刊物及廣告資料 > 刊物簡介 > 新電子工藝 > 第201002期 經驗共享
HDI 多層印制電路板無鉛再流焊爆板問題研究
2010-03-30
邱華盛、曾福林、樊融融      HDI多層印製電路板在無鉛再流焊接中的爆板現象嚴重威脅到產品質量,是導致生產線不能正常運轉甚至停線的較嚴重的質量事件。本文重點分析了無鉛再流焊接過程中最常見的爆板現象,討論了爆板發生的機理,並在此基礎上探討了抑制爆板的技術措施。

 

 

1 爆板現象描述


(1) 爆板現象
 

  在無鉛再流焊接過程中,發生在HDI積層的第二次壓合的PP層和次層(L2)銅箔棕化面之間的分離現象,我們稱之為爆板。如圖1、2所示:

 

 

 

圖1 爆板位切片(1)

 

 

圖2 爆板位切片(2)


 

HDI爆板的特征如下:


‧爆板位置均發生在L1-L2層埋孔密集的區域;


‧切片時發現爆板現象非常劇烈,有些線路都被拉裂,因此危害很大。
 

(2) 爆板沿板面位置的分佈


  爆板幾乎都發生在未開窗口(微孔)的較大的銅箔面區域,如圖3所示:

 

 

 

 

圖3 爆板沿板面位置的分佈

 


(3) 爆板沿厚度方向的分佈


  通過切片分析,爆板位置均發生在外層與次外層之間,並且多發生在大銅箔面下部和埋孔的上方,如圖4所示。

 

 

 

 

 

圖4 爆板沿厚度方向的分佈

 


2 爆板發生的機理


2.1 爆板的物理過程


  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型來研究和分析爆板發生的物理過程,進而瞭解爆板發生的機理。

 


  (1) 在工作環境溫度不太高的情況下,多層板L1-L2之間的粘結情況良好,如圖5所示。

 

 

圖5 正常HDI積層多層板的切片

 

  (2) 隨對其加熱升溫過程的進行,埋孔及內層吸附的可揮發物(包含濕氣)不斷排出,如圖6所示。

 

 

圖6 在再流升溫過程中可揮發物受熱膨脹

 


(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7所示。

 

                      

 

 

圖7 可揮發物在埋孔口和L1之間積聚

 

 

(4) 隨溫度的繼續升高,集聚在埋孔口附近的氣體愈積愈多,形成很大的膨脹壓,使得在L2的棕化面和PP之間受到一個使其分離的膨脹力。如圖8所示。

 

 

 

圖8 強大的膨脹壓導致爆板的發生

 

(5)當最終形成的膨脹壓(f)小於棕化面與PP之間的吸附力(F)時(即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9、10所示。

 


 

 

圖9 點狀爆板現象

 

 

 

圖10 點狀爆板的外觀

 

(6)當最終形成的膨脹壓(f)大於棕化面與PP之間的吸附力(F)時(即f>F),則沿L2棕化面與PP之間便發生分離,出現如圖11那種明顯的塊狀起泡分層現象。


   

 

 

圖11 塊狀起泡分層切片

 

  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基材消散,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,有利於改善PCB的爆板現象。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後向外逸出的水汽,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12 PP的存貯時間與吸濕率的關係

 


2.2 影響爆板的因素


從以上爆板的物理過程中,我們可以瞭解到,影響爆板發生的因素歸納如下:


2.2.1 揮發物的形成源是產生爆板的必要條件


(1) 揮發物的來源

 

1PCB制程中的吸濕


  PCB的揮發物來源於PCB制程中的吸濕,PCB的構成材料(如織物和膠料)對水都有很好的親和性,極易吸附濕氣。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。

 

 

 

圖13 HDI積層多層PCB板無鉛再流中爆板位

 


  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濕能力的主要原因。極性基團的含量越大,平衡吸水量也就越大。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,並在空隙或微裂紋處聚集,空隙處水的摩爾體積增加。另一方面,隨焊接溫度的升高,使水的飽和蒸汽壓也同時升高,如表1所列。

 

 

 

表1 水蒸汽的蒸汽壓

 


  顯然,靜態放置下隨時間的推移,PCB含水量會逐漸增多。真空包裝的吸水率比非真空包裝的吸水率,隨暫存時間的增加其吸水率的差異,如表2所列。

   

 

表2 真空包裝與非真空包裝吸水率的比較

 


  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的方法是:通過化學處理使銅箔表面形成紅褐色的氧化亞銅(Cu2O)。它與樹脂層壓基材粘結時,雖然,在常溫下粘附力增加了,但在200℃附近會產生剝離。這是由於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後,在銅箔表面形成黑色天鵝絨狀薄膜(CuO),結晶較細密,且能牢固地粘附在銅箔表面上,熱穩定性也很好,這就是後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)
 

  棕化槽內,由於H2O2的微蝕作用,使基體銅表面形成凹凸不平的微觀結構,故能得到相當於6~7倍未經處理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如圖14所示。且粘合劑進入凹凸部後,也增加了機械嚙合效果。
 

 

  

 

圖14 基板銅箔棕化後SEM圖(×3000)

 

(3) 影響棕化效果的因素


棕化質量和效果,取決於其工藝過程參數控制的精細化,例如:


1.選擇配方先進的藥水表3列出了使用A、B兩種棕化藥水後,對Htg材料再流次數測試(再流時間10sec)的對比數據。由表中可見,使用A藥水的棕化層,結合力可以耐受12次無鉛再流溫度不爆板。

 

 


2.加強生產過程中槽液成分的監控。


3.棕化膜厚度:


  棕化膜與PP的粘結強度、耐酸堿、耐電暈及耐高溫等性能與其膜的結構和厚度有關。但也並非愈厚粘結強度愈高。


4.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,發現棕化層有被污染跡象,樹脂與被污染的棕化層完全分離,如圖15中紅圈所示。導致污染部分的棕化層與pp片在層壓後未能有效粘合,PCB板在後續SMT裝配中出現起泡現象。

 

 

 

圖15 棕化面被污染

 


  經過調查,高Tg材料誤用普通材料的程序進行壓板、固化,也是造成最外層銅箔與pp片結合力不良的原因之一。

成為會員可瀏覽更詳細的網上月刊內容,按此註冊成會員
內容眾多,未能盡錄,歡迎訂閱或補購
按此了解訂閱服務。
刊物內容 :