焊接工藝下HDI板埋孔區(qū)分層的研究

曹秀娟 張 龍 劉綺瑩

（東莞長城開發(fā)科技有限公司 工程技術實驗室，廣東 東莞 523921）

鄭佳華 劉 路

（深圳長城開發(fā)科技股份有限公司 工程技術實驗室，廣東 深圳 518035）

0 引言

隨著科技的發(fā)展,不同類型、不同性能參數(shù)的基板材料被推向市場以滿足小型化、高密度的發(fā)展需求。印制電路板（PCB）基板選型過程中產(chǎn)品設計方既要考慮功能信號的實現(xiàn),也要考慮成本及制造加工能力。若設計與板材間的兼容性問題被忽視,則會導致PCB可靠性問題時有發(fā)生,例如過近的設計間距匹配較差的板材帶來的導電陽極絲（CAF）失效。

同時,PCB組裝行業(yè)為了滿足更高的焊接要求,多樣化的焊接工藝被應用帶來較大的焊接條件變化。焊接溫度方面,有鉛到無鉛使SMT（表面安裝技術）回流焊接溫度提高了近40 ℃[1]；波峰焊、熱風槍等多樣的焊接方式使最高焊接溫度超過380 ℃；水汽方面,PCB已基本取消了SMT焊接之前的烘烤,PCB在過爐時是帶著一定水分；同時,PCB貼片后可能會二次受熱（波峰焊、返修等）,二次受熱之前也會不斷吸收環(huán)境中的水分。

IPC—TM—650中對PCB熱應力風險評估最高溫度僅到288 ℃[2][3],在實驗前需對測試板做（125±2） ℃/6 h的烘干處理。評估條件無法完全覆蓋實際組裝工藝中焊接溫度和水汽帶來的潛在風險。由于PCB評估不足導致在組裝工藝中或客戶端的失效問題對產(chǎn)品影響很大。

本文參考HDI板埋孔微裂紋導致分層的典型案例,通過多組實驗的設計及對比驗證來討論微裂紋的產(chǎn)生機理以及如何降低微裂紋產(chǎn)生的方法,同時從PCB組裝方的角度提出如何提高產(chǎn)品的可靠性方面降低失效風險。

1 典型案例

某款0.7 mm板厚,8層HDI板設計的PCB,經(jīng)過2次回流焊后僅放置一周,熱風槍340 ℃返修時埋孔所在的第3層（L3）和第6層（L6）位置發(fā)生分層。

分層發(fā)生在密集孔區(qū)域,埋孔間孔壁間距0.3 mm,L2和L7有較大面積銅覆蓋；同時,在未分層的孔環(huán)周圍有明顯凹形裂紋貫穿孔環(huán)（見圖1所示）。

圖1 埋孔區(qū)分層位置圖

取來PCB僅經(jīng)過2遍回流焊,切片后在埋孔孔環(huán)拐角同樣發(fā)現(xiàn)較明顯微裂紋見圖2所示,懷疑微裂紋是分層發(fā)生的起始位置。進一步從PCB設計、材料特性、埋孔工藝和組裝工藝進行實驗設計和驗證產(chǎn)生微裂紋的原因以及微裂紋和分層的關系。

圖2 來料PCB經(jīng)過2遍回流焊后切片圖

2 PCB設計的影響驗證

2.1 實驗設計

實驗首先選用和典型案例一樣的板材A,設計了通孔、盲孔、埋孔,每組實驗孔設計成9×20的陣列,L2/L7整層鋪銅和不鋪銅的測試板在同一熱應力條件下對比設計對微裂紋的影響,同時加入ANSYS仿真分析觀察PCB內(nèi)部應力應變的變化趨勢。

2.2 仿真建模

對實驗板的內(nèi)部結構進行幾何建模見圖3所示。參考板材A的規(guī)格書和文獻參數(shù)[4]將仿真所需要的材料參數(shù)見圖4所示賦予幾何結構體上,同時把SMT回流爐溫作為溫度載荷施加在幾何模型上,施加邊界條件進行仿真計算。

圖3 仿真建模模型圖

圖4 板材A仿真參數(shù)圖

為了更好地觀察埋孔受熱后的應力應變情況,按照圖5所示的取點方式在PCB仿真模型內(nèi)部依次取15個觀察點用于后續(xù)內(nèi)部應力應變仿真分析。

圖5 應力應變值取點位置圖

2.3 熱應力實驗及仿真分析

第一組實驗將實驗孔參考IPC—TM—650 2.6.27進行對比驗證,在同一焊接熱條件下只有埋孔的孔環(huán)位置出現(xiàn)微裂紋,這是由于PCB在SMT熱應力加載時材料的熱適配特點使整體截面先縱向膨脹,膨脹過程中內(nèi)部介質材料受到自身的內(nèi)應力束縛和外部介質材料以及銅的束縛導致所受應力應變更大。埋孔相比其他實驗孔的結構最特殊,是被包裹在介質層中間,上下有更多的銅束縛,所以HDI板芯板位置在受熱過程中最容易發(fā)生異常（如圖6所示）。

圖6 SMT焊接過程中PCB截面應力應變分布圖

埋孔孔環(huán)A區(qū)域的應力應變較其他位置最大（如圖7所示）,因為A區(qū)域受到介質材料及銅的拉應力和壓應力最大,這個結果和實驗A區(qū)域最容易產(chǎn)生微裂紋的結果一致。

圖7 埋孔截面圖

在仿真模型中調整兩個埋孔間的孔壁間距,A區(qū)域應力應變會隨間距的增大而降低（如圖8所示）,當間距從0.25 mm調整到0.3 mm時應力降低到43 MPa,該仿真評估方法可以應用到安全孔壁間距的評估。

圖8 不同孔壁間距下A區(qū)域應力值圖

第二組實驗對比了不同孔密度、不同鋪銅設計對微裂紋的影響,根據(jù)裂紋長度和產(chǎn)生裂紋率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,降低孔密度、控制相鄰層銅箔的面積使內(nèi)部應力可以有效釋放,同樣可以有效降低微裂紋的產(chǎn)生（如表1所示）。為了避免微裂紋帶來的風險,PCB設計時孔壁間距、單位面積鉆孔數(shù)量,芯板相鄰層銅箔面積都是設計者重點考慮的因素。

表1 不同設計驗證表

3 材料的影響

PCB選型一般以Tg的高低劃分板材等級,替代選擇時優(yōu)先考慮Tg（玻璃化強度）做同等級替代。本次研究中第三組實驗增加了一款替代料（材料B）驗證,確認不同材料對微裂紋的影響,雖然材料A和B都屬于高Tg材料（如表2所示）,但其他性能參數(shù)有不同的表現(xiàn)[5]。

表2 材料參數(shù)表

第三組實驗將2種材料用TMA（熱機械分析）進行分層測試,實驗顯示材料B的Z軸膨脹系數(shù)更大,熱分解溫度（Td）更低,同樣受熱條件下首先發(fā)生分層（如圖9所示）。雖然實際焊接條件不會達到這樣的焊接條件,值得注意的是選材不能只從Tg值評估。

圖9 不同材料分層結果對比顯示材料B分層圖

另外,雖然兩款材料的吸水率數(shù)值差異較小但對實際成品板的影響較大（如表3所示）,第四組實驗將材料A和B經(jīng)過2遍SMT在生產(chǎn)環(huán)境中靜置一定時間后進行288 ℃/10 s/3次熱應力實驗,一周后材料A和B都已產(chǎn)生微裂紋,且A的微裂紋較B更嚴重,第2周時材料A發(fā)生分層。

表3 兩款材料試驗對比表

這主要和板材吸水率有關,A的吸水率更高,二次受熱時蒸汽壓會更大,這也說明材料B的可返修性更好。一款板材是否符合一款產(chǎn)品,是否和后續(xù)的焊接工藝相兼容,需要結合Td,Z軸膨脹系數(shù)以及吸水率綜合考慮。

參考材料一致性標準[6]及兩款板材的熱性能實驗對比來看,PCB選材時Tg在±5 ℃,CTE在±1×10-5/℃,Td在±25 ℃內(nèi)都可以安全替代,如果超出以上范圍較大需要對板材耐熱性,尤其是吸水后的耐熱性能做重點評估,觀察實驗后埋孔孔環(huán)位置受熱產(chǎn)生的微裂紋和分層。

4 埋孔填孔工藝的影響

本次研究中同時發(fā)現(xiàn)不同填孔工藝也會影響HDI板內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生。第五組實驗使用材料A驗證了其他型號樹脂（A-SZ）和半固化片樹脂流膠（A-PP）兩種方式（如圖10所示）對埋孔微裂紋的影響。

圖10 其他樹脂和半固化片樹脂流膠填孔圖

從圖11所示中兩款樹脂的參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)相同條件下半固化片里的環(huán)氧樹脂和其他填孔樹脂的CTE差異不大但楊氏模量差異較大,理論上PP（半固化片）樹脂流膠板由于孔內(nèi)和孔外是同一樹脂,熱適配性會優(yōu)于2種不同型號的樹脂,耐熱性應該更好。

圖11 樹脂材料參數(shù)圖

但這一理論結果和實際的實驗結果并不一致,實驗顯示半固化片流膠板更容易在受熱后產(chǎn)生微裂紋。這主要是因為同一條件下PP流膠板的孔內(nèi)樹脂是從半固化片流出填孔,在孔環(huán)內(nèi)和孔環(huán)附近密度低于其他樹脂填孔,更易產(chǎn)生微裂紋。目前行業(yè)為了節(jié)省成本會優(yōu)選PP流膠的填孔方式,需要進行埋孔過爐后的微裂紋評估。

5 焊接熱的影響

PCB發(fā)生分層的導火索一定是焊接熱,第六組實驗增加了更嚴苛的熱應力實驗條件（6遍288 ℃/10 s/3次）觀察焊接熱對微裂紋和分層的影響。焊接熱應力使98%的埋孔在孔環(huán)位置發(fā)生微裂紋（如圖12所示）,但即使最嚴苛的焊接熱也沒有使孔環(huán)處微裂紋的長度（＜65 μm）超過孔環(huán)的尺寸,也沒有發(fā)生分層。

圖12 極限焊接熱下的微裂紋圖

焊接熱應力并不會直接使一些含水量低的板材發(fā)生立即分層失效,但可以使耐熱性能較差的板材過早地暴露出一些隱患。

6 水汽的影響

PCB主要靠表面吸收水分,物理吸附和化學吸附兩種形式[7][8]的吸附會同時發(fā)生,如果板材內(nèi)部有微裂紋會加速物理吸附,因為水汽會以分子簇的形式聚集在微裂紋中。研究中的最后一組實驗分別對兩款不同填孔工藝的實驗板進行兩遍SMT后靜置在生產(chǎn)環(huán)境中觀察板材的吸水量,第一周快速吸水,第2周后逐漸緩慢,吸水量隨環(huán)境中濕度波動（如圖13所示） 。

圖13 板材吸水量觀察圖

參考IPC儲存建議T＞260 ℃時吸水率要控制在0.1%以下[9],觀察兩款板在環(huán)境中靜置1周后的吸水率已經(jīng)遠大于0.2%,一旦返修溫度大于260 ℃時就有可能發(fā)生分層（如圖14所示）。實驗結果和預期一致,2款板靜置2周以上,經(jīng)過288 ℃/10 s/3次的熱應力后埋孔位置發(fā)生了較嚴重的分層。

圖14 不同吸水率耐熱實驗圖

熱應力會使PCB在承受應力應變最大的位置（埋孔孔環(huán)）產(chǎn)生微裂紋,材料在生產(chǎn)線測試環(huán)境中水汽不斷地吸附且聚集在微裂紋位置,再次加載波峰焊或返修熱應力時,水汽的蒸汽壓大于介質材料的抗拉強度隨即發(fā)生分層。

水汽對分層的影響最大,IPC 1601A建議板材的吸水率控制在0.1%～0.5%較寬泛,板材的吸水率又是浸泡24 h后吸收的重量百分比[9],較多用來表征板材在標準測試條件下的吸水率,但實際考慮吸水率的影響需要在生產(chǎn)環(huán)境中儲存一定時間的基礎上再次進行耐熱評估。

7 總結

（1）HDI板埋孔區(qū)加熱后分層的失效機理是：芯板埋孔采用半固化片流膠時,孔環(huán)拐角位置由于環(huán)氧樹脂較難聚集,密度較低,受熱時該位置的介質材料所受應力應變最大產(chǎn)生微裂紋。當PCB吸收環(huán)境中的水汽并在微裂紋位置發(fā)生聚集,再次有較大熱應力加載時,水汽的蒸汽壓大于介質材料的最大抗拉強度時微裂紋擴展發(fā)生分層現(xiàn)象。

（2）HDI板內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展導致分層,分析時不僅需要從焊接熱應力以及水汽方向考慮,需要結合PCB的設計、板材特性、加工工藝以及組裝條件全流程綜合分析和評估。

設計方面鉆孔密度,孔壁間距,布線設計決定了后續(xù)選材和焊接工藝可選擇的寬余度,當孔壁間距＜0.3 mm,0.25 cm2上數(shù)量＞7個的埋孔區(qū)域需優(yōu)先考慮設計的影響；PCB材料方面,除Tg和Td,吸水率也會影響板材的耐熱性能,出現(xiàn)分層異常時同步排查板材吸水性帶來的影響；最后,PCB加工廠多用芯板厚度確定填孔方式,一旦選用半固化片流膠方式,需要評估環(huán)氧樹脂膠量不足帶來的影響。

（3）PCB測試及風險評估主要是由研發(fā)和PCB加工廠完成,但發(fā)生較嚴重的問題一般是在PCB完成組裝后,受熱區(qū)域的異常又很容易被忽視[10][11]。此時,作為PCB最后一道加工工序的PCB組裝方會很被動。所以作為PCB組裝方人員需要積極參與到項目PCB的選型和風險評估中。針對可靠性要求較高的產(chǎn)品,結合設計以及組裝工藝的特點對PCB進行整體耐熱性能評估,取PCB來料拆封后不經(jīng)過烘烤參考IPC—TM—650 2.6.27評估微裂紋風險,一旦發(fā)現(xiàn)有微裂紋,需對測試板過SMT后在生產(chǎn)環(huán)境中靜置至少一周不烘烤參考IPC—TM—650 2.6.8進行2次分層評估。做到設計、加工及組裝共同選材、共同評估的方式,降低PCB失效發(fā)生的風險。