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无铅波焊中吹孔成因研究及改善研究(一)

   文章来源:Internet  发布时间:2009-10-12  访问量:1779

  本文主要从吹孔不良实例入手分析无铅波峰焊中吹孔成因及研究其改善方案。 吹孔(又称爆孔,blow hole)传统上是指完工的PTH 铜壁上,可能有破洞(Void )存在。当PCB 板在下游进行焊锡时,可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压,往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质PTH ,特称为"吹孔"。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外,还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。
  一、前言
  电子产品无铅焊接在全球全面展开以来,诸多焊接问题接踵而至。有关无铅焊接的各种允收规格,以IPC-A-610“ 电路板组装品质允收度”为最具权威性的国际规范,2005 年2 月全新的610 的D 版将焊接各种允收规格安排在第5 章,其中镀通孔(PTH )插脚波焊焊后发生吹孔(Blow Hole), 或SMT 贴焊点呈现见底的针孔(Pinhole)或外表之凹陷者,只要焊点尚能符合其他品质要求,则Class1 可允收。但Class2 与3 却须视之为“ 制程 , 警讯”(ProcessIndicator )。( 见D 版5.2.2 )从品管与改善之原则看来,发生制程警讯时,客户方面必须见到改善方案与执行决心后,才能对现品考虑允收,是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题。
  吹孔(blow hole )传统上是指完工的PTH 铜壁上,可能有破洞(Void )存在。当PCB 板在下游进行焊锡时,可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压,往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质PTH ,特称为"吹孔"。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外,还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。可以说无铅波焊中吹孔产生的具体原因呈多样化,复杂化。
  二、无铅波焊特性
  综观整个波峰焊工艺过程,包括助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统、冷却系统和轨道传输系统。良好的无铅波焊,其预热段必须使板子底面达到130 ℃,顶面须达到110 ℃左右,这样才能保证焊锡顺利上到孔顶。无铅波焊的时间温度最高达270℃, 预热后的PCB 板从前面的突波与后继的平波总共接触滚烫的熔锡时间一般为4-6 秒。当待焊接的板子底面进入波峰时,大量的熔锡与夹带的强热瞬时间向上涌入通孔,一边打造介面IMC 完成焊接,一边又把介面IMC 熔入液态焊锡中(如图)。所以无铅波焊特性犹如夏天的大飓风,一阵狂风暴雨之后又是艳阳高照,板子虽然不会长时间受到高温强热的伤害,但是瞬时的热量对通孔还是有强力的冲击。高温所带来的另一方面的影响是会形成吹孔。PCB 板插件孔在焊接过程中会散发气体,这些气体源于PCB 加工过程中吸收的溶剂、水分,电镀层包含的有机物、湿气或者是板材中包含的有机物、组装时残留的助焊剂等等。
  图1. 波峰焊示意图
  三、孔壁粗糙产生吹孔
  如果孔壁存在孔粗,且孔粗较大,会有水气的藏纳,造成高温波峰时迅速膨胀吹出(OutGassing),而推开尚未固化的熔锡,自板子的焊锡面向外向下喷出,从而形成“吹孔”。图2. 即为典型的孔粗造成的波焊后吹孔不良实例。
  图2.孔壁粗糙导致的吹孔
  机械钻孔过程中,如为赶产量,设置的钻孔参数不当,在强大的机械切削力下造成孔壁中玻纤和树脂出现较大的分裂和缺口,经过除胶后孔壁上形成过大的凹陷和空隙,在PTH 和电镀后镀铜层无法紧密附着,引发许多微小的破洞(void )而且深藏残液。后继在波焊时自然不可避免出现吹孔问题。在评估钻孔孔壁粗糙度的时候,一般都以进刀量(chip load :指钻针每旋转一周所进入板件的深度)作为主要控制指标,所使用的进刀量如果偏大,钻孔后的孔壁难免粗糙。例如在Spindle 钻速同为10 万转/分(rpm )时,进刀速率(feedrate) 分别采用60Inch/min 和120Inch/min 作比较,前者的进刀量为0.6mil/ 周。后者为1.2mil/ 周,显然后者孔壁粗糙度远远大于前者。要改善钻孔粗糙度,还应该充分考虑到无铅板材TG 和硬化树脂体系由Dicy 改为DICY Free 的变化。图3. 为不同Tg 普通FR4 和DicyFreeFR4 板材对钻针磨损的比较,可以明显看到板材TG 越高相应对钻针的磨损越大,采用DicyFree 做硬化剂的板材对钻针磨损相对更严重。
  针对无铅焊接下板材Tg 和硬度的变化,考虑其硬度高、脆性大等特性,对钻针的磨损较大,钻孔条件应做如下调整:降低进刀量到0.6mil/ 周以下,适当减少钻针设定的Hits ,增大钻针的翻磨频率,控制主轴的偏转(Runout )在10um 以内等。以下是选择TG170DICY Free 板材做调整钻孔条件改善孔粗的对比研究,通过大量的切片分析,测量数据生成正态分布图如下(篇幅所限,仅列其中一种插件孔径Φ1.40mm比较结果):
  由以上测量结果可知,当钻孔条件调整到特殊参数Rpm:45KrpmFeed:27Ipm Back:400Ipm Hit:500Htis 时,孔粗状况较普通钻孔条件有明显的改善,最大孔粗可以控制在≤0.8mil。我们将部分按此两种钻孔条件制作的PCB板送某电子厂插件后同时按波峰焊温度255℃,传输速度1.3m/min 过波峰焊,对比其产生吹孔情况(见下表),结果表明普通钻孔条件下有2PCS 发生吹孔,追朔其吹孔原因还是如图2.所示,孔壁粗糙度过大,在过波峰焊时暗藏其中的水气自孔粗处喷出,形成“吹孔”。而按特殊钻孔参数制作的PCB 因孔壁光滑平整,没有吹孔问题发生。

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