Tecnología de PCB - Análisis y mejora de la causa de la explosión de la placa de soldadura de retorno de la placa de PCB

Análisis y mejora de la placa de explosión en la soldadura de retorno de la placa de PCB

A medida que los productos electrónicos se desarrollan cada vez más en la dirección de la versatilidad, alta densidad, miniaturización y tridimensional, la demanda de disipación de calor también es cada vez más importante. Al mismo tiempo, las tensiones térmicas y la deformación causadas por los diferentes Cte de muchos materiales aumentan el riesgo de fallas de montaje, al igual que la probabilidad de fallas tempranas posteriores en los productos electrónicos. Ven más grande. Por lo tanto, la fiabilidad de la soldadura de PCB se ha vuelto cada vez más importante. A continuación se describen los fenómenos de falla de la placa en la soldadura de retorno y sus métodos de mejora para su referencia.

1. fenómeno de explosión de placas en la soldadura de retorno

1.1 Definición de placa de explosión: el fenómeno de separación que se produce en la superficie marrón de la lámina de cobre de la capa PP y la capa secundaria (l2) del PCB multicapa HDI durante el proceso de soldadura de retorno (especialmente para aplicaciones sin plomo) durante la compresión secundaria, lo definimos como placa de explosión. A juzgar por el análisis de la sección, la ubicación de la explosión de la placa se produjo en una zona enterrada densa de 1 - 2 capas; No se han encontrado fragmentos u otras anomalías; Las rebanadas muestran que el estallido de la placa de circuito es muy intenso y algunos circuitos de segunda capa están desgarrados.

1.2 factores que afectan el estallido de la placa de circuito

La fuente de formación de compuestos volátiles es una condición necesaria para la explosión.

1. el siguiente problema de absorción de humedad muestra la existencia de agua en la placa de pcb, la forma en que se difunde el vapor de agua y el cambio de la presión del vapor de agua con la temperatura, revelando que la existencia del vapor de agua es la principal causa de la explosión del pcb. La humedad en los PCB se encuentra principalmente en las moléculas de resina, así como en los defectos macrofísicos (como huecos y microcracks) en el interior de la placa de pcb. La absorción de agua y la absorción de agua equilibrada de la resina epoxi están determinadas principalmente por el volumen libre y la concentración de grupos polares. Cuanto mayor sea el volumen libre, más rápida será la absorción inicial de agua, y los grupos polares tienen afinidad por el agua, que es la razón principal de la mayor absorción de agua de la resina epoxi. Cuanto mayor sea el contenido de los grupos polares, mayor será la absorción de agua de equilibrio. En resumen, la absorción inicial de agua de la resina epoxi está determinada por el volumen libre, mientras que la absorción equilibrada de agua está determinada por el contenido de grupos polares. Por un lado, durante la soldadura de retorno sin plomo, la temperatura de la placa de PCB aumenta, lo que resulta en la formación de enlaces de hidrógeno entre el agua y los grupos polares en el volumen libre, obteniendo así suficiente energía para propagarse en la resina. El agua se propaga hacia afuera y se acumula en huecos o microcracks, y la proporción de volumen molecular de agua en los huecos aumenta.

Por otro lado, a medida que aumenta la temperatura de soldadura, también aumenta la presión de vapor saturada del agua. La presión de vapor saturada del vapor de agua a 224 ℃ es de 2500kpa; La presión de vapor saturada del vapor de agua a 250 ℃ es de 4000kpa; Cuando la temperatura de soldadura sube a 260 ° c, la presión de vapor saturada del vapor de agua incluso alcanza los 5000kpa. Cuando la resistencia de unión entre las capas de material es menor que la presión de vapor saturada producida por el vapor de agua, el material estallará. Por lo tanto, la absorción de humedad antes de la soldadura es una de las principales causas de la estratificación de PCB y la explosión de la placa.

2. efectos de la humedad durante el almacenamiento y la producción. El PCB multicapa HDI es un componente sensible a la humedad, y la presencia de humedad en el PCB tiene un impacto extremadamente importante en sus propiedades. Por ejemplo: a) la humedad en el entorno de almacenamiento puede causar cambios significativos en las características del PP (prepreg); (b) sin protección, el PP es fácil de absorber la humedad. La figura 1.3 muestra la absorción de humedad del PP Cuando se almacena en condiciones de humedad relativa del 30%, 50% y 90%; La relación entre el tiempo de almacenamiento del PP y la tasa de absorción de humedad es obvia, y bajo la colocación estática, el contenido de agua de la placa de PCB aumentará gradualmente con el tiempo. La tasa de absorción de agua de los envases al vacío es superior a la de los envases sin vacío, y la tasa de absorción de agua varía con el aumento del tiempo de almacenamiento temporal. (c) el agua penetra principalmente en la interfaz entre varias sustancias en el sistema de resina, y la interfaz tiene la influencia del agua.

3. el daño de la absorción de humedad (a) aumenta el contenido volátil del pp. (b) la presencia de agua en la resina del PP debilita el enlace cruzado entre las moléculas de la resina, lo que resulta en una disminución de la fuerza de unión entre las capas de la placa y un debilitamiento de la resistencia al choque térmico de la placa. Las láminas multicapa son propensas a puntos blancos, ampollas y separación de capas en aceite caliente o baños de soldadura y nivelación de aire caliente. la diferencia de adherencia entre el polipropileno y la lámina de cobre es una condición suficiente para que la placa estalle 1. La descripción del fenómeno se puede ver en el análisis de la sección que la posición de la explosión de la placa está entre la presión secundaria PP y la superficie de contacto de la lámina de cobre (superficie marrón). El cobre es una sustancia no polar en estado metálico, por lo que muchos adhesivos tienen poca adherencia a la lámina de cobre. Si la superficie de la lámina de cobre no se trata, incluso con un adhesivo de excelente rendimiento, no habrá suficiente adherencia y resistencia al calor. El tratamiento temprano del marrón de la superficie de la lámina de cobre es la formación de óxido de cobre marrón rojizo (cu2o) en la superficie de la lámina de cobre a través del tratamiento químico. Cuando se adhiere al sustrato laminado de resina, aunque aumenta la adherencia a temperatura ambiente, se produce un desprendimiento cerca de 200 ° c. Esto se debe a la inestabilidad del calentamiento de cu2o, que se desprenderá de la lámina de cobre después del calentamiento. En la década de 1960, investigadores de la compañía japonesa Toshiba descubrieron que después de un tratamiento químico especial, las películas negras en forma de terciopelo (cuo) formadas en la superficie de la lámina de cobre tenían cristales más finos que podían adherirse firmemente a la superficie de la lámina de cobre. La estabilidad también es muy buena, este es un proceso de ennegrecimiento comúnmente utilizado más tarde. A mediados de la década de 1990, Europa y Estados Unidos adoptaron un nuevo proceso de marrón, en el que los patrones conductores internos de las nuevas placas multicapa se oxidaron químicamente para reemplazar el proceso tradicional de ennegrecimiento, que se ha utilizado ampliamente en la industria.

2. el mecanismo de adherencia reforzada por el marrón es un nuevo proceso de marrón, cuyo mecanismo de reacción química es: 2cu + h2so4 + H2O2 + nr1 + nr2 - CuSO4 + 2h2o + cu (r1 + r2) en la ranura de marrón, debido al micro - grabado de h2o2, la superficie de cobre del sustrato forma una microestructura desigual, por lo que Se puede obtener un área de unión equivalente a 6 - 7 veces la superficie de cobre liso sin razón. Al mismo tiempo, se deposita una película metálica orgánica unida químicamente a la superficie del sustrato de cobre en el sustrato de cobre, y la imagen Sem de la superficie del cobre del sustrato se vuelve marrón. Después de que el adhesivo entra en la parte cóncava y convexa, también aumenta el efecto de Unión mecánica.

3. factores que influyen en el efecto del marrón la calidad y el efecto del marrón dependen del refinamiento del control de los parámetros del proceso, por ejemplo: a) selección de agentes de fórmula avanzada: la capa de marrón que utiliza el agente anmert tiene una mayor rugosidad y la fuerza de Unión de la capa de marrón puede soportar 12 veces la temperatura de retorno sin plomo sin dañar la placa de circuito. (b) fortalecer el monitoreo de la composición del baño durante la producción. C) espesor de la película de Browning (o óxido de cobre negro): la resistencia a la Unión de la película de Browning con el pp, la resistencia al ácido y la alcalinidad, la resistencia a la Corona y la resistencia a altas temperaturas están relacionadas con la estructura y el espesor de la película. Pero no es que cuanto más gruesa sea la resistencia a la adhesión, mayor será la resistencia a la adhesión. (d) capa marrón contaminada y error de proceso: en la calidad de la placa agrietada, se desprendió la parte donde se produjo la placa agrietada y se encontró que la capa marrón estaba contaminada, y la resina estaba completamente separada de la película marrón contaminada. La capa marrón de la parte contaminada y la placa PP no se adhirieron efectivamente después de la laminación, y la placa de PCB burbujeó en el montaje posterior de smt. Después de la investigación, el material de alta Tg se utilizó erróneamente para suprimir y solidificar el material ordinario, que también es una de las razones de la mala adherencia entre la lámina de cobre exterior y la lámina de pp.

La selección inadecuada de la temperatura de retorno es el factor predisponente del estallido de la placa 1. La inducción de la temperatura en el estallido de la placa. A través del análisis de las condiciones suficientes y necesarias para el modo de explosión de la placa, se puede saber que todos son funciones de la temperatura. Con el aumento de la temperatura de soldadura de retorno, el contenido de compuestos volátiles y su presión de expansión en la placa multicapa aumentan, mientras que la adherencia entre la capa marrón y el PP disminuye con el aumento de la temperatura. Obviamente, las condiciones suficientes y necesarias para la placa explosiva sumergible deben ser causadas por factores de temperatura. Sobre la base de un análisis exhaustivo de las características de un producto específico, la optimización de la curva de temperatura de soldadura de retorno puede inhibir eficazmente.

La aparición de la explosión de la placa. "Con una aleación snpb ordinaria, los componentes y las placas de PCB pueden soportar una temperatura de 240 grados centígrados durante el proceso de soldadura de retorno, según las características del producto (a). cuando se utiliza una aleación snagcu (sin plomo), el jedec especifica una temperatura de 260 ° c. el aumento de la temperatura puede poner en peligro la integridad de los componentes de encapsulamiento electrónico. especialmente para muchos materiales estructurales laminados, es fácil causar estratificación entre capas, especialmente aquellos nuevos con mayor contenido de agua. el interior contiene humedad. en combinación con el aumento de la temperatura, la mayoría de las placas laminadas de uso común (placas de PCB multicapa hdi) aparecen laminadas en una amplia gama de soldadura" (b) American Electronic Assembly Yellow los materiales y procesos de soldadura en la fabricación también se describen en el libro. : "teniendo en cuenta que la temperatura de fusión de los materiales libres de plomo existentes es superior a la temperatura de fusión de los materiales eutécticos snpb (183 grados centígrados), para reducir la temperatura de soldadura de retorno hasta cierto punto, es particularmente importante una curva adecuada de distribución de la temperatura de soldadura de retorno. según las condiciones de producción actuales, como La presencia de fabricantes e infraestructuras smt, incluidas las características de temperatura de los componentes y pcb, etc.". La temperatura máxima de la soldadura de retorno sin plomo debe mantenerse a 235 ° c. Según un análisis exhaustivo, en la soldadura de retorno sin plomo de placas de PCB multicapa hdi, cuando se utiliza la aleación de soldadura snagcu, se recomienda que la temperatura máxima se establezca en 235 ° C y no supere los 245 ° c. La práctica ha demostrado que después de tomar esta medida, el efecto inhibidor de la explosión de la placa es muy obvio.

La mala fuga de compuestos volátiles es un factor que contribuye al fallo de las placas de pcb. según el análisis de las rebanadas, casi todas las posiciones de las placas de voladura se producen en partes cubiertas con grandes áreas de lámina de cobre por encima del agujero enterrado. Es cierto que hay problemas con la manufacturabilidad de este diseño, que se manifiestan principalmente en los siguientes aspectos: "después del calentamiento por soldadura, no es propicio para las emisiones de sustancias volátiles (como agua, etc.) acumuladas en agujeros enterrados y entrepisos; Se agrava la desigualdad de la distribución de la temperatura superficial durante la soldadura de retorno; No es propicio para eliminar el estrés térmico durante el proceso de soldadura, es fácil formar una concentración de estrés y agravar la separación entre las capas interiores de PCB multicapa hdi. Obviamente, el diseño gráfico irrazonable de los productos de placas multicapa HDI provocó la aparición de estallidos de placas durante la fabricación sin plomo. 1.3 El mecanismo de estallidos de placas

Según el análisis y resumen anterior del fenómeno de la explosión de la placa, podemos estudiar y analizar el proceso físico de la explosión de la placa de acuerdo con los siguientes modelos físicos. Cuando la temperatura ambiente de trabajo no es demasiado alta, la Unión entre las placas multicapa L1 - L2 es buena. A medida que avanza el proceso de calentamiento, los compuestos volátiles (incluida la humedad) en los agujeros enterrados y las capas interiores se expulsan constantemente. Los gases volátiles expulsados se acumulan entre el agujero enterrado y el PP (película adhesiva). A medida que la temperatura continúa aumentando, cada vez más gas se acumula cerca del agujero enterrado, formando una mayor presión de expansión, lo que hace que las superficies marrones de l2 y pp estén sujetas a fuerzas de expansión que las separan. Cuando la presión de expansión final es menor que la fuerza de adsorción (f < f) entre la superficie marrón y el pp, solo queda una pequeña burbuja en la capa interior del agujero enterrado, es decir, se forma un punto y se produce una explosión de placa. Cuando la presión de expansión final es mayor que la fuerza de adsorción entre la superficie marrón y el PP (f > f), se produce una separación entre la superficie marrón y el polipropileno a lo largo del l2, como se muestra en la figura 1.14. este claro fenómeno de ampollas y estratificación en bloques. Cuando el PCB se calienta, parte del volumen libre de agua se puede perder a través del sustrato microporoso del pcb, reduciendo así la fracción de volumen molecular del agua que puede acumularse en huecos o microcracks, lo que favorece el fallo del pcb. Mejorar. Sin embargo, si la superficie del PCB está cubierta por un patrón de lámina de cobre de gran área, cuando el PCB se calienta, la gran superficie de lámina de cobre por encima del agujero enterrado bloqueará el vapor de agua que se escapa después del calentamiento, lo que aumentará la presión del vapor de agua en la microclase, lo que aumentará considerablemente la probabilidad de ruptura de la placa de circuito. El agua en el aire se condensa fácilmente en el PP y se convierte en agua adsorbida. Para mantener sin cambios las propiedades originales del pp, las condiciones de almacenamiento más adecuadas son: temperatura (10 - 20) grados centígrados y humedad inferior al 50% RH (almacenamiento al vacío). Según los informes, las hojas adhesivas se almacenan a 5 ° C durante un mes o lonhttps://www.ipcb.com/pcb-board.html Ger no puede producir con éxito placas multicapa de alta calidad, por lo que no se recomienda refrigerar. Controlar estrictamente las condiciones de almacenamiento del almacén de los productos de tablero de pcb, especialmente en días lluviosos, aumentar la Potencia del Deshumidificador para controlar la humedad del almacén; Mejorar el embalaje de los productos de PCB utilizados en el proceso sin plomo y utilizar película de vacío + película de aluminio para garantizar el tiempo de almacenamiento y la sequedad; Buscar nuevos materiales con buena resistencia al calor y baja absorción de humedad.

Condiciones suficientes para frenar la explosión de la placa de circuito: optimizar la calidad del proceso de "marrón" y mejorar la adherencia entre las capas interiores del pcb; Elegir agentes de marrón de alta calidad; Fortalecer el monitoreo de la calidad de las materias primas, como indicadores clave como el contenido de resina (rc%), el tiempo de gel de resina (gt), la fluidez de la resina (rf%) y los componentes volátiles (vc%) del material pp. Asegúrese de la uniformidad y ocupación de la resina presente en el espacio de fibra impregnada, y asegúrese de que el sustrato formado tenga una baja absorción de agua, mejores propiedades dieléctrico, buena adherencia entre capas y estabilidad dimensional.

Mejorar la transpirabilidad de la superficie de las grandes láminas de cobre. De acuerdo con el análisis anterior de las características de la posición de explosión de la placa y el mecanismo de explosión de la placa. Obviamente, cuando hay una gran área de diseño de lámina de cobre en la superficie del pcb, el vapor de agua interno no se puede liberar, por lo que es necesario abrir una ventana en la superficie para mejorar la explosión de la placa del pcb. En condiciones que garanticen una buena humectabilidad, reduzca la temperatura máxima del retorno en la medida de lo posible.