印制電路板鼓包故障失效機(jī)理分析與工藝控制

0引言

隨著焊接工藝從無(wú)鉛向有鉛轉(zhuǎn)換,焊接的溫度相應(yīng)提高了約30℃,并且隨著組裝密度的提高,不少組件的裝聯(lián)工藝采用回流+波峰焊接的工藝,對(duì)于印制電路板(PCB)而言,必須具有更優(yōu)異的耐熱性能,才能承受更高的溫度及反復(fù)的受熱,否則可能出現(xiàn)鼓包分層的現(xiàn)象。無(wú)鉛轉(zhuǎn)換以來(lái),鼓包分層已經(jīng)成為組裝工藝的一個(gè)典型的失效模式^[1]。PCB鼓包分層會(huì)使得內(nèi)部的電絕緣性能降低發(fā)生漏電擊穿,或者造成導(dǎo)線或者通孔斷裂,最終導(dǎo)致電子產(chǎn)品的功能失效。

1實(shí)例分析

在一類產(chǎn)品電裝完成后發(fā)現(xiàn),印制板通孔器件周 邊印制板出現(xiàn)鼓包,如圖1所示,根據(jù)IPC—A—610—CN《電子組件的可接受性》關(guān)于印制電路板起泡缺陷的判定及可接受標(biāo)準(zhǔn)^[2]如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)要求,起泡/分層使導(dǎo)電圖形間距減少至最小電氣間隙,該缺陷起泡面積較大,起泡范圍已經(jīng)超過(guò)最小電氣間隙,因此判定該印制板報(bào)廢。

2技術(shù)分析與定位

對(duì)鼓包的印制板開展金相分析,如圖3所示,從印制板鼓包形貌及切片分析^[3]來(lái)看,判斷該缺陷為起泡。根據(jù)問(wèn)題現(xiàn)象,對(duì)印制板鼓包原因進(jìn)行分析,如圖4所示。

2.1印制板生產(chǎn)

2.1.1 印制板生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題

印制板生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題主要包括層壓、熱風(fēng)整平等問(wèn)題。層壓工序和熱風(fēng)整平工藝參數(shù)均滿足工藝要求,排除了熱風(fēng)整平造成的印制板鼓包,同時(shí)經(jīng)復(fù)查同批次交付印制板,印制板生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定,未見異常。

經(jīng)對(duì)印制板進(jìn)行金相分析及剖切,如圖5所示,發(fā)現(xiàn)鼓包分層位置位于3/4之間的基材區(qū)域,而非基材與半固化片結(jié)合處,可以排除印制板生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題。

2.1.2基材異常

對(duì)問(wèn)題批次基材情況進(jìn)行清查,對(duì)使用相同基材的產(chǎn)品進(jìn)行清查,對(duì)疊層結(jié)構(gòu)與鼓包印制板基材一致的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)查,除兩塊印制板鼓包外,其余印制板均未見異常,可以排除基材異常問(wèn)題。

2.2電裝控制過(guò)程

與印制板可能產(chǎn)生鼓包相關(guān)的工序包括:接收配套、清洗、焊前預(yù)烘、波峰焊接、手工焊接、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。各工藝參數(shù)如下:

1)裸板清洗工藝要求:異丙醇浸泡5 min,查詢生產(chǎn)過(guò)程記錄,清洗參數(shù)滿足要求。

2)裸板烘烤工藝要求:120℃ ,4 h,查詢加工卡記錄,滿足烘烤工藝參數(shù)要求。

3)波峰焊接工藝要求:查詢產(chǎn)品當(dāng)日波峰焊機(jī)操作記錄,發(fā)現(xiàn)預(yù)熱區(qū)溫度與規(guī)范要求不一致,預(yù)熱溫度相比工藝規(guī)程規(guī)范要求下降了2個(gè)百分點(diǎn),預(yù)熱區(qū)溫度不夠可能會(huì)對(duì)印制板去潮造成影響,因此不可排除電裝控制問(wèn)題,后續(xù)將開展工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 印制板存儲(chǔ)問(wèn)題

2.3.1存儲(chǔ)環(huán)境

印制板單塊抽真空后,放置在存儲(chǔ)車間統(tǒng)一管理,環(huán)境要求為:存放環(huán)境溫度10~30℃、濕度30RH%~70RH%,且按照要求進(jìn)行溫濕度記錄,符合要求,可以排除此問(wèn)題。

2.3.2存儲(chǔ)期限

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,印制板存儲(chǔ)周期為一年,一年后需要進(jìn)行烘烤處理,烘板要求為105~125℃ ,4~6 h,一般情況下,高溫焊接的最高溫度為260℃ ,最大濕氣含量為0.1%,而鼓包印制板存儲(chǔ)超過(guò)兩年,因此開展了存儲(chǔ)期限與濕氣含量的相關(guān)測(cè)試,如表1所示,從表1中可以看出,當(dāng)印制板存儲(chǔ)期限超過(guò)一年后,樹脂中水分會(huì)超標(biāo),焊前預(yù)烘未有效將濕氣烘除^[4]。

3 改進(jìn)措施及方案

針對(duì)印制板鼓包問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)分析與定位,初步懷疑印制板鼓包問(wèn)題是由于實(shí)際焊接預(yù)熱溫度不夠和印制板存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)一年后,濕氣含量超標(biāo),因此開展兩項(xiàng)工藝試驗(yàn),確定印制板鼓包問(wèn)題發(fā)生的機(jī)理并針對(duì)原因進(jìn)行措施改進(jìn)。

3.1 預(yù)熱溫度不足工藝試驗(yàn)

3.1.1工藝要求

對(duì)試驗(yàn)基板在制作過(guò)程中的關(guān)鍵工藝要求如表2所示。

3.1.2樣件制作

試驗(yàn)樣件的制備從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等六個(gè)方面與產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程保持一致,每道工序完成后,分別對(duì)試驗(yàn)印制板進(jìn)行目檢。

3.1.3判定準(zhǔn)則

每道工序完成后應(yīng)按照要求進(jìn)行檢驗(yàn),要求:

1)目視印制板上的覆蓋層、涂層要求,標(biāo)識(shí)字符、圖號(hào)、板號(hào)等應(yīng)可識(shí)別,絲印的阻焊、字符標(biāo)識(shí)不應(yīng)遮蓋焊盤;

2)目視印制板表面無(wú)劃傷、凹坑、壓痕,不應(yīng)使導(dǎo)體外漏,基材損傷導(dǎo)致橋接導(dǎo)線或者損傷玻璃纖維;

3)印制板無(wú)彎曲、扭曲、焊盤起翹現(xiàn)象;

4)印制板無(wú)燙傷、起泡、分層、邊緣缺口或者微裂紋;

5)印制板面無(wú)劃傷、磕碰等。

3.1.4試驗(yàn)結(jié)果

每道工序完成后,分別對(duì)試驗(yàn)印制板進(jìn)行目檢發(fā)現(xiàn),經(jīng)檢驗(yàn),試驗(yàn)基板焊點(diǎn)周圍印制板外觀均滿足要求,印制板無(wú)氣泡、分層等現(xiàn)象,同時(shí),觀察整個(gè)基板表面,也均無(wú)起泡現(xiàn)象,如圖6所示,因此可以判定印制板鼓包并非波峰焊接預(yù)熱溫度不足導(dǎo)致。

3.2 濕氣含量工藝試驗(yàn)

對(duì)同批次印制板不同存儲(chǔ)周期下吸潮情況開展測(cè)試,如表3所示,發(fā)現(xiàn)超過(guò)兩年的印制板,濕氣含量已經(jīng)超過(guò)0.2%。而按照IPC—A—610—CN相關(guān)要求:一般情況下,高溫焊接的最高溫度為260℃,最大濕氣含量為0.1%。

因此,開展增加印制板烘烤時(shí)間來(lái)降低印制板濕氣含量的工藝試驗(yàn),按照改進(jìn)的預(yù)烘參數(shù):溫度(120±5)℃,烘板5 h,從表3中可以看出,對(duì)于存儲(chǔ)期限超過(guò)一年的印制板,烘烤時(shí)間5 h,可有效烘除絕大部分濕氣,濕氣含量均不大于0.1%,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可以有效避免焊接過(guò)程中印制板的白斑、鼓包、分層現(xiàn)象。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及分析結(jié)論

印制板存放時(shí)間超過(guò)兩年,濕氣含量超標(biāo),在熱應(yīng)力沖擊下,印制板在受潮區(qū)域出現(xiàn)氣化,導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)氣體出現(xiàn)較大的膨脹,其膨脹的程度遠(yuǎn)大于印制板基材膨脹,且其產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)大于基材之間的結(jié)合力,進(jìn)而導(dǎo)致印制板沿著玻璃纖維與樹脂之間或銅皮與樹脂之間出現(xiàn)分層、鼓包現(xiàn)象,如圖7所示。因此,通過(guò)改善預(yù)烘參數(shù),溫度(120±5)℃,烘板5 h,烘板后可有效烘除絕大部分濕氣,濕氣含量均不大于0.1%,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可以有效避免焊接過(guò)程中印制板的白斑、鼓包、分層現(xiàn)象,該措施在后續(xù)多批次長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證后,將該措施落實(shí)至實(shí)際的產(chǎn)品組裝過(guò)程中。

4結(jié)論

本文針對(duì)一類產(chǎn)品印制電路板鼓包故障進(jìn)行實(shí)例分析,經(jīng)過(guò)技術(shù)分析與理論探討,確定了印制板鼓包問(wèn)題的原因,研究出了行之有效的改進(jìn)措施,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,確定取得了明顯的改進(jìn)效果,并落實(shí)到具體的生產(chǎn)中,極大地提高了產(chǎn)品的可靠性,具有實(shí)際的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

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2024年第15期第20篇