刊物及广告资料 > 刊物简介 > 新电子工艺 > 第201002期 经验共享
HDI 多层印制电路板无铅再流焊爆板问题研究
2010-03-30
邱华盛、曾福林、樊融融      HDI多层印制电路板在无铅再流焊接中的爆板现象严重威胁到产品质量,是导致生产线不能正常运转甚至停线的较严重的质量事件。本文重点分析了无铅再流焊接过程中最常见的爆板现象,讨论了爆板发生的机理,并在此基础上探讨了抑制爆板的技术措施。

 

 

1 爆板现象描述


(1) 爆板现象
 

  在无铅再流焊接过程中,发生在HDI积层的第二次压合的PP层和次层(L2)铜箔棕化面之间的分离现象,我们称之为爆板。如图1、2所示:

 

 

 

图1 爆板位切片(1)

 

 

图2 爆板位切片(2)


 

HDI爆板的特征如下:


‧爆板位置均发生在L1-L2层埋孔密集的区域;


‧切片时发现爆板现象非常剧烈,有些线路都被拉裂,因此危害很大。
 

(2) 爆板沿板面位置的分布


  爆板几乎都发生在未开窗口(微孔)的较大的铜箔面区域,如图3所示:

 

 

 

 

图3 爆板沿板面位置的分布

 


(3) 爆板沿厚度方向的分布


  通过切片分析,爆板位置均发生在外层与次外层之间,并且多发生在大铜箔面下部和埋孔的上方,如图4所示。

 

 

 

 

 

图4 爆板沿厚度方向的分布

 


2 爆板发生的机理


2.1 爆板的物理过程


  根据上述对爆板现象特征分析和归纳,我们可以按下述物理模型来研究和分析爆板发生的物理过程,进而了解爆板发生的机理。

 


  (1) 在工作环境温度不太高的情况下,多层板L1-L2之间的粘结情况良好,如图5所示。

 

 

图5 正常HDI积层多层板的切片

 

  (2) 随对其加热升温过程的进行,埋孔及内层吸附的可挥发物(包含湿气)不断排出,如图6所示。

 

 

图6 在再流升温过程中可挥发物受热膨胀

 


(3) 排出的可挥发物气体在埋孔口与PP(粘结片)之间集聚,如图7所示。

 

                      

 

 

图7 可挥发物在埋孔口和L1之间积聚

 

 

(4) 随温度的继续升高,集聚在埋孔口附近的气体愈积愈多,形成很大的膨胀压,使得在L2的棕化面和PP之间受到一个使其分离的膨胀力。如图8所示。

 

 

 

图8 强大的膨胀压导致爆板的发生

 

(5)当最终形成的膨胀压(f)小于棕化面与PP之间的吸附力(F)时(即f<F),此时,仅在内层埋孔口留下一个小气泡,即形成点状的爆板现象,如图9、10所示。

 


 

 

图9 点状爆板现象

 

 

 

图10 点状爆板的外观

 

(6)当最终形成的膨胀压(f)大于棕化面与PP之间的吸附力(F)时(即f>F),则沿L2棕化面与PP之间便发生分离,出现如图11那种明显的块状起泡分层现象。


   

 

 

图11 块状起泡分层切片

 

  在PCB受热的同时,其中一部分自由体积的水可以通过微孔状的PCB基材消散,从而减少了可能在空隙或微裂纹处聚集的水的摩尔体积分数,有利于改善PCB的爆板现象。但是,如果PCB表面有大面积的铜箔图形覆蓋,则在PCB受热时,埋孔上方的大铜箔面挡住了受热后向外逸出的水汽,使微裂纹中水汽的压力升高,导致发生爆板的几率大大增加。

 

 

 

 

图12 PP的存贮时间与吸湿率的关系

 


2.2 影响爆板的因素


从以上爆板的物理过程中,我们可以了解到,影响爆板发生的因素归纳如下:


2.2.1 挥发物的形成源是产生爆板的必要条件


(1) 挥发物的来源

 

1PCB制程中的吸湿


  PCB的挥发物来源于PCB制程中的吸湿,PCB的构成材料(如织物和胶料)对水都有很好的亲和性,极易吸附湿气。下面通过水在PCB中的存在形式,水汽扩散的途径和水蒸汽压力随温度的变化情况,来揭示水汽的存在是导致PCB爆板的首要原因。

 

 

 

图13 HDI积层多层PCB板无铅再流中爆板位

 


  PCB中的水分主要存在于树脂分子中以及PCB内部存在的宏观物理缺陷(如空隙、微裂纹)处。环氧树脂的吸水速率和平衡吸水量,主要由自由体积和极性基团的浓度决定。自由体积越大,初期的吸水速率就越快,而极性基团对水具有亲和性,这也是环氧树脂具有较高吸湿能力的主要原因。极性基团的含量越大,平衡吸水量也就越大。一方面,PCB在无铅再流焊接时温度升高,导致自由体积中的水和极性基团形成氢键的水,能够获得足够的能量在树脂内做扩散运动。水向外扩散,并在空隙或微裂纹处聚集,空隙处水的摩尔体积增加。另一方面,随焊接温度的升高,使水的饱和蒸汽压也同时升高,如表1所列。

 

 

 

表1 水蒸汽的蒸汽压

 


  显然,静态放置下随时间的推移,PCB含水量会逐渐增多。真空包装的吸水率比非真空包装的吸水率,随暂存时间的增加其吸水率的差异,如表2所列。

   

 

表2 真空包装与非真空包装吸水率的比较

 


  铜在金属状态时是一种非极性物质,因此,许多粘合剂对铜箔的粘附力极小。铜箔表面若不经过处理,即使使用性能优良的粘结剂也不能使其具有充分的粘附力和耐热性。
 

 

  早期对铜箔表面进行棕化处理的方法是:通过化学处理使铜箔表面形成红褐色的氧化亚铜(Cu2O)。它与树脂层压基材粘结时,虽然,在常温下粘附力增加了,但在200℃附近会产生剥离。这是由于Cu2O对热不稳定,经过加热与铜箔之间产生剥离。

 


  60年代日本东芝公司的研究者们发现,用特殊的化学溶液处理后,在铜箔表面形成黑色天鹅绒状薄膜(CuO),结晶较细密,且能牢固地粘附在铜箔表面上,热稳定性也很好,这就是后来普遍使用的黑化工艺。

 


  90年代中期,欧、美等使用一种新型多层板内层导电图形化学氧化的新型棕化工艺,取代传统的黑化工艺,已在业界普遍使用。

 


(2) 棕化增强粘附力作用机理


新型棕化工艺,其化学反应机理是:


  2Cu+H2SO4+H2O2+nR1+nR2→ CuSO4+2H2O+Cu(R1+R2)
 

  棕化槽内,由于H2O2的微蚀作用,使基体铜表面形成凹凸不平的微观结构,故能得到相当于6~7倍未经处理的平滑铜表面的粘合面积。同时,在基体铜上沉积一层薄薄的与基体铜表面通过化学键结合的有机金属膜,基板铜面棕化的SEM如图14所示。且粘合剂进入凹凸部后,也增加了机械啮合效果。
 

 

  

 

图14 基板铜箔棕化后SEM图(×3000)

 

(3) 影响棕化效果的因素


棕化质量和效果,取决于其工艺过程参数控制的精细化,例如:


1.选择配方先进的药水表3列出了使用A、B两种棕化药水后,对Htg材料再流次数测试(再流时间10sec)的对比数据。由表中可见,使用A药水的棕化层,结合力可以耐受12次无铅再流温度不爆板。

 

 


2.加强生产过程中槽液成分的监控。


3.棕化膜厚度:


  棕化膜与PP的粘结强度、耐酸堿、耐电晕及耐高温等性能与其膜的结构和厚度有关。但也并非愈厚粘结强度愈高。


4.棕化层受污染及工艺错误:在一个爆板质量案例中,剥开发生爆板的部位,发现棕化层有被污染迹象,树脂与被污染的棕化层完全分离,如图15中红圈所示。导致污染部分的棕化层与pp片在层压后未能有效粘合,PCB板在后续SMT装配中出现起泡现象。

 

 

 

图15 棕化面被污染

 


  经过调查,高Tg材料误用普通材料的程序进行压板、固化,也是造成最外层铜箔与pp片结合力不良的原因之一。

成为会员可浏览更详细的网上月刊内容,按此注册成会员
内容众多,未能尽录,欢迎订阅或补购
按此了解订阅服务。
刊物内容 :