張雪鋒 彭曉華
(廣東科翔電子科技股份有限公司,廣東 惠州 516083)
隨著電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代,印制電路板(PCB)也在隨之演變,主要體現(xiàn)在層數(shù)越來(lái)越高、線寬/線距越來(lái)越小、孔密集度越來(lái)越高。本文主要對(duì)HDI板大銅面盲孔、埋孔(BVH)區(qū)域在成品過(guò)紅外線(IR)爐后分層起泡異常,通過(guò)不良實(shí)物微切片分析并擬定實(shí)驗(yàn)方案,根據(jù)試驗(yàn)方案測(cè)試得出相應(yīng)條件下的不良數(shù)量,層別出HDI板大銅面BVH區(qū)域分層貢獻(xiàn)度,找出造成分層起泡的真因,故針對(duì)分層起泡作為專(zhuān)題進(jìn)行研究改善,并落實(shí)到過(guò)程控制,以防止異常再次發(fā)生。
將分層的位置剝開(kāi),發(fā)現(xiàn)分層問(wèn)題主要集中在外層大銅面的BVH上方,從分層位置外觀可以看到,分層處外層銅面上及BVH上方均有殘留樹(shù)脂,棕化面顏色正常(見(jiàn)圖1)。
圖1 分層不良圖片
將分層位置進(jìn)行微切片分析,分層既發(fā)生在L1、L2層之間的半固化片內(nèi)部,又發(fā)生在L2、L3層之間的半固化片內(nèi)部。棕化面上均有樹(shù)脂,從該切片看出分層是發(fā)生在材料內(nèi)部,跟棕化面無(wú)關(guān)(見(jiàn)圖2)。
圖2 分層位置微切片圖
通過(guò)和客戶溝通了解到,貼裝條件為無(wú)鉛要求,最低貼裝溫度在240℃,造成分層的要因分析(見(jiàn)圖3)。通過(guò)以上分析,首先,材料作為導(dǎo)致分層的顯著因子,其次,PCB受潮及設(shè)計(jì)原因也有一定貢獻(xiàn)度。
無(wú)BVH區(qū)域(見(jiàn)圖4例1)在耐熱性能測(cè)試受熱膨脹時(shí),在同一平面上各個(gè)位置的Z方向的膨脹量都是均勻的,因此不會(huì)存在由于結(jié)構(gòu)的差異造成的應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)設(shè)計(jì)有BVH鉆在基面上(見(jiàn)圖4例2)時(shí),在BVH與BVH之間的A-A和C-C截面上,由于基材沒(méi)有收到BVH在Z方向的約束,膨脹量較大,而在BVH和焊盤(pán)所在的B-B截面上,由于基材受到BVH在Z方向的約束,因而膨脹量較小,這3處的膨脹量的差異,在BVH焊盤(pán)與HDI介質(zhì)和塞孔樹(shù)脂交界處和附近區(qū)域造成應(yīng)力集中。從而比較容易形成裂縫和分層。
圖3 分層異常要因分析圖
圖4 Z軸膨脹分析
當(dāng)設(shè)計(jì)有BVH且BVH鉆在Cu面上時(shí),也會(huì)在BVH焊盤(pán)與HDI介質(zhì)和塞孔樹(shù)脂交界處和附近區(qū)域造成應(yīng)力集中,但是由于BVH與BVH之間的Cu是連接在一起的,A-A和C-C截面上也會(huì)有一定的約束,因此A-A和C-C截面和B-B截面在Z-方向的膨脹量的差異會(huì)較小一些,形成裂縫和分層相對(duì)也就小一些(見(jiàn)圖4例3)。
PCB中的水分主要存在于樹(shù)脂分子中和PCB內(nèi)部存在的宏觀物理缺陷處,如空隙、微裂紋等,水的存在也對(duì)其性能有著異常重要的影響。
在PCB受熱的同時(shí),其中一部分自由體積的水可以通過(guò)微孔狀的PCB基材散失出去,從而減少可能在空隙或微裂紋處聚集的水的摩爾體積分?jǐn)?shù),從而有利于PCB的分層改善。如果PCB表面有大面積的Cu圖形覆蓋,則在PCB受熱時(shí),BVH上方的大銅面擋住受熱后向外逸出的水氣,使微裂紋中水氣濃度升高,發(fā)生分層的幾率增加。
根據(jù)以上分析,擬定了不同材料試驗(yàn)(見(jiàn)表1)、HITACHI材料試驗(yàn)(見(jiàn)表2)、PCB受潮試驗(yàn)(見(jiàn)表3)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)一步驗(yàn)證。
采用不同基材和塞孔樹(shù)脂,比較分層情況(見(jiàn)表1)。
不同材料試驗(yàn)結(jié)論:
(1)由以上試驗(yàn)可以看出,使用HITACHI均有分層,但通過(guò)使用較高樹(shù)脂含量半固化片、改變?nèi)子湍?,?duì)分層有一定程度的改善。
(2)S1170與RCC在試驗(yàn)板上測(cè)試結(jié)果可以滿足IR3次無(wú)分層,在IR6次后較低比例的分層,說(shuō)明材料的選用有明顯的貢獻(xiàn)度。
(3)統(tǒng)計(jì)公司目前的分層比例:在客戶投訴分層的型號(hào)中,統(tǒng)計(jì)外層半固化片使用的含膠量,其中含膠量為62%比例占91,含膠量為65%比例僅占9%,說(shuō)明樹(shù)脂含量過(guò)低存在分層的風(fēng)險(xiǎn)。
采用Hitachi基材,不同的加工條件,比較分層情況(見(jiàn)表2)。
HITACHI材料試驗(yàn)結(jié)論:
HITACHI材料通過(guò)調(diào)整不同的試驗(yàn)參數(shù),測(cè)試結(jié)果均有分層,但通過(guò)在棕化后加烘板、樹(shù)脂塞孔分段烘有一定改善,層壓參數(shù)2為較優(yōu)化的層壓參數(shù)。
表1 不同材料試驗(yàn)
表2 HITACHI材料參數(shù)確認(rèn)試驗(yàn)
表3 板材受潮試驗(yàn)
板材受潮試驗(yàn)結(jié)論:在包裝前烘板,并使用鋁箔真空包裝可以明顯改善PCB完成后至貼裝期間因受潮導(dǎo)致的分層。
綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)HDI板大銅面BVH(盲孔、埋孔)區(qū)域分層通過(guò)不同材料對(duì)比試驗(yàn)、HITACHI材料不同條件試驗(yàn)以及PCB板受潮試驗(yàn)分析,導(dǎo)致出現(xiàn)此類(lèi)分層的主要原因是此類(lèi)HDI設(shè)計(jì)使得內(nèi)層埋孔上方受熱時(shí)應(yīng)力非常集中。當(dāng)材料的抗曲張應(yīng)力的能力不足,會(huì)產(chǎn)生分層,而假使產(chǎn)品受潮會(huì)加劇此類(lèi)品質(zhì)問(wèn)題,對(duì)此SME現(xiàn)階段改善如下。
(1)選用測(cè)試中材料耐應(yīng)力方面優(yōu)于HITACHI的S1170材料,替代HITACHI材料應(yīng)用于無(wú)鉛貼裝;
(2)改善包裝條件以控制PCB完成后的受潮;
(3)內(nèi)部設(shè)計(jì)提高樹(shù)脂含量(RCC為100%樹(shù)脂)改善分層;
(4)建議客戶設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮含膠量及介質(zhì)厚度,BVH上方避免設(shè)計(jì)大銅面區(qū)域。根據(jù)以前的試驗(yàn)結(jié)果,如設(shè)計(jì)時(shí),在密集BVH上方的大銅面上開(kāi)窗,可以降低分層的風(fēng)險(xiǎn)。