电路板无铅回焊试焊

2020-05-19 12:01:49 432

一、第一次试做及试焊

(一)、PCB结构与回焊

首先利用高Tg与Dicy硬化的FR-4板材,做成22层及24层之两种高多层板。并将空板利用两种回焊炉,在两种L形的回焊曲线之下,进行6-9次的模拟回焊,现将其两种板类与其回焊曲线说明于下表与下三图(事实上笔者认为此种未具吸热鞍部的回焊曲线,根本不适合一般多层板,甚至更不能用于厚大多层板的无铅回焊):

表1 、两种考试板的内容

两种考试板的内容

热风回焊曲线

大发快盈500 图1、此热风回焊曲线之峰温为253℃~260℃ ,升温速度介于0.55℃~0.72℃/sec ,

大发快盈500 冷却速率0.81℃/sec,是一种相当缓慢的做法。

大发快盈500 图2、此回焊曲线之升温速率为0.87℃/sec,降温速率为2.05℃/sec,属较快速冷却的做法。

 

(二)、微切片分析

经过多次回焊与多处爆板后,随即针对爆板区进行失效分析,以下即为其等切片之发现。

 

(三)、讨论

经过上述第一次回焊,可看出几种具代表性的逻辑:

●回焊曲线升温太快者容易爆板,至于降温太快是否与爆板有关尚不可知。且笔者感觉s上述电路板公司所用之回焊曲线其实并不恰当,此种直上直下并无鞍吸热的形曲线,只适用于低阶板类与简单零件之回焊。複杂多层须採有鞍部,或长鞍部吸热段的曲线,使板体处于内外均温情况时,才可进行快速上衝峰温的动作而完成焊接。

 

存活率比较

大发快盈500 图3、此为两种厚多层板採两种曲线经6次回焊后之存活率比较,以A板在回焊曲线(快热快冷)回焊后之成绩最差。

大发快盈500 其首焊之未爆板只有40%而已,二次回焊后即全部都失败了。

其次是人板经由回焊曲线1的成绩,其中以B板回焊曲线1的成绩最好,

大发快盈500 即使回焊了5次尚有67%的存活率,第6次才全数失败。

 

爆板情形

图4、(左)为A板採回焊曲线1在内层大铜面处所发生的爆板情形,其开裂处分别出现在铜面,或树脂等介面位置

大发快盈500 图5、(右)此为B板採回焊曲线1回焊后在BGA腹底多孔区发生的板材开裂情形, 且多半出现在树脂与玻纤之介面间

 

浮离现象

大发快盈500 图6、(左)当孔环变窄时,即容易发生翘环之浮离现象。原因当然是强热中Z轴CTE太大与铜环附著力不足所造成。

图7、(右)此为八板採回焊曲线 2回焊后在大铜面区所发生的板材裂层情形, 位置也出现在铜面与树脂,以及树脂与玻纤之间。

 

●BGA腹底多孔密孔区容易积热而爆板。

大发快盈500 ●做过无铅喷锡流程者也较容易爆板。譬内层大铜面区容易爆板。

●本次试验之板材虽均为Dicy硬化之高Tg板材,但参考许多其他証据可知;採用Dicy硬化之板材,即使其电路板制作做得再好,其爆板也不如PN硬化者来的更少。

 

 

二、第二次试做与试焊

二次试验的板材已搭配Dicy与PN两种硬化剂的不同板材,并由本次试验的结果可知,PN型的耐热性确实要比Dicy更好。同时也可看出影响无铅焊接导致爆板的原因尚有:压合製程,压合后烘烤,内层板吸水情形,完工板的吸水情形,以及树脂聚合程度等因素。

电路板制作过程中A板分别採用Dicy硬化与PN硬化等两种板材,虽然也选择了两种不同的压合流程,但却发现对结果影响不大。反倒是焊接前空板的烘烤与否,对爆板才有著直接的影响。烘烤条件是125℃ ,共计24小时,现将其板材与无铅回焊后的存活率整理于后。

大发快盈500 表2、针对考试板所做各种热机分析的数据整理

针对考试板所做各种热机分析的数据整理

 

呈现爆板存活率的比较

图8、两种硬化板材,与回焊前有否烘烤等不同条件所呈现爆板存活率的比较。

 

(一)、讨论

大发快盈500 ●FR-4经Dicy硬化者,其爆板现象几乎是全板各处同时开裂,而PN硬化者则只在腹底多孔区才出现局部开裂。

●Dicy硬化者不管回焊前有无烘烤,两次回焊后都会全部爆板。但经PN硬化又焊前烘烤者,历经四次回焊后尚可存活50% 。

大发快盈500 ●说明Dicy因极性大易吸水,故不易通过热应力的考验。而PN之极性很小,吸水率极低,且添加量又在20%bywt以上,事实上已经大幅改变了环氧树脂的线状本性,而另具酚醛树脂的立体结构强度,因而强热中已不易发生裂解了 。

 

爆板情沉

大发快盈500 图9、(左)经Dicy硬化之A板,经过回焊曲线 2 的两次回焊后,在孔边发现的爆板情沉。

其开裂多出自于树脂与玻纤之介面间,并由此图也可见到PTH所展现的铆钉效果。

图10、(右)此为A板在BGA腹底通孔附近的爆板情形,但却是经由PN硬化的板材,

系採用回焊曲线2经过5次回焊后,才发现树脂与玻纤之间的开裂,成绩比Dicy已大有进步。

 

 

三、第三次试做与试焊

(一)、试验之淮备

大发快盈500 第三度试验时,已将板材全数改为硬化型,而且还特别将PCB的流程加以改善。也就是为了无铅回焊的良率更好起见,刻意将所有完工的内层板都在110 ℃烘烤3小时,外层板在除胶渣后则另置于150℃中烘烤4小时,至于表面处理方面,该22层的八板是採用电镀镍金而非ENIG。此次共做了6批每批共有15片板子,而且还在回焊前又刻意将其6片板子置于125℃中再烤24小时。另外6片板子则回焊前刻意不进行烘烤,以做为效果的对比。且该两批中还各取两片板子分别进行:漂锡热应力试验,Tg的量测,T260/T288试验,以及採回焊曲线2模拟回焊。此次试验发现焊前烘烤与未烤两类PN硬化的板子,经过12次模拟回焊后均未出现爆板。

大发快盈500 表4、六批考试板其流程的改善与强化

六批考试板其PCB流程的改善与强化

 

(二)、结果之讨论

大发快盈500 现整理上述六批板子的试验结果并讨论如下:参六批PN硬化的板子,不管其PCB流程中有否执行两次烘烤,均可通过12次的模拟回焊。参回焊前曾用三种方法分别测试Tg1与Tg 2之△T ,虽然发现各△T仍有1-8℃的差异,但12次回焊后其△T的确都已变小很多。即表示原始树脂的硬化程度已十分良好,此硬化度与压合製程以及压合后烘烤都有著直接关系。

大发快盈500 ●由于Tg2仍高于Tg1 ,此即说明板材中之树脂尚未出现裂解的徵兆。

大发快盈500 ●12次回焊后再进行T288测试,发现所得数据并不低于焊前之读値,此亦可解读为树脂尚未出现裂解的証据。

●经过三次与六次漂锡均全数过关,未出现任何起泡与爆板,虽然切片上也出现由于CTE不匹配的孔环浮起,与体积收缩的树脂缩陷(尚未超过孔长的20%),但此等均为强热所必然发生的现象,只要板材切片中尚未出现微裂,一般均可视为尚可允收的小瑕疵。

 

并未发现开裂图片

大发快盈500 图11、(左)此为表4之第二批两次烘烤者, 经过12次回焊后于大铜面区见到的画面,并未发现开裂。

图12、(右)此为表4之第4批内烤外来烤者,经12次回焊后在BGA腹底多孔区见到的切片画面,亦未出现开裂。

 

树脂缩陷与孔环浮离也未发生

图13、(左)此为表4之第6批内外均未烤者,经过12次回焊后并未出现爆板,甚至连树脂缩陷与孔环浮离也未发生的精采画面。

图14、(右)此为表4第6批内均未烤者,经3次漂锡后,均未出现板材开裂与孔铜拉断等问题,树脂缩陷也未超过孔长的20% 。

 

孔环浮离之缺失

大发快盈500 图15、(左)此为第5批内均未烤者,经6次漂锡亦未出现板材开裂与孔铜拉断,但树脂缩陷则仍然存在。

图16、(右)此为第4批内烤外未烤者经过6次漂锡后,出现孔环浮离之缺失。

 

pcba

图17、(左)此片板子之大铜面区已通过20次无铅回焊的考验,尚未发现板材的开裂。

图18、(右)此板亦通过20次无铅回焊考验,即使BGA腹底多孔区亦未出现板材的开裂,甚至连树脂缩陷亦未发现。

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