PCB技術 - PCB板リフロー溶接破裂板の原因分析と改善

はじめに：PCB板リフロー溶接における破裂板の分析と改善

電子製品が多機能、高密度、小型化、三次元化の方向に向かって発展するにつれて、放熱に対する需要もますます重要になってきている。同時に、多くの材料の異なるCTEによる熱応力と反りが組立故障のリスクを増加させ、電子製品のその後の早期故障の確率も増加する。大きくしてください。そのため、PCB溶接の信頼性はますます重要になってきている。以下にリフロー溶接における板材の故障現象とその改善方法を紹介し、参考にする。

1.リフロー溶接における板材破裂現象

1.1破裂板の定義：還流溶接中（特に無鉛応用）、HDI多層PCBのPP層と二次層（L 2）銅箔茶色表面の二次圧縮中に発生する分離現象を破裂板と定義する。スライス分析から見ると、板爆の位置は1〜2層の密集埋蔵領域で発生し、断片化やその他の異常は見つかりませんでした。スライスによると、回路基板の破裂は非常に激しく、いくつかの第2層回路が引き裂かれている。

1.2回路基板の破裂に影響する要因

揮発性物質の形成源は爆発の必要条件である

1.吸湿問題以下にPCB板に水が存在し、水蒸気が拡散する方式及び水蒸気圧力の温度による変化を説明し、水蒸気の存在がPCB爆発の主要な原因であることを明らかにした。PCB中の水分は主に樹脂分子中に存在し、PCB板内部のマクロ物理的欠陥（ボイド、マイクロクラックなど）である。エポキシ樹脂の吸水率と平衡吸水率は主に自由体積と極性基の濃度によって決定される。自由体積が大きいほど、初期吸水率が速く、極性基は水に親和性があり、これがエポキシ樹脂の吸水率が高い主な原因である。極性基の含有量が大きいほど、平衡吸水率が大きくなる。以上より、エポキシ樹脂の初期吸水率は自由体積によって決定され、平衡吸水率は極性基の含有量によって決定される。一方、鉛フリー還流溶接中にPCB板の温度が上昇し、自由体積中の水と極性基が水素結合を形成し、樹脂中に十分なエネルギーが拡散することができる。水は外側に拡散し、空隙またはマイクロクラックに凝集し、空隙中の水のモル体積率が増加する。

一方、溶接温度が上昇するにつれて、水の飽和蒸気圧も増加する。224℃における水蒸気の飽和蒸気圧は2500 kPa、250℃における水蒸気の飽和蒸気圧は4000 kPa、溶接温度が260℃に上昇すると、水蒸気の飽和蒸気圧は5000 kPaにも達する。材料層間の結合強度が水蒸気による飽和蒸気圧よりも低い場合、材料は破裂する。そのため、溶接前の吸湿はPCB層化と板破裂の主な原因の一つである。

2.貯蔵と生産過程における水分の影響。HDI多層PCBは感湿素子であり、PCB中の水分の存在はその性能に極めて重要な影響を与える。例えば：（a）貯蔵環境中の水分はPP（プリプレグ）の特性に顕著な変化をもたらす、（b）保護がなく、PPは吸湿しやすい。【図1.3】PPを30%、50%、90%相対湿度条件下で貯蔵した時の吸湿性を示す。PPの貯蔵時間と吸湿率との関係は明らかであり、静置下では時間が経つにつれてPCB板の含水量が徐々に増加する。真空パックの吸水率は無真空パックの吸湿率より高く、吸水率は一時保存時間の増加に応じて異なる。（c）水分は主に樹脂系中の各種物質間の界面に浸透し、界面に水の影響がある。

3.吸湿の危害（a）PPの揮発性含有量を増加させる。（b）PP樹脂中の水分の存在は樹脂分子間の架橋を弱め、板層間の結合力を低下させ、板の耐熱振動性を弱める。多層板は熱油または溶接浴と熱空気の流れ平面において白点、発泡、層分離が発生しやすい。ポリプロピレンと銅箔の接着力差は板破裂の十分な条件1である。現象の説明スライス分析から、板材の破裂位置は二次プレスppと銅箔の接触面（褐変面）の間にあることがわかる。銅は金属状態では非極性物質であるため、多くの接着剤の銅箔への接着力は小さい。銅箔の表面が処理されていなければ、性能に優れた接着剤を用いても、十分な付着力や耐熱性が得られない。銅箔表面の早期褐変処理方法は、銅箔表面に赤褐色の酸化亜銅（Cu 2 O）を化学処理により形成することである。樹脂積層基板に接着すると、室温で接着力が増加するにもかかわらず、200°C付近ではく離が発生する。これは、Cu 2 Oが加熱に不安定であり、加熱すると銅箔からはがれるためである。1960年代、東芝の研究者は、特殊な化学溶液処理を経て、銅箔表面に形成された黒色ビロード状薄膜（CuO）がより細い結晶を有し、銅箔表面に強固に付着できることを発見した。安定性もよく、これは後によく使われる黒出し技術です。1990年代半ば、欧米では伝統的な黒出し技術の代わりに、新しい多層板の内部導電パターンが化学的に酸化され、工業的に広く応用されている新しい褐変技術が採用された。

2.褐変強化接着のメカニズム新しい褐変プロセスであり、その化学反応メカニズムは：2 Cu+H 2 SO 4+H 2 O 2+nR 1+nR 2-CuSO 4+2 H 2 O+Cu（R 1+R 2）褐変槽において、H 2 O 2のマイクロエッチング作用により、基材銅表面は不均一なミクロ構造を形成しているため、リコースリップ銅表面の6-7倍に相当する結合面積を得ることができる。同時に、銅基板上に銅基板表面に化学結合した有機金属薄膜を堆積し、基板銅表面のSEM画像が褐色になった。接着剤が凹凸部分に入ると、機械的な接合効果も増加します。

3.褐変効果に影響する因子褐変の品質と効果はプロセスパラメータ制御の精密化に依存し、例えば：（a）処方の先進的な薬剤を選択する：アンメット薬剤を使用する褐変層は比較的に大きい粗さを有し、褐変層の結合力は回路基板を損傷することなく12倍の無鉛還流温度に耐えることができる。（b）生産過程において浴液成分のモニタリングを強化する。（c）ブロンニン（又は黒酸化銅）フィルムの厚さ：ブロンニンフィルムとPPの結合強度、耐酸塩基性、耐コロナ性及び耐高温性はすべてフィルムの構造と厚さと関係がある。しかし、接着強度が厚いほど、接着強度が高くなるというわけではありません。（d）汚染された褐変層とプロセス誤差：クラック板の質量の中で、クラック板が発生した部分を切り離し、褐変層が汚染され、樹脂と汚染された褐変膜が完全に分離されることを発見した。汚染部分の褐変層とpp板は積層後に効果的に接着できず、PCB板は後続のSMT組立中に発泡した。調査によると、高Tg材料は普通の材料をプレスして硬化するために誤って使用され、これも外銅箔とppシートの間の接着不良の原因の一つである。

還流温度の選択不適切は板材破裂の誘起因子1である。板材の破裂に対する温度の誘導作用。板爆モードの十分な必要条件の分析により、それらはすべて温度の関数であることがわかる。リフロー溶接温度が上昇するにつれて、多層板中の揮発性物質含有量及びその膨張圧力が増加し、褐変層とPP間の付着力は温度が上昇するにつれて低下する。潜爆板の十分な必要条件は温度要因によって引き起こさなければならないことは明らかである。特定の製品特性の総合分析に基づいて、リフロー溶接温度曲線を最適化することは効果的に抑制することができる

プレートバーストの発生。製品の特徴によってリフロー溶接温度をどのように最適化するか（a）米国マイクロエレクトロニクスパッケージCG Woychik氏は、「通常のSnPb合金を使用して、素子とPCB板がリフロー溶接の過程で耐えられる温度は240℃である。SnAgCu（無鉛）合金を使用する場合、JEDECは260℃と規定している。温度の上昇は電子パッケージアセンブリの完全性を危うくする可能性がある。特に多くの積層構造材料に対して、層間階層、特に水分含有量の高い新材料をもたらしやすい。内部には水分が含まれている。結合温度の上昇により、一般的に使用される積層板（HDI多層PCB板）のほとんどが現れる広範囲の階層化。」（b）米国の電子組立溶接JS.イエローは『電子組立製造における溶接材料とプロセス』にもこのように記述されている：「既存の鉛フリー材料の融点温度がSnPb共晶材料の融点温度（183℃）よりも高いことを考慮して、リフロー溶接温度をある程度下げるためには、適切なリフロー溶接温度分布曲線が特に重要である。また、現在の生産条件に基づいて、例えば現在のSMTメーカーとインフラストラクチャ、例えば素子とPCBの温度特性などを含む。無鉛リフロー溶接のピーク温度は235°Cに維持しなければならない。総合分析によると、HDI多層PCB板の無鉛リフロー溶接において、SnAgCu半田を用いて合金化する場合、ピーク温度は235°Cに設定し、245°Cを超えないことを提案した。実践により、この措置を取った後、板材の破裂の抑制効果が非常に明らかになった。

揮発性物質の逸脱不良はPCB板の故障を引き起こす要因の一つである。スライス分析から見ると、ほとんどの爆破板の位置は埋孔の上方に大面積の銅箔で覆われた部分で発生している。このような設計の製造可能性には確かに問題があり、主に以下のいくつかの方面に現れている：「溶接加熱後、埋め込み穴と中間層に蓄積された揮発性物質（例えば水分など）の排出に不利である、リフロー溶接中の表面温度分布の不均一性を激化させた、溶接中の熱応力の除去に不利であり、応力集中を形成しやすく、HDI多層PCB内層間の分離を激化させる。明らかに、HDI多層板製品の不合理な図形設計は無鉛製造過程における板破裂の発生を招いた。1.3板破裂のメカニズム

上記のプレート爆発現象の分析と総括に基づいて、私たちは以下の物理モデルに基づいてプレート爆発の物理過程を研究し、分析することができる。動作環境温度があまり高くない場合、多層板L 1−L 2間の結合は良好である。加熱過程が進むにつれて、埋め込み穴と内層中の揮発性物質（水分を含む）は絶えず排出される。排出された揮発性ガスは、埋め込み穴とPP（粘着シート）との間に蓄積される。温度が上昇し続けるにつれて、埋め込み穴の近くにガスが蓄積され、大きな膨張圧力が形成され、L 2とPPの褐変表面が膨張力を受けて分離される。最終膨張圧力が褐変表面とPPとの間の吸着力（f＜f）よりも小さい場合、埋め込み孔の内層には小さな気泡が1つだけ残り、すなわち1つの点が形成され、板爆発現象が発生する。最終膨張圧力が褐変表面とPP間の吸着力より大きい場合（f>f）、図1.14に示すように、褐変表面とポリプロピレン間はL 2に沿って分離される。このような明らかな塊状発泡と層状現象。PCBが加熱されると、自由体積の水の一部が微多孔質PCB基板を介して流失することができ、それによってボイドまたはマイクロクラックに蓄積される可能性のある水のモル体積率を減少させることができ、これはPCBの故障に有利である。改善する。しかし、PCB表面が大面積の銅箔パターンで覆われていると、PCBが加熱されると、埋め込み穴の上の大きな銅箔表面が加熱後に漏れる水蒸気を遮蔽し、これによりマイクロクラック中の水蒸気の圧力が増加し、回路基板が破裂する確率が大幅に増加する。空気中の水分はPPに凝結しやすく、吸着水となります。PPの本来の性能を維持するために、より適切な貯蔵条件は、温度（10〜20）摂氏度、湿度＜50%RH（真空貯蔵）である。報道によると、粘着シートは5°Cで1ヶ月またはlonhttps://www.ipcb.com/pcb-board.htmlgerは高品質の多層板の生産に成功できないので、冷蔵はお勧めしません。PCBボード製品の倉庫保管条件を厳格に制御し、特に雨天時には、倉庫の湿度を制御するために除湿機の電力を増加させる。鉛フリープロセスで使用されるPCB製品の包装を改良し、真空膜+アルミニウム膜包装を使用して、貯蔵時間と乾燥度を確保する、優れた耐熱性と低吸湿性を有する新材料を探しています。

回路基板の爆発発生を抑制する十分な条件：「褐変」過程の品質を最適化し、PCB内層間の付着力を高める、良質な褐変薬剤を選択する、PP材料の樹脂含有量（RC%）、樹脂ゲル時間（GT）、樹脂流動性（RF%）、揮発性成分（VC%）などの原材料品質のモニタリングを強化する。浸漬繊維空間に存在する樹脂の均一性と占有率を確保し、形成された基材が低吸水性、より良い誘電性、良好な層間接着性と寸法安定性を有することを確保する。

大きな銅箔表面の通気性を高める。上記によるプレート爆発位置の特徴とプレート爆発機構の分析。明らかに、PCB表面に大面積の銅箔層が設計されていると、内部の水蒸気が放出されないため、PCB板の爆発現象を改善するために表面に窓を開く必要がある。良好な濡れ性を保証する条件下で、できるだけ還流のピーク温度を下げる。