理過的平滑銅表面的粘合面積。同時在基體銅上沉積一層薄薄的與基體銅表面通過化學鍵結合的有機金屬膜，基板銅面棕化的SEM圖，如圖1.5所示。且粘合劑進入凹凸部后，也增加了機械嚙合效果。

圖1.5基板銅箔棕化后SEM圖(×3000)

③ 影響棕化效果的因素

棕化質量和效果，處決于其工藝過程參數控制的精細化，例如：

(a) 選擇配方先進的藥水：

表1.3示出了使用Atotech棕化藥水和Rockwood藥水，對Htg材料再流次數測試(再流時間10sec)的對比數據。

表1.3耐再流焊接試驗

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

(b) 加強生產過程中槽液成分的監控。(c) 棕化(或黑色氧化銅)膜厚度：棕化(或黑色氧化銅) 膜與PP的粘結強度、耐酸堿性、耐電暈及耐高溫等性能與其膜的結構和厚度有關。但也并非愈厚粘結強度愈高。(d) 棕化層受污染及工藝錯誤：在一個爆板質量案例中，剝開發生爆板的部位，發現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SMT裝配中發生起泡。經過調查，高Tg材料誤用普通材料的程序進行壓板，固化，也是造成外層銅箔與pp片結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因素 ① 溫度對爆板的誘發作用 通過對爆板發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。多層板中可揮發物的數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。基于對具體產品特點的綜合性分析來優化再流焊接溫度曲線，對抑制爆板現象的發生是有效果的。②如何根據產品特點優化再流焊接溫度(a) 美國微電子封裝專家C.G. Woychik指出：“使用通常的SnPb合金，在再流焊接時元器件和PCB板所能承受的溫度為240℃。而當使用SnAgCu(無鉛)合金時，JEDEC規定溫度為260℃。溫度提高了，就可能危及電子封裝組裝的完整性。特

別是對許多疊層結構材料易使各層間發生脫層，尤其是那些含有較多潮氣的新材料。內部含有潮氣和溫度的升高相結合，將使所用的大多數常用的疊層板(HDI積層多層PCB板)發生大范圍的脫層” 。(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：“考慮到現有無鉛材料的熔點溫度高于SnPb共晶材料的熔點溫度(183℃)，為了將再流焊溫度降到程度，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：根據目前生產條件所限制，如現有的SMT生產企業和基礎設施包括元器件和PCB所具有的溫度特性等，無鉛再流焊接峰值溫度應該保持在235℃。經過綜合分析，在HDI積層多層PCB板的無鉛再流焊接中，當使用SnAgCu焊料合金時，峰值溫度建議取定在235℃，不要超過245℃。實踐表明，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

這種設計的可制造性確實有問題，主要表現在下述幾個方面：

⑴焊接受熱后對積聚在埋孔和層間內的可揮物(如濕氣等)的排放不利；

⑵加劇了在再流焊接時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力，容易形成應力集中，加劇了HDI積層多層PCB內層層間的分離。

顯然，HDI積層多層板產品的圖形設計不合理，助長了無鉛制程中爆板現象的發生。

1.3 爆板發生的機理⑴爆板發生的機理根據上述對爆板現象特征分析和歸納，我們可以按下述物理模式來研究和分析爆板發生的物理過程。①在工作環境溫度不大高的情況下，多層板L1-L2之間的粘結情況良好，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行，埋孔及內層的可揮發物(包含濕氣)不斷排出，如圖1.9所示。

③排出的可揮發物氣體在埋孔口與PP(粘結片)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可揮發物在埋孔口和L1之間積聚

④ 隨著溫度的繼續升高，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之間受到一個使其分離的膨脹力。如圖1.11示。

圖1.11強大的膨脹壓導致爆板的發生

⑤ 當終形成的膨脹壓(f)小于棕化面與PP之間的吸附力(F)時(f＜F)，此時僅在內層埋孔口留下一個小氣泡，即形成點狀的爆板現象，如圖1.12-1.13所示。

圖1.12點狀爆板現象

圖1.13點狀爆板的外觀

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

在PCB受熱的同時，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數，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，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，導致發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 預防爆板的對策

⑴根除爆板發生的必要條件

· PP存儲中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 (是在真空中存貯)。據資料報導，在5℃下存放一個月或更長一些時間的粘結片，并不能成功地生產出高質量的多層板，故冷藏也是不可取的。

· 嚴格控制PCB成品的倉庫存放條件，特別是在陰雨天氣，要適時增加抽濕機的功率來控制倉庫的濕度；

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

⑵抑制爆板發生的充分條件 · 優化“棕化”工藝質量，增加PCB內部層間粘著力；· 選用優質棕化藥水；· 加強對原材料進貨質量的監控，例如PP材料的樹脂含量(RC%)、樹脂凝膠時間(GT)、樹脂流動度(RF%)、揮發物含量(VC%)等關鍵指標。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定性。

⑶攺善大銅箔面的透氣性根據上述對爆板發生的位置特征和發生爆板的機理分析。顯然，當PCB表面有大面積銅箔層設計時，將造成內部水汽無法釋放，故有必要對表面上有大銅面覆蓋的區域開窗口來改善爆板現象。

⑷優化再流焊接的峰值溫度 在確保良好潤濕的條件下，盡適當地降低再流的峰值溫度。