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无铅波焊中吹孔成因研究及改善研究(二)

   文章来源:Internet  发布时间:2009-10-12  访问量:2456

  四、孔壁破洞(void)与孔铜太薄造成吹孔
  如果孔壁铜层有破洞,易藏纳水汽在其中,当过高温波峰焊时,板材中水气迅速膨胀吹出,推开尚未固化的熔锡,从而形成“吹孔”。若孔壁铜厚偏薄,则孔壁无法为焊锡提供足够的基础,使焊料与孔壁的附着力不够,进而形成空洞,也会造成“吹孔”。图5. 和图6. 即分别为无铅波焊后因孔破(void) 和孔铜太薄造成的吹孔不良图例。
  孔壁破洞(void )的产生与除胶渣及化学铜制程密切相关。在除胶渣的过程中高锰酸钾的咬蚀量不足,不但无法有效获得蜂窝状的微粗化面,且会造成孔壁微孔洞,内层结合不良,孔壁脱离,吹孔等质量隐患。对除胶槽来讲,新槽和较高的处理活性也可能会使一些联结程度较低的单功能树脂、双功能树脂和部分的三功能树脂出现过度除胶的现象,导致孔壁玻璃纤维突出,玻璃纤维较难活化且与化学铜的结合力较与树脂之间的更差,沉铜后因镀层在极度不平的基底上沉积,化学铜的应力会成倍的加大,严重的可以明显看到沉铜后孔壁化学铜一片片从孔壁上脱落,造成后续孔内无铜的产生,也可能造成孔内粗糙,玻璃纤维截点,渗铜,内层楔形孔破等状况。另外除胶的几个槽液之间的协调控制问题也非常重要。膨松/溶胀不足,可能会造成除胶渣不足;膨松/溶胀过度则会出现溶剂残存到已蓬松的树脂内,在沉铜时也会活化不良沉铜不上,即使沉上铜也可能在后工序出现树脂下陷,孔壁脱离等缺陷。
  沉铜后的板件一般要浸硫酸除去表面的残碱和碱性的钝化膜,再直接电镀酸铜。板子放入稀硫酸缸中时,必须将板分散,左右摇摆3-4 次,将孔内气泡排出,让酸液将孔壁润湿。因为孔内残存湿气容易造成孔内化学铜的氧化,引发后续的孔内无铜或铜薄,所以沉铜后应该做好出缸时间记录尽快一次铜,不要存留时间过长,一般不允许超过8 小时。
  针对孔铜太薄的问题,在电镀时对孔铜厚度方面应加强控制,批量生产前严格执行FA 制度,要求全测FA 板的插件孔孔铜,保证首板孔铜厚度OK 后才能进行批量生产;定期用钳表测量飞巴的电流,确保显示电流与实际电流相符合;适当提高电流密度,将孔内电镀铜厚要求由1.0mil(min) 提高到1.2mil (min) ,即使钻孔品质稍有闪失,其所产生的破洞也可被足够厚的两次电镀铜所补平,进一步消除可能发生的“吹孔”。
  五、Dicy Free 板材易产生吹孔
  由于无铅板材为了提高耐热性减少爆板,其环氧树脂的固化剂已由Dicy (双氰胺)改变为Dicy Free (酚醛),并且加入了微粒状的二氧化硅、氢氧化铝等无机填料,在耐热性提高的同时板材更加脆化。在一般钻孔参数下钻孔时孔壁上极易产生玻纤与树脂之间的微裂,对后继的孔铜的可靠性产生极大影响。从图7.可见无铅波焊后DicyFree 板材在孔壁附近的玻纤间存在有明显的裂口(glasscrack)。
  图7.Dicy Free 板材脆性大钻孔后玻纤出现微裂,受热冲击后裂纹变得很严重。图8.Dicy Free 板材玻纤微裂处发生的“吹孔”。
  为得到良好的孔壁表面,针对无铅化DICY Free 板材不但要加强高锰酸钾槽液的作业条件,且除胶渣前的膨松处理也要延长反应时间。但造成的负面效应是孔壁上被钻孔打松或打裂的玻纤和树脂间,极易残留膨松溶剂,进而在后继发生树脂空洞、铜层破洞、灯芯效应等缺陷,在无铅玻焊引发吹孔现象。(见图9.)不同板料供应商的DICY Free 板材树脂体系和填料比例都有差异,因此在选用DICY Free 板材时,一定要对各种DICY Free 板材本身的性能及PCB 制作条件重新进行评估,找出最佳的加工条件。同时建议要求板料供应商固定纱源,并使用开纤玻璃纱;做板前将板料高温焗板,消除可能存在的半固化片固化不彻底对钻孔的影响。
  另外,目前业界也开始从现有的DICY FR4 做改良,使其耐热性大幅度提升,达到最新的IPC-4010B 对无铅板材的性能指标。
  六、插件不正产生的吹孔
  如果零件脚未插在孔的正中央,靠孔壁较近的一边锡爬升速度会较快,并把孔口封住,使得离孔壁较远的一边的空气来不及排出,受热迅速膨胀吹出,推开尚未固化的熔锡,形成孔内填锡不满、有空洞。从图10.可以看到插件不正造成吹孔的实例。
  根据IPC-2222 标准,当采用波峰焊接工艺时,使用圆形插件脚时孔径同插件脚之差为0.20.7mm,使用矩形插件脚时,孔径同插件脚对角线尺寸之差应为0.2-0.7mm。小于0.2mm 大于1.0mm在焊接时容易出现问题。如图11.所示,0.20mm≤D-d≤0.7 及0.20mm≤D-L≤0.7mm。
  七、无铅波焊过程中参数、流程控制问题
  在无铅波焊中,有些PCB 板不存在孔粗、破洞的孔及插件不正也存在针孔及吹孔问题。分析可能原因有:
  a 、板子打开包装后在空气环境下放置时间过长,导致PCB 板基材吸潮,孔内吸收的湿气在焊锡过程中受到高热蒸发出来而造成,解决方法是放在烤箱中120℃烤2 小时。
  b 、元件引脚氧化;
  c 、助焊剂活性低、涂敷量过大;
  对于无铅波峰焊来说,由于无铅焊料的润湿性比SnPb 焊料要差,为了保证良好的焊接质量,对助焊剂的选择和涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂,这种助焊剂一般具有较低的活性,而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作,这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷,而且涂敷的助焊剂的量要求适中。
  d 、无铅焊料的氧化性问题;
  同Sn-Pb 合金焊料相比,高Sn 含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化,从而在锡炉液面形成氧化物残渣(SnO2),影响焊接质量。焊料中的杂质在高温波峰焊时会产生气体,推开图11.插件脚设计规范要求尚未固化的熔锡,形成孔内填锡空洞。为了防止无铅焊料的氧化,解决办法是改善锡炉喷口,最好的对策是加氮气保护。焊锡炉中的惰性氮气使得液化焊料尽量少暴露于氧气下,从而减少氧化物的形成,同时会提高焊料润湿程度。
  e、传输速度快,预热不足;焊接时间太短。

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