如何提高PCB的可焊性

摘要：“可焊性”是指焊料對(duì)基體金屬的可釬焊性，即焊料對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕性能的好壞。PCB板的可焊性，有兩種衡量方式，其一是指PCB在組裝中焊接的難易程度，它可以用設(shè)備在組裝中出現(xiàn)虛焊、假焊的概率來衡量其優(yōu)劣，其二作為PCB生產(chǎn)商為了判斷和保證產(chǎn)品焊接性能，根據(jù)J-STD-003標(biāo)準(zhǔn)要求，采用模擬焊接的方式，按照IPC6012B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以潤(rùn)濕程度做以衡量。影響PCB可焊性的原因是多方面的，有自然的，有人為的，也有制造工藝的等等。本文主要從PCB生產(chǎn)制程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)PCB焊接性的影響，以實(shí)例做詳細(xì)全面的分析和相應(yīng)的對(duì)策，用以提高PCB的焊接性。關(guān)鍵詞：可焊性設(shè)計(jì)孔壁粗糙度鍍銅目前PCB制造商的可焊性測(cè)試一般采用專用的不銹鋼錫鍋，以錫鉛63/37為主要焊料或者其他無鉛焊料，在助焊劑方面應(yīng)采用非活性松香助焊劑（25％白色橡膠松香在99％無水乙醇中）。測(cè)試時(shí)一般最少為兩個(gè)測(cè)試樣片，一個(gè)應(yīng)有表面封裝，另一個(gè)應(yīng)包含有至少10個(gè)焊接孔。測(cè)試按照J(rèn)-STD-003標(biāo)準(zhǔn)要求，按照不同的時(shí)間，將樣片“漂浮”或者“浸泡”在不同溫度要求的錫鍋焊料之中進(jìn)行模擬焊接測(cè)試。應(yīng)在50倍顯微鏡下觀察，以潤(rùn)濕程度做以衡量。如果焊料對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕性能良好，表明“可焊性”也比較好。一般潤(rùn)濕程度可以用焊料對(duì)基體金屬的接觸角來表征，最好狀態(tài)下接觸角一般接近于零度；小于、等于90°認(rèn)為焊點(diǎn)是合格的；當(dāng)大于90°時(shí)認(rèn)為焊點(diǎn)是不合格的。作為印刷線路板上的金屬基體一般采用在基體導(dǎo)體銅上做各種表面金屬基體涂覆，最常見的如：熱風(fēng)噴錫、化學(xué)鎳金、化學(xué)銀、化學(xué)錫、防氧化等，各處理工藝過程中的優(yōu)劣，將直接影響最終的焊接。一、表面金屬基體涂覆工藝最常見的幾種影響焊接的因素在表面處理之前，微蝕效果不佳，被氧化的底銅未被去除干凈，影響處理效果。各表面工藝基體的金屬厚度沒有達(dá)到最低要求，對(duì)底銅沒有起到很好的保護(hù)作用，化，影響焊接。當(dāng)各表面工藝中銅含量超標(biāo)，影響表面處理效果。水洗效果不佳，導(dǎo)致水中的菌類對(duì)處理后的表面進(jìn)行污染。金屬基體化合物間致密性差，留有空隙，使底銅暴露在空氣中，被氧化影響焊接。表面處理后烘干不好，金屬基體表面留有大量的水分，與空氣接觸將金屬基體表面氧化。在表面處理之后至成品包裝，仍然會(huì)經(jīng)過很多道工序，期間金屬基體被酸性氣體或高溫潮濕環(huán)境污染。由于金屬基體表面經(jīng)過處理后，長(zhǎng)時(shí)間或*在高溫下存放，金屬基體被氧化，在焊接時(shí)氧化物未被去除干凈，使得焊料難以在這種表面上鋪展，從而導(dǎo)致接觸角大于90。金屬基體存放超出使用周期，金屬基體老化失效。以上是在表面金屬基體涂覆過程中和在焊接之前，影響最終焊接的幾種因素。但本文將重點(diǎn)論述PCB生產(chǎn)制程中做表面金屬基體涂覆之前各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，影響“可焊性”不良的各種可能性因素，并以實(shí)例說明。

二、PCB的“設(shè)計(jì)”對(duì)焊接的影響絕大多數(shù)的PCB制造商都是依照客戶的GERBER數(shù)據(jù)進(jìn)行制作，加工生產(chǎn)的，只有極少數(shù)可以有自行設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。因此，作為PCB加工商不會(huì)參與到前期的設(shè)計(jì)和研發(fā)之中，但由于設(shè)計(jì)者不了解PCB加工過程，可能導(dǎo)致一些焊接時(shí)不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，經(jīng)過PCB制造商與設(shè)計(jì)者之間對(duì)問題的準(zhǔn)確理解，彌補(bǔ)了由于設(shè)計(jì)原因?qū)е碌暮附硬涣?，下面以兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析和改善：案例1：PCB的成型加工除銑成型外，另一種是沖成型，由于設(shè)計(jì)時(shí)沒有規(guī)定沖外形的方向，導(dǎo)致錫鉛盤面受到向下的剪切力較大造成的錫鉛面壓傷呈現(xiàn)麻面，可焊性實(shí)驗(yàn)不良。分析：此產(chǎn)品在沖外形時(shí)，是將有錫鉛的一面朝下放置，由于錫鉛盤面受到向下的剪切力較大，錫鉛面壓傷呈現(xiàn)麻面切片表明，雖然表面上看仍然有錫鉛保護(hù)，但由于邊緣錫鉛厚度已接近Oum,金屬基體銅被氧化，在焊接過程中嚴(yán)重的氧化層沒有被去除完全，是造成可焊性不良的根本原因。改善措施：1．更改膠片，四周錫盤寬度加寬。2．改變沖壓方向，將有錫鉛盤的一面朝上進(jìn)行沖外形。3．經(jīng)客戶試焊，四周錫盤寬度加寬反方向沖壓的產(chǎn)品焊接后100％為良品。四周錫盤寬度加寬按照原沖壓方向的產(chǎn)品焊接后50％為良品。說明四周錫盤寬度加寬反方向沖壓的產(chǎn)品可焊性徹底改善。案例2：根據(jù)客戶反映產(chǎn)品經(jīng)過兩次回流后出現(xiàn)固定點(diǎn)焊接不良現(xiàn)象。分析：大多數(shù)焊接不良的焊盤位于大地線銅面上。從缺陷點(diǎn)的特點(diǎn)可以看出，大面積銅地線盤出現(xiàn)焊接缺陷的呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，大面積銅吸收大量的熱量，然后熱量被迅速釋放，無法達(dá)到焊接所需要的溫度，影響焊接上錫效果。改善：通過更改線路圖形的設(shè)計(jì)，來改善大面積地線銅上焊盤的受熱狀態(tài)。結(jié)論：更改圖形后的產(chǎn)品經(jīng)過客戶的焊接確認(rèn)，沒有再出現(xiàn)焊接不良的情況。三、表面涂覆之前處理各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)“可焊性”不良的影響表面涂覆是將各種表面工藝涂覆在底銅上，因此底銅處理的好壞直接影響表面涂覆的效果，最終影響焊接效果。例如：顯影不凈，底銅氧化，阻焊上盤等這些都是比較普遍的現(xiàn)象。下面介紹的兩個(gè)實(shí)例是大家容易忽視的，但又會(huì)嚴(yán)重影響焊接效果的缺陷，因此對(duì)于這兩種缺陷的過程控制管理，能夠引起大家的重視。目前鉆孔普遍仍然采用傳統(tǒng)的加工方式，以高速鉆機(jī)為加工設(shè)備，采用合金鉆頭為加工工具，在PCB上加工出所需直徑的孔，以起到為后序加工導(dǎo)通的作用。這里唯一判斷孔壁質(zhì)量的環(huán)節(jié)是孔壁粗糙度的大小，它與鉆孔疊板數(shù)，鉆頭使用壽命，刃磨次數(shù)，鉆機(jī)工藝參數(shù)，CCL板厚和銅箔厚度等有著直接的關(guān)系，筆者曾做過實(shí)驗(yàn)，得出鉆孔疊板數(shù)在這些因素中影響最大。但大家都忽視了對(duì)孔壁粗糙度的限定，在IPC6012標(biāo)準(zhǔn)中并沒有要求，筆者認(rèn)為孔壁粗糙度應(yīng)被限定在40um以下。本新聞共2頁,當(dāng)前在第1頁12案例1：筆者曾遇到過一次由于孔壁粗糙度大，影響焊接效果。這里說的焊接不良，是在做過波峰焊之后，由于孔壁粗糙度過大，焊錫爬不滿整個(gè)孔內(nèi)。不僅如此通過金相觀察，此處還很容易形成空洞，嚴(yán)重時(shí)由于受到高溫度焊料的沖擊在空洞拐角處震裂開孔內(nèi)銅，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

改善措施：減少疊板數(shù)，降低鉆頭的使用壽命和刃磨次數(shù)，盡可能使用新的或刃磨一次的鉆頭，對(duì)于一些特殊板材的鉆孔加工，要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證找到一種適合的工藝條件。隨著電子設(shè)備的小型化、高性能化與SMT廣泛采用，促使印制電路板制造技術(shù)向著高密度化、多層化方向發(fā)展。因此，印制線路板制程中化學(xué)銅，一次銅，二次銅加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響印制板電路間連接的可靠性?；瘜W(xué)鍍銅過程，使孔壁非導(dǎo)電體（絕緣體）表面沉積一層銅，以確保內(nèi)層導(dǎo)體與電路的可靠連接。特別在處理多層化、高密度化、小孔徑和孔徑與板厚比高的情況下通過孔內(nèi)壁銅層形成可靠的連接。一次銅是為保護(hù)剛剛沉積的薄薄的化學(xué)銅，防止化學(xué)銅氧化后被酸浸蝕掉，通過電鍍將其加厚到一定程度。二次銅為滿足各線路額定的電流負(fù)載，各線路和孔銅銅厚需要達(dá)到一定的厚度。目前電鍍加工多采用垂直線體加工，采用硫酸銅為主要的電解液，配以光亮劑。為了保證高可靠性，因此對(duì)鍍銅厚度和均勻性能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（一般要求大于25um）顯得非常重要。筆者曾做過電鍍線體的DOE實(shí)驗(yàn)，從鍍銅液中各組分，電流密度，槽體溫度，上片方式等驗(yàn)證對(duì)鍍銅厚度最直接的影響因素，得出電流密度在所有因素中影響最大。另外，我們不能忽視鍍銅的深度效果，由于受垂直線體的影響從電鍍?cè)黻P(guān)于電流分布狀態(tài)進(jìn)行分析，通過實(shí)際電鍍時(shí)發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)電流的分布呈現(xiàn)腰鼓形，出現(xiàn)孔內(nèi)電流分布由孔邊到孔中央逐漸降低，致使大量的銅沉積在表面與孔邊，無法確?？字醒胄桡~的部位銅層應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)厚度，有時(shí)銅層極薄或無銅層。案例2：由于鍍銅厚度沒有滿足要求，導(dǎo)致的焊接不良的發(fā)生。分析原因：1．全板鍍銅、圖形電鍍電流效率降低，在整個(gè)一次銅加工過程中，如果出現(xiàn)某一時(shí)刻，或者是開始階段或者是后一階段或者是中間某一階段電流消失，導(dǎo)致鍍銅沒有達(dá)到一定的厚度，而且會(huì)侵蝕掉已經(jīng)電鍍上的部分銅，因此造成孔內(nèi)銅缺失，或者鍍銅厚度過薄。2．由于一次銅厚度過薄，在圖形電鍍微蝕槽中將銅全部蝕刻掉，造成孔內(nèi)銅缺失。3．全板鍍銅和圖形電鍍深度能力不足，孔中心處銅厚度過薄，經(jīng)過微蝕時(shí)銅被蝕刻掉。圖形電鍍時(shí)鍍錫厚度不足，或者鍍錫時(shí)產(chǎn)生H2氣泡，經(jīng)過蝕刻線時(shí)，由于沒有了錫保護(hù)，或保護(hù)不足導(dǎo)致銅被蝕刻掉。噴錫或者其他表面工藝前處理返工次數(shù)過多，導(dǎo)致銅被蝕刻掉。改善措施：對(duì)全板鍍銅線和圖形電鍍線的電流表進(jìn)行檢修，并制訂定期的檢測(cè)頻率。增加過程測(cè)試能力，對(duì)每一飛巴的產(chǎn)品進(jìn)行抽樣鍍銅厚度測(cè)試。對(duì)全板鍍銅線和圖形電鍍線陰陽極位置以及光亮