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无铅波焊中吹孔成因研究及改善(一)

| 来源：PCB网城 | 2010年08月20日 | [字体：小 大] | 点击推荐给好友 19
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摘　　要：吹孔（又称爆孔，blow hole）传统上是指完工的PTH 铜壁上，可能有破洞(Void )存在。当PCB 板在下游进行焊锡时，可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质PTH ，特称为"吹孔"。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外，还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。本文主要从吹孔不良实例入手分析无铅波峰焊中吹孔成因及研究其改善方案。
　　关　键　词：吹孔、无铅波焊
　　一、前言
　　电子产品无铅焊接在全球全面展开以来，诸多焊接问题接踵而至。有关无铅焊接的各种允收规格，以IPC-A-610“ 电路板组装品质允收度”为最具权威性的国际规范，2005 年2 月全新的610 的D 版将焊接各种允收规格安排在第5 章,其中镀通孔（PTH ）插脚波焊焊后发生吹孔（Blow Hole）， 或SMT 贴焊点呈现见底的针孔（Pinhole）或外表之凹陷者，只要焊点尚能符合其他品质要求，则Class1 可允收。但Class2 与3 却须视之为“ 制程 ， 警讯”（ProcessIndicator ）。（ 见D 版5.2.2 ）从品管与改善之原则看来，发生制程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题。
　　吹孔（blow hole ）传统上是指完工的PTH 铜壁上，可能有破洞(Void )存在。当PCB 板在下游进行焊锡时，可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质PTH ，特称为"吹孔"。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外，还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。可以说无铅波焊中吹孔产生的具体原因呈多样化，复杂化。
　　二、无铅波焊特性
　　综观整个波峰焊工艺过程，包括助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统、冷却系统和轨道传输系统。良好的无铅波焊，其预热段必须使板子底面达到130 ℃，顶面须达到110 ℃左右，这样才能保证焊锡顺利上到孔顶。无铅波焊的时间温度最高达270℃， 预热后的PCB 板从前面的突波与后继的平波总共接触滚烫的熔锡时间一般为4-6 秒。当待焊接的板子底面进入波峰时，大量的熔锡与夹带的强热瞬时间向上涌入通孔，一边打造介面IMC 完成焊接，一边又把介面IMC 熔入液态焊锡中（如图）。所以无铅波焊特性犹如夏天的大飓风，一阵狂风暴雨之后又是艳阳高照，板子虽然不会长时间受到高温强热的伤害，但是瞬时的热量对通孔还是有强力的冲击。高温所带来的另一方面的影响是会形成吹孔。PCB 板插件孔在焊接过程中会散发气体，这些气体源于PCB 加工过程中吸收的溶剂、水分，电镀层包含的有机物、湿气或者是板材中包含的有机物、组装时残留的助焊剂等等。

图1. 波峰焊示意图
　　三、孔壁粗糙产生吹孔
　　如果孔壁存在孔粗，且孔粗较大，会有水气的藏纳，造成高温波峰时迅速膨胀吹出（OutGassing），而推开尚未固化的熔锡，自板子的焊锡面向外向下喷出，从而形成“吹孔”。图2. 即为典型的孔粗造成的波焊后吹孔不良实例。

　　图2.孔壁粗糙导致的吹孔
　　机械钻孔过程中，如为赶产量，设置的钻孔参数不当，在强大的机械切削力下造成孔壁中玻纤和树脂出现较大的分裂和缺口，经过除胶后孔壁上形成过大的凹陷和空隙，在PTH 和电镀后镀铜层无法紧密附着，引发许多微小的破洞（void ）而且深藏残液。后继在波焊时自然不可避免出现吹孔问题。在评估钻孔孔壁粗糙度的时候，一般都以进刀量（chip load ：指钻针每旋转一周所进入板件的深度）作为主要控制指标，所使用的进刀量如果偏大，钻孔后的孔壁难免粗糙。例如在Spindle 钻速同为10 万转/分（rpm ）时，进刀速率(feedrate) 分别采用60Inch/min 和120Inch/min 作比较，前者的进刀量为0.6mil/ 周。后者为12mil/ 周，显然后者孔壁粗糙度远远大于前者。要改善钻孔粗糙度，还应该充分考虑到无铅板材TG 和硬化树脂体系由Dicy 改为DICY Free 的变化。图3. 为不同Tg 普通FR4 和DicyFreeFR4 板材对钻针磨损的比较，可以明显看到板材TG 越高相应对钻针的磨损越大，采用DicyFree 做硬化剂的板材对钻针磨损相对更严重。

　　针对无铅焊接下板材Tg 和硬度的变化，考虑其硬度高、脆性大等特性，对钻针的磨损较大，钻孔条件应做如下调整：降低进刀量到0.6mil/ 周以下，适当减少钻针设定的Hits ，增大钻针的翻磨频率，控制主轴的偏转（Runout ）在10um 以内等。以下是选择TG170DICY Free 板材做调整钻孔条件改善孔粗的对比研究，通过大量的切片分析，测量数据生成正态分布图如下（篇幅所限，仅列其中一种插件孔径Φ1.40mm比较结果）：

　　由以上测量结果可知，当钻孔条件调整到特殊参数Rpm:45KrpmFeed:27Ipm Back:400Ipm Hit:500Htis 时，孔粗状况较普通钻孔条件有明显的改善，最大孔粗可以控制在≤0.8mil。我们将部分按此两种钻孔条件制作的PCB板送某电子厂插件后同时按波峰焊温度255℃，传输速度1.3m/min 过波峰焊，对比其产生吹孔情况（见下表），结果表明普通钻孔条件下有2PCS 发生吹孔，追朔其吹孔原因还是如图2.所示，孔壁粗糙度过大，在过波峰焊时暗藏其中的水气自孔粗处喷出，形成“吹孔”。而按特殊钻孔参数制作的PCB 因孔壁光滑平整，没有吹孔问题发生。

无铅波焊中吹孔成因研究及改善(二)

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四、孔壁破洞（void）与孔铜太薄造成吹孔
　　如果孔壁铜层有破洞，易藏纳水汽在其中，当过高温波峰焊时，板材中水气迅速膨胀吹出，推开尚未固化的熔锡，从而形成“吹孔”。若孔壁铜厚偏薄，则孔壁无法为焊锡提供足够的基础，使焊料与孔壁的附着力不够，进而形成空洞，也会造成“吹孔”。图5. 和图6. 即分别为无铅波焊后因孔破(void) 和孔铜太薄造成的吹孔不良图例。

　　孔壁破洞（void ）的产生与除胶渣及化学铜制程密切相关。在除胶渣的过程中高锰酸钾的咬蚀量不足，不但无法有效获得蜂窝状的微粗化面，且会造成孔壁微孔洞，内层结合不良，孔壁脱离，吹孔等质量隐患。对除胶槽来讲，新槽和较高的处理活性也可能会使一些联结程度较低的单功能树脂、双功能树脂和部分的三功能树脂出现过度除胶的现象，导致孔壁玻璃纤维突出，玻璃纤维较难活化且与化学铜的结合力较与树脂之间的更差，沉铜后因镀层在极度不平的基底上沉积，化学铜的应力会成倍的加大，严重的可以明显看到沉铜后孔壁化学铜一片片从孔壁上脱落，造成后续孔内无铜的产生，也可能造成孔内粗糙，玻璃纤维截点，渗铜，内层楔形孔破等状况。另外除胶的几个槽液之间的协调控制问题也非常重要。膨松/溶胀不足，可能会造成除胶渣不足；膨松/溶胀过度则会出现溶剂残存到已蓬松的树脂内，在沉铜时也会活化不良沉铜不上，即使沉上铜也可能在后工序出现树脂下陷，孔壁脱离等缺陷。
　　沉铜后的板件一般要浸硫酸除去表面的残碱和碱性的钝化膜，再直接电镀酸铜。板子放入稀硫酸缸中时，必须将板分散，左右摇摆3-4 次，将孔内气泡排出，让酸液将孔壁润湿。因为孔内残存湿气容易造成孔内化学铜的氧化，引发后续的孔内无铜或铜薄，所以沉铜后应该做好出缸时间记录尽快一次铜，不要存留时间过长，一般不允许超过8 小时。
　　针对孔铜太薄的问题，在电镀时对孔铜厚度方面应加强控制，批量生产前严格执行FA 制度，要求全测FA 板的插件孔孔铜，保证首板孔铜厚度OK 后才能进行批量生产；定期用钳表测量飞巴的电流，确保显示电流与实际电流相符合；适当提高电流密度，将孔内电镀铜厚要求由1.0mil(min) 提高到1.2mil (min) ，即使钻孔品质稍有闪失，其所产生的破洞也可被足够厚的两次电镀铜所补平，进一步消除可能发生的“吹孔”。
　　五、Dicy Free 板材易产生吹孔
　　由于无铅板材为了提高耐热性减少爆板，其环氧树脂的固化剂已由Dicy （双氰胺）改变为Dicy Free （酚醛），并且加入了微粒状的二氧化硅、氢氧化铝等无机填料，在耐热性提高的同时板材更加脆化。在一般钻孔参数下钻孔时孔壁上极易产生玻纤与树脂之间的微裂，对后继的孔铜的可靠性产生极大影响。从图7.可见无铅波焊后DicyFree 板材在孔壁附近的玻纤间存在有明显的裂口（glasscrack）。

　　图7.Dicy Free 板材脆性大钻孔后玻纤出现微裂，受热冲击后裂纹变得很严重。图8.Dicy Free 板材玻纤微裂处发生的“吹孔”。

　　为得到良好的孔壁表面，针对无铅化DICY Free 板材不但要加强高锰酸钾槽液的作业条件，且除胶渣前的膨松处理也要延长反应时间。但造成的负面效应是孔壁上被钻孔打松或打裂的玻纤和树脂间，极易残留膨松溶剂，进而在后继发生树脂空洞、铜层破洞、灯芯效应等缺陷，在无铅玻焊引发吹孔现象。（见图9.）不同板料供应商的DICY Free 板材树脂体系和填料比例都有差异，因此在选用DICY Free 板材时，一定要对各种DICY Free 板材本身的性能及PCB 制作条件重新进行评估，找出最佳的加工条件。同时建议要求板料供应商固定纱源，并使用开纤玻璃纱；做板前将板料高温焗板，消除可能存在的半固化片固化不彻底对钻孔的影响。
　　另外，目前业界也开始从现有的DICY FR4 做改良，使其耐热性大幅度提升，达到最新的IPC-4010B 对无铅板材的性能指标。

　　六、插件不正产生的吹孔
　　如果零件脚未插在孔的正中央，靠孔壁较近的一边锡爬升速度会较快，并把孔口封住，使得离孔壁较远的一边的空气来不及排出，受热迅速膨胀吹出，推开尚未固化的熔锡，形成孔内填锡不满、有空洞。从图10.可以看到插件不正造成吹孔的实例。

　　根据IPC-2222 标准，当采用波峰焊接工艺时，使用圆形插件脚时孔径同插件脚之差为0.20.7mm，使用矩形插件脚时，孔径同插件脚对角线尺寸之差应为0.2-0.7mm。小于0.2mm 大于1.0mm在焊接时容易出现问题。如图11.所示，0.20mm≤D-d≤0.7 及0.20mm≤D-L≤0.7mm。

　　七、无铅波焊过程中参数、流程控制问题
　　在无铅波焊中，有些PCB 板不存在孔粗、破洞的孔及插件不正也存在针孔及吹孔问题。分析可能原因有：
　　a 、板子打开包装后在空气环境下放置时间过长，导致PCB 板基材吸潮，孔内吸收的湿气在焊锡过程中受到高热蒸发出来而造成,解决方法是放在烤箱中120℃烤2 小时。
　　b 、元件引脚氧化；
　　c 、助焊剂活性低、涂敷量过大；
　　对于无铅波峰焊来说，由于无铅焊料的润湿性比SnPb 焊料要差，为了保证良好的焊接质量，对助焊剂的选择和涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，这种助焊剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷，而且涂敷的助焊剂的量要求适中。
　　d 、无铅焊料的氧化性问题；
　　同Sn-Pb 合金焊料相比，高Sn 含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣（SnO2），影响焊接质量。焊料中的杂质在高温波峰焊时会产生气体，推开图11.插件脚设计规范要求尚未固化的熔锡，形成孔内填锡空洞。为了防止无铅焊料的氧化，解决办法是改善锡炉喷口，最好的对策是加氮气保护。焊锡炉中的惰性氮气使得液化焊料尽量少暴露于氧气下，从而减少氧化物的形成，同时会提高焊料润湿程度。
　　e、传输速度快，预热不足；焊接时间太短。
　　八、结束语
　　电子产品实施无铅制程以来，从PCB 板材、元件到波峰焊的焊料、设备工艺都相应产生了改变。因此造成“吹孔”的原因有很多，包括PCB 的品质、下游插件厂波峰焊操作条件等等。真正要解决吹孔，还需要上下游结合，根据实际情况调整制程参数，以预防吹孔现象的发生。