高频电路基板阻焊创新工艺.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology502023年5月第44卷第3期摘要：绿油是一种常用的高温涂覆阻焊材料，但在微波电路、天线、功率电子等高频段电子工作时，具有较强影响而不能适用，会引起少锡、溢流、短路及损耗大的问题。为有效解决此问题，研究了一种通过水溶性阻焊胶的高频电路基板阻焊技术。通过样件设计，验证了这种技术不影响焊接效果且焊后容易去除。对环境试验后的样件进行推力测试、阻抗测量、染色试验和金相分析，证明了其应用可靠性。关键词：高频电路；水溶性阻焊胶；可靠性中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0050-05Abstract:As one of a commonly used high-temperature coating for solder mask,Green ink is not applicable due to its strong influence on high-frequency electronics such as microwave circuit,antenna and power electronics,which can cause problems such as solder lack,overflow,bridging and large loss happening.For solving the problem effectively,a high frequency circuit substrate solder mask technology using water-soluble solder mask is studied.Through sample design,it was verified that this technology does not affect the soldering quality and is easy to remove after soldering.The application reliability is comfi rmed by thrust test,resist measurement,dye experiment,metallographic analysis for the samples after environmental test.Keywords:high-frequence circuit;water-soluble solder mask;reliabilityDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0050-05高频电路基板阻焊创新工艺Innovative Technology for Solder Mark on High-frequence Circuit Substrates李传平，江芸，张彬彬，王淑琼LI Chuanping,JIANG Yun,ZHANG Binbin,WANG Shuqiong（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）(The 29th Research Institute of CETC,Chengdu 610036,China)0 引言阻焊油墨作为一种可被应用于特定区域的耐高温涂覆材料，可以阻止焊接时焊膏在某些区域的焊接，从而避免桥接短路或焊锡损耗。如图1所示，传统阻焊工艺中一般是在印制板表层线路电镀完成后通过表面预处理、阻焊涂覆、阻焊固化等工序实现PCB阻焊处理工序。因为线路板通常用的油墨颜色为绿色，占PCB行业的90%以上，所以阻焊也被称为绿油。1 问题描述微波电路、天线、功率电子等产品由于电性能、结构和可靠性等客观原因，不允许在此类高频作者简介：李传平（1 9 8 4-），女，毕业于电子科技大学，主要从事电子装联工艺的工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.014图1 传统P C B 阻焊方法 (a)绿油阻焊 (b)生成表面镀层第44卷第3期51段（一般指24 GHz）工作天线印制电路片上使用传统绿油阻焊，否则会影响阻抗匹配，带来较大损耗1-2。同时天线印制电路片结构上分单层和多层，而多层结构的电路片，馈电焊接点通常在中间层，很难实现在中间凹槽处印刷传统绿油。由于没有创新的阻焊手段，一直以来微波电路、天线、功率电子等产品只能采用手工高温胶带阻焊或不阻焊的方式进行生产。这样给产品组装带来较大困难，焊点存在焊锡少、焊料溢流、短路的问题，影响高频传输性能。详细表现为：1）焊锡少。如图2所示，由于未在焊盘边界做阻焊处理，导致焊锡向周边铺展，未在焊接处形成良好的焊接形态。图2 焊接不良图4 临时阻焊路线图5 样件情况图6 液滴能量仿真(c)基板设计示意图 (d)基板实物图a 状态 b 状态(a)薄膜电阻样件 (b)基板焊盘设计图3 焊锡不受控制铺展2）焊料溢流。如图3所示，在没有阻焊的情况下，焊料向周边界面铺展，改变了周边键合或共晶界面材料，对后端可靠性带来非常大的影响。3）短路。没有阻焊阻挡导致两相邻焊盘焊锡桥连，焊接短路。4）高频传输损耗大。对于无阻焊的焊点，通常采用手工焊接，而手工焊接效率低，同时焊锡很难控制，一致性差。焊锡较多时，会影响传输性能，在高频传输时，容易引起损耗大，而焊点一致性差，对幅相一致性产品影响较大，增加调试难度。焊锡的多少，会导致焊点尺寸的变化（径向和轴向），采用HFSS软件对径向尺寸的变化和传输性能的影响进行仿真，典型级联焊点模型发现焊点径向尺寸变化对传输性能影响较大。2 样件制作目前98%的印制板均使用感光型阻焊，并经过热固化或紫外固化来提高阻焊的硬度、耐热度及耐化学性。本研究通过使用可溶于水或乙醇类的临时阻焊材料，在电路基板焊接前使用印刷或者喷涂等方法增加临时阻焊，待电路组装焊接完成后，使用水清洗机或者溶剂清洗的方式将临时阻焊去除。工艺路线如图4所示。选取典型微波基板及元器件作为研究对象，样件及基板设计如图5所示，元器件选用常规薄膜电阻，尺寸为1 mm0.5 mm0.254 mm，器件两端六面均为镀金表面处理。组装时要求焊接面形成良好的焊点强度，同时上表面不能被焊锡润湿。组装用印制板焊盘按表面安装元器件焊盘设计要求，设计为两个独立焊盘0.6 mm0.6 mm，焊盘内距0.4 mm。为更好地确认焊点连接状态，样件采用菊花链形式。如图6所示，通过使用Surface Evolver 仿真软件对a状态、b状态液滴行为进行仿真，发现液体从a状态到b状态能量变化曲线中，能量处于下降趋势，这为水溶性阻焊方法提供了理论依据。CGZXY因此使用Chemask cw8(主要成分为聚乙酸乙烯酯)型号水溶性阻焊胶对薄膜电阻上表面进行阻焊，要求阻焊面积覆盖薄膜电阻上表面超过95%，液态阻焊胶在表面张力的作用下不会流到薄膜电阻侧面。迭代次数能量李传平，等：高频电路基板阻焊创新工艺2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology52经过水溶性阻焊胶阻焊后的薄膜电阻形态如图7所示，可以看出薄膜电阻上表面被阻焊胶覆盖，可有效实现阻焊。另外薄膜电阻侧面没有阻焊胶溢出，不会对后端的焊接造成影响。对涂覆后的阻焊胶进行固化，固化条件为室温30 min，或放入80 烘箱加速固化15 min。图7 水溶性阻焊胶阻焊后的电阻3 验证结果3.1 阻焊胶的去除针对水溶性阻焊胶的去除，结合产品组装清洗工艺流程方法进行试验设计（DOE），采用田口方法进行工艺试验参数设计，针对常见清洗方式与时间进行组合，详细试验参数为：A：无水乙醇浸泡有利用降低阻焊胶对薄膜电阻的附着力，疏松材料结构，选择该因素作为3水平因素优化。B：改性氟利昂141B浸泡清洗时间。改性氟利昂作为常用清洗溶剂，其浸泡同样有利用降低阻焊胶对薄膜电阻的附着力，疏松材料结构，选择该因素作为3水平因素优化。C：自动清洗方法。PCBA组件一般进行自动化清洗去除印制板污染残留，以目前条件一般有3种清洗方法：喷淋、喷流、超声，选择该因素作为3水平因素优化。优化后的试验设计见表1，试验样本重复次数为3。表1 L 9 试验设计表表3 残留面积统计表2 田口试验评价表3 清洗试验后的结果序号酒精氟利昂自动清洗100喷淋201 5喷流303 0超声41 50喷流51 51 5超声61 53 0喷淋73 00超声83 01 5喷淋93 03 0喷流序号P 119 7.4 5%1 0 0%1 0 0%21 6.8%4 5.2 7%3 7.4 3%33 3%3 1.6 6%2 7.2 8%46 1.1 5%5 9.4 6%6 7.6 2%53 7.3 1%6.2 2%2 1.6 8%60.5 8%2.0 6%1.3 2%76 8.0 7%4 1.1 3%6 0.9 5%81 6.7 0%4 7.0 8%3 4.7 8%9000序号评估内容属性值P 1阻焊胶残留面积望小0运行序清洗效果L 1L 2L 3L 4L 5L 6L 7L 8L 9确定田口方法评估的主效应参数：P1：水溶性阻焊胶残留面积。按梁式引线键合要求，薄膜电阻键合面污染面积不得大于40%，水溶性阻焊胶残留面积越小对后端键合操作影响越小，此效应为望小属性（见表2）。清洗后的残留情况见表3。通过软件对阻焊胶残留面积进行计算统计，阻焊胶残留面积见表3，信噪比主效应如图8所示。第44卷第3期53图8 因素主效应图图1 0 电阻数据正态情况图1 1 温冲前后电阻变化情况图1 2 温冲后电阻未见开裂图1 3 温冲后的红墨水染色结果图9 去离子水清除效果去除前 去除后推荐的清洗工艺方法组合为 A2、B3、C1，即工艺上推荐采用氟利昂浸泡后使用喷淋清洗机清洗。如图9所示，尝试用去离子水浸泡15 min后，水溶性阻焊胶颜色发生较大变化，由蓝色变为白色，附着力大大下降，可以通过常规刷洗轻易去除，同样满足其去除效果。3.2 可靠性电阻的可靠性一般可通过焊点强度和阻抗进行表征，且更容易受到温度冲击的影响。因此，本研究选用温度冲击进行寿命加速，通过推力测试、阻抗测试进行电阻焊点状态的评估，并结合染色试验和界面分析进一步确认微观状态支撑测试结果。参照标准QJ 3086A-2016的要求，将试件放入空气循环烘箱内经受-55100 范围的温度变化，并以不超过10/min的温度变化再回到室温温度。当达到每一温度的极值时，保持时间为15 min。每一循环平均持续时间应为1 h。进行200次热循环后，在最小放大倍数15倍下检查。如图10和图11所示，温度冲击前后阻值数据正态性检查结果P值小于0.005，冲击前后薄膜电阻变化对比的结果为温度冲击前后阻值变化为0.8%，满足阻值变化小于20%标准要求。温度循环过后的焊点外观如图12所示，未见显微裂纹现象。如图13所示，对温度冲击后的样本进行染色试验，染色后使用机械方法将芯片从印制板上分离，使用显微镜对线路板及元器件断裂面进行观察，通过红墨水染色未见焊点处出现裂纹失效现象，表明焊点可以通过200次温度冲击试验。温冲前温冲后电阻/百分比/%电阻/百分比/%电阻/焊点推力结果见表4，推力试验完成后采用显微镜分析断口，确定断口形式。李传平，等：高频电路基板阻焊创新工艺2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology54图1 4 薄膜电阻组装界面结构图1 6 金相组织结果(a)整体 (b)器件侧 (c)印制板侧图1 5 典型推力端口形貌表4 推力试验结果单位：c N序号导电胶粘接阻焊优化前阻焊优化后0 4 0 2 电阻14 6 01 3 2 02 4 6 1.82 4 3 024 8 01 3 0 02 3 0 5.42 3 0 034 5 07 1 02 4 6 5.92 3 9 046 2 01 5 4 02 0 2 3.02 3 2 055 7 01 4 7 02 5 1 1.72 4 1 064 0 05 9 02 2 4 0.32 3 5 075 0 01 4 6 02 1 7 2.32 4 6 085 7 15 9 02 2 5 9.32 4 6 095 8 01 4 6 02 4 2 6.72 4 5 91 05 1 61 4 1 01 3 4 6.02 4 0 21 16 0 11 0 2 01 3 2 9.92 3 2 41 24 2 81 5 5 02 3 0 8.52 3 6 81 34 3 11 4 9 02 2 3 3.82 4 1 81 45 9 69 5 02 1 9 9.12 3 2 21 54 0 61 4 2 01 9 1 0.72 3 5 41 64 2 11 5 1 02 1 2 2.22 4 5 51 74 7 59 7 12 0 2 9.72 3 3 91 86 1 41 5 0 32 1 7 2.22 4 1 41 94 9 31 0 5 42 1 8 2.92 3 0 22 04 7 41 4 2 62 1 9 7.42 3 8 32 16 0 57 8 42 1 8 2.72 3 0 82 25 7 77 2 31 4 5 8.42 4 1 52 36 2 01 0 5 71 6 3 3.42 4 1 6通过样本对总体进行统计推断，结果为：置信区间为95%，薄膜电阻未优化阻焊前为(1041.5 cN，1319.0 cN），优化后为(1939.5 cN，2226.0 cN)，发现经过优化后薄膜电阻强度得到了比较大的提高，接近日常所用厚膜电阻推力值，满足使用要求。如图14所示，薄膜电阻组装后焊点界面结构，从器件本体到焊料轮廓位置结构依次为：本体AuNiNi3Sn4SnPb，推力破坏后典型断口形貌如图15所示。经过统计，薄膜电阻推力破坏后断口位置主要集中于薄膜电阻焊端内部Au层上，表明薄膜电阻焊点界面结构强度中 IMC及焊料位置强度大于薄膜电阻镀层结构，组装焊点可靠。金相分析组织也表明焊点界面形态及厚度无异，常元器件焊接界面结合良好，如图16所示。4 结论本文介绍了一种高频电路基板阻焊技术，得出结论：1）水溶性阻焊胶能有效保护无需焊接面，并具有良好操作性。2）水溶性阻焊胶可通过采用氟利昂浸泡后使用喷淋清洗机清洗，去离子水浸泡后也能良好去除。3）阻焊优化后的电阻推力强度明显提升。4）通过温冲后的电阻测试、推力试验，结合染色试验和金相分析，水溶性阻焊胶辅助的薄膜电阻焊接可靠性满足要求。参考文献1林伟成.临时阻焊膜在高频电路板表面组装中的应用J.电子工艺技术,2004(5):213.2张婧亮,陶莲娟,胡雅婷.三防涂覆对印制电路射频性能影响探究J.电子工艺技术,2020(1):12.（收稿日期：2023-02-04）