摘要:爆板是HDI線路板一種最常見的品質(zhì)可靠性缺陷，其成因復(fù)雜多樣，在電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化焊接工藝中，隨著焊接溫度的提高和焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，在熱量增加的情況下，PCB爆板發(fā)生率劇增。本文通過(guò)理論和務(wù)實(shí)做法試從HDI線路板設(shè)計(jì)、材料選擇、加工過(guò)程等方面進(jìn)行歸納總結(jié)，并提出簡(jiǎn)單可行的解決方案。

    一、前言

    隨著歐盟RoHs法令的實(shí)施，組成電子產(chǎn)品的印制電路板、電子器件、組裝焊料等全面進(jìn)入無(wú)鉛化時(shí)代，電子組裝工藝發(fā)生巨大變化。應(yīng)用多年的63/37錫鉛焊料已被Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等無(wú)鉛焊料替代，其熔點(diǎn)由183℃劇升到217℃以上，回流焊接溫度由220℃升高到250℃，且焊接時(shí)間延長(zhǎng)20秒以上，焊接熱量的劇增給電路板、電子元器件等的耐熱性能提出了更高的要求，在焊接的過(guò)程中，爆板（Delamination）是電路板最常見的可靠性缺陷之一。本文通過(guò)理論分析和務(wù)實(shí)做法試從PCB設(shè)計(jì)、材料選擇、加工過(guò)程等方面對(duì)爆板進(jìn)行歸納總結(jié)，以期找到簡(jiǎn)單可行的解決方案與同行共勉。
    二、爆板的成因及解決方案

    造成HDI線路板焊接過(guò)程爆板的成因眾多復(fù)雜，我們從PCB設(shè)計(jì)、材料選擇、焊接曲線、加工過(guò)程（包括棕/黑化、壓板、烤板、鉆銑成型、阻焊退洗、及過(guò)程吸濕管理等）等四方面對(duì)其爆板現(xiàn)象、形成原因和解決方案進(jìn)行歸納總結(jié)。

    （一）材料耐熱性能不足型爆板

    1.成因分析

    (1)上述兩個(gè)爆板案例主要發(fā)生在高層板結(jié)構(gòu)中，爆板的位置相對(duì)比較固定。爆板的主要位置發(fā)生在BGA Pitch間距較小及BGA 密集區(qū)域位置。

    (2)無(wú)鉛焊接的Profile峰值溫度較傳統(tǒng)錫鉛焊接平均高出34℃（錫鉛焊料熔點(diǎn)為183℃，而無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)最低為217℃），對(duì)材料的耐熱性提出更高要求。錫鉛焊料在Reflow 時(shí)的峰溫平均為225℃，波焊峰溫平均為250℃，而無(wú)鉛焊料的Reflow峰溫需提高到245℃，噴錫及波焊溫度需提高到270℃，且Reflow 的平均操作時(shí)間延長(zhǎng)20s以上，焊接熱量的劇增，對(duì)PCB板的損傷加劇。

    (3)Z-CTE膨脹太大，在高溫焊接受條件下，Z軸膨脹過(guò)大導(dǎo)致爆板。

    2.解決方案

    為應(yīng)對(duì)無(wú)鉛化對(duì)PCB板的耐熱性能的挑戰(zhàn)，IPC-4101B/99針對(duì)“無(wú)鉛FR-4”增加了四項(xiàng)新要求，要求Tg≥150℃（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）、Td≥325℃（熱裂解溫度）、Z-CTE≤3.5%（50—260℃）和T288≥5min。因此,建議在耐無(wú)鉛工藝的材料選擇時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇滿足上述要求的材料，同時(shí)在配方方面建議優(yōu)先選擇有填料（Filler）和酚醛（PN）硬化的材料。

    （二）設(shè)計(jì)不良型爆板

    設(shè)計(jì)不良造成的爆板主要有三種類型：

    1．疊板結(jié)構(gòu)不合適，內(nèi)層板的銅厚和填膠量計(jì)算不正確。實(shí)踐證明，半固化片的膠含量應(yīng)足夠，特別是低樹脂含量的7628PP，使用時(shí)更應(yīng)詳加計(jì)算。我們的經(jīng)驗(yàn)是壓合后奶油層厚度應(yīng)大于等于0.25mil；

    備注：奶油層厚度=（PP總厚度-填膠厚度-玻璃布厚度）/2

    2.內(nèi)層板阻流塊設(shè)計(jì)不合適，常見的阻流塊設(shè)計(jì)有三種：銅條結(jié)構(gòu)、“城墻”結(jié)構(gòu)和圓形Pad設(shè)計(jì)（如下圖），設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況試驗(yàn)確定；

    3.孔設(shè)計(jì)和編號(hào)孔設(shè)計(jì)不良。板邊過(guò)多的工具孔設(shè)計(jì)（工具孔一般為3.2mm）在壓合時(shí)不能被充分填膠而導(dǎo)致空洞，后工序易藏藥水而導(dǎo)致爆板。另外，編號(hào)孔也存在同樣的影響。因此，建議在設(shè)備購(gòu)買時(shí)應(yīng)選用一致的對(duì)位系統(tǒng)，以減少板邊的Tooling孔數(shù)量。

    （三）加工過(guò)程控制不良型爆板

    1．棕黑化不良型爆板

    （1）成因分析

    棕化的反應(yīng)機(jī)理是：2Cu+H2S04+H 202+nR1+nR2→CuSO4+2H20+Cu(R1+R2)

    在棕化槽內(nèi)，由于H2O2的微蝕作用，使基體銅表面立即沉積上一層簿薄有機(jī)金屬膜。增加PP與銅面的結(jié)合力。此類分層的主要原因是棕化面的微觀粗糙度不良，壓合后測(cè)試結(jié)合力差而導(dǎo)致爆板。另一方面，棕化膜的耐熱性不足者，在多次壓合（如2+N+2結(jié)構(gòu)HDI板）產(chǎn)品中常發(fā)生內(nèi)層一次壓界面處分層。

    （2）改善建議

    良好的維護(hù)保養(yǎng)和穩(wěn)定的藥水控制，是解決此類爆板的關(guān)鍵，應(yīng)盡量避免藥水換槽時(shí)不徹底（常見的做法是排一部分保留一份）或不按時(shí)更換藥水。其次棕化水質(zhì)的氯離子控制也很重要，過(guò)高的氯離子會(huì)嚴(yán)重影響棕化效果。另一方面在藥水供應(yīng)商選擇時(shí)，需評(píng)估棕化的耐熱性能，取多次壓合的樣板進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

    2．壓板不良型爆板

    壓板不良型爆板是負(fù)責(zé)壓板工程師最熟悉的一種類型，壓板工序造成爆板的原因很多。這里只對(duì)固化不足型缺陷進(jìn)行分析。

    （1）原因分析

    壓合固化不良型爆板一般不容易被懷疑，壓合程式一旦設(shè)定好，就很少去更改了，但在最初程式設(shè)定時(shí)因?yàn)樵囼?yàn)條件的不同，評(píng)估好的程序有時(shí)卻出現(xiàn)問(wèn)題。我們對(duì)失效的PCBA進(jìn)行△Tg測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)△Tg 值大于3℃時(shí)即存在較高的爆板風(fēng)險(xiǎn)。以下是失效PCBA的△Tg測(cè)試值：樣品測(cè)試條件Tg1 Tg2 △Tg參考值PCBA A態(tài)138.95 144.21 5.26 △Tg≥3℃

    （2）改善措施

    壓合是PCB制造的最重點(diǎn)工序之一，壓合過(guò)程的管理，定期的料溫測(cè)試和△Tg測(cè)試是必須的。或者適當(dāng)延長(zhǎng)壓板周期，確保板子充分固化。另外建議程式設(shè)定時(shí)采取高溫卸壓，釋放板子在高溫高壓固化時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

    3．鉆銑不良型爆板

    鉆銑不良型爆板常發(fā)生在密集孔區(qū)和板邊位置，其成因主要是鉆銑加工過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力影響。實(shí)踐中解決這類問(wèn)題的方法主要有：

    （1）在BGA等密集孔區(qū)，鉆孔時(shí)除參數(shù)應(yīng)優(yōu)化外，最好能夠采取跳鉆；

    （2）鉆孔后的烘板處理對(duì)預(yù)防爆板有一定的幫助；

    （3）發(fā)生在板邊的爆板一般與成型銑板有關(guān)，應(yīng)控制銑刀的壽命和疊板塊數(shù)。

    （4）高TG、無(wú)鹵素在鉆大孔徑時(shí)出現(xiàn)的爆孔一定跟上下刀速、轉(zhuǎn)速有關(guān)！

    4.棕化耐高溫性差（壓機(jī)程式設(shè)定不良）導(dǎo)致的爆板在隨著材料的應(yīng)用中，制程改善和耐高溫性要求材料的Tg不斷提高，固化時(shí)間的延長(zhǎng)和固化點(diǎn)溫度的提高對(duì)棕化的耐高溫性提出了挑戰(zhàn)，普通的材料固化溫度要求在170℃左右，也就是說(shuō)我們的實(shí)際壓板料溫必須保證在170℃以上保證20-30min，那么最高溫度也就一般控制在185℃以下，這時(shí)的棕化層顏色比較正常，棕化層完好無(wú)損，自然棕化層與半固化片的結(jié)合力也就達(dá)到理想的狀態(tài)。反之則棕化層顏色變紅、脫落，棕化層與半固化片的結(jié)合力破壞，導(dǎo)致分層！針對(duì)無(wú)鹵、HTG材料固化溫度的提高，以及固化時(shí)間的延長(zhǎng)，要求實(shí)際壓板料溫必須保證在185℃以上保證60-90min，那么最高溫度也就會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增高，一般的棕化藥水耐高溫連接點(diǎn)在195-200℃之間，所以我們的壓板料溫在程式設(shè)定的時(shí)候就必須考慮最高溫度及壓板的時(shí)間，既要保證材料充分固化，又要保證棕化層在高溫下不被侵蝕。改善方案：定期測(cè)試料溫，根據(jù)天氣的變化，熱煤油的導(dǎo)熱性能而調(diào)節(jié)程式！

    5.烤板過(guò)度型爆板線路板生產(chǎn)過(guò)程中很多工序都涉及到烤板，一是為了加強(qiáng)固化，而是為了趕走水氣，一般的烤板溫度設(shè)定都較板材的Tg值高出5℃左右，時(shí)間則要根據(jù)實(shí)際情況而定，如果是加強(qiáng)固化，則長(zhǎng)點(diǎn)；趕走水氣，則相應(yīng)短點(diǎn)。如果溫度設(shè)定超出板材Tg值很多（20℃以上），則很容易導(dǎo)致板材炭化，棕化層變色。eg：普通tg的板件，本應(yīng)用150℃烘烤4小時(shí)，如果設(shè)定170℃烘烤4小時(shí)，則一定會(huì)發(fā)生板材炭化型爆板；Htg板件，本應(yīng)用175℃烘烤5小時(shí)，如果設(shè)定175℃烘烤8小時(shí)，則板材也會(huì)發(fā)生炭化，棕化層變色，導(dǎo)致分層。

    6.腐蝕型爆板線路板基材、半固化片等很多材料都是由“膠”組成的，那么使用強(qiáng)酸（CP濃硫酸）可以對(duì)膠跡進(jìn)行去除！直接從表層 滲入里面進(jìn)行除膠渣！使用強(qiáng)堿浸泡可以使基材松透，這就是平時(shí)我們?cè)谕讼醋韬笗r(shí)浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致基材出現(xiàn)織紋顯露的原因！

    7．過(guò)程吸濕型爆板

    過(guò)程吸濕管理是PCB制造過(guò)程重點(diǎn)，這類爆板常發(fā)生于絕緣層中間，沒有明顯的缺點(diǎn)特征。為預(yù)防因吸濕造成的爆板，我們建議：

    （1）應(yīng)選擇吸水率相對(duì)低的材料；

    （2）PP儲(chǔ)存車間與疊板車間要求有溫濕度控制管理，若PP在冷庫(kù)中儲(chǔ)存，使用前應(yīng)做解凍（回溫）處理；

    （3）半成品過(guò)程存放時(shí)間不能太長(zhǎng)，特別是內(nèi)層生產(chǎn)過(guò)程中的尾數(shù)板管理（我們的試驗(yàn)證明，在常溫沒有濕度控制的環(huán)境中，內(nèi)層板存放7天再壓合，爆板的發(fā)生率就非常高）；

    （4）成品板的包裝不良也是PCB吸濕爆板的重要影響因素。
    三、結(jié)論

    通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：影響分層爆板主要原因與PCB設(shè)計(jì)、材料選擇、加工過(guò)程、焊接Profile 等有較大的影響。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇耐熱性能較好的板料，加強(qiáng)過(guò)程品質(zhì)控制及優(yōu)化焊接溫度，分層爆板可以得到有效的改善。