PCB-Technologie - Analyse und Verbesserung der Berstplatte beim Rückflussschweißen von Leiterplatten

Vorwort, in Leiterplatte reflow welding analysis and Verbesserungment of burst plate

With the development of electronic Produkte in the direction of multi-function, hohe Dichte, Miniaturisierung, und dreidimensional Mehr und mehr, die Notwendigkeit der Wärmeableitung wird immer wichtiger. Zur gleichen Zeit, Die thermische Beanspruchung und Verzug, die durch die unterschiedlichen CTE vieler Materialien verursacht werden, erhöhen das Risiko eines Montageausfalls, und die spätere Wahrscheinlichkeit eines frühen Ausfalls elektronischer Produkte wird auch steigen. Komm größer. Daher, Die Zuverlässigkeit des Lötens von Leiterplatten ist immer wichtiger geworden. Das Folgende stellt das Phänomen des Plattenversagens beim Reflow-Schweißen und seine Verbesserungsmethoden für Ihre Referenz vor.

1. Plate burst phenomenon in reflow welding

1.1 Definition of burst board
Definition: In the process of reflow soldering (especially lead-free applications), the separation phenomenon that occurs between the PP layer und die secondary layer (L2) copper foil brown surface of the HDI Mehrschichtige Leiterplatte during the second
compression, wir definieren es als burst board. Aus der Analyse der Scheiben, die Stellen der Brettplatze traten in den dicht vergrabenen Bereichen der 1-2-Schichten auf; keine Rückstände oder andere Anomalien gefunden wurden; Die Scheiben zeigten, dass das Brett sehr heftig platzt, und einige der zweiten Schicht Schaltkreise wurden auseinandergezogen.

1.2 Factors that affect the board burst

⑴ The formation source of volatile matter is a necessary condition for the Explosion

1. Moisture absorption problem
The following shows that the existence of water in the Leiterplatte, Die Art der Wasserdampfdiffusion und die Änderung des Wasserdampfdrucks mit Temperatur, um aufzudecken, dass die Existenz von Wasserdampf die Hauptursache für PCB-Explosion ist. The
moisture in the PCB mainly exists in the resin molecules, as well as the macro-physical defects (such as voids, micro-cracks) inside the Leiterplatte. The water absorption rate and equilibrium water absorption of epoxy resin are mainly determined by
the free volume and the concentration of polar groups. Je größer das freie Volumen, je schneller die anfängliche Wasseraufnahme, und die Polargruppen haben eine Affinität zum Wasser, which is the main reason why epoxy resins have higher water
absorption. Je größer der Gehalt an Polargruppen, je größer die Gleichgewichtswasseraufnahme. Zusammenfassend, Die anfängliche Wasseraufnahme von Epoxidharz wird durch das freie Volumen bestimmt, while the equilibrium water absorption is determined
by the content of polar groups. Einerseits, die Temperatur des Leiterplatte Erhöht sich beim bleifreien Reflow-Löten, Das Wasser im freien Volumen und die Polargruppe bilden Wasserstoffbrückenbindungen, which can obtain enough
energy to diffuse in the resin. Das Wasser diffundiert nach außen und sammelt sich in den Hohlräumen oder Mikrorissen, und der molare Volumenanteil des Wassers in den Hohlräumen steigt.

Andererseits, bei steigender Schweißtemperatur, der gesättigte Dampfdruck des Wassers steigt auch. The saturated vapor pressure of water vapor at 224°C is 2500kPa; the saturated vapor pressure of water vapor at 250°C is 4000kPa; and
when the welding temperature rises to 260°C, Der gesättigte Dampfdruck von Wasserdampf erreicht sogar 5000kPa. Wenn die Haftfestigkeit zwischen den Materialschichten niedriger ist als der durch Wasserdampf erzeugte gesättigte Dampfdruck, the
material bursts. Daher, Feuchtigkeitsaufnahme vor dem Löten ist einer der Hauptgründe für PCB Delamination und Leiterplattenbruch.

2. Einfluss von Feuchtigkeit bei Lagerung und Produktion. HDI Multilayer PCB ist eine feuchtigkeitsempfindliche Komponente, und das Vorhandensein von Wasser in der Leiterplatte hat einen extrem wichtigen Einfluss auf seine Leistung. For example:
(a) The moisture in the storage environment will cause significant changes in the characteristics of PP (prepreg);
(b) Without protection, PP ist sehr leicht Feuchtigkeit aufzunehmen. Abbildung 1.3 zeigt die Feuchtigkeitsaufnahme von PP, wenn sie unter den Bedingungen von 30%gelagert wird, 50%, and 90% relative humidity; the relationship between the storage time and moisture
absorption rate of PP The relationship is obvious, mit dem Lauf der Zeit unter statischer Platzierung, der Feuchtigkeitsgehalt der Leiterplatte wird allmählich zunehmen. The water absorption rate of vacuum packaging is higher than the water absorption
rate of no vacuum packaging, und der Unterschied in der Wasseraufnahme Rate mit der Erhöhung der temporären Speicherzeit.
(c) Moisture mainly penetrates the interface between various substances in the resin system, und es gibt einen Einfluss von Wasser auf die Grenzfläche.

3. Harm of moisture absorption
(a) Increase the volatile content of PP.
(b) The presence of moisture in the PP resin weakens the cross-linking between the resin molecules, was zu einer Verringerung der Haftkraft zwischen den Lagen der Platte führt, und die thermische Schockfestigkeit des Boards wird geschwächt. Mehrschichtige Bretter neigen zu weißen Flecken, sprudeln, Schichttrennung in Heißöl- oder Lötbädern und Heißluftnivellierung.

⑵ Poor adhesion between PP and copper foil is a sufficient condition for plate burst
1. Phenomenon description It can be seen from the slice analysis that the position of the plate burst is between the secondary pressing pp and the contact surface (browning surface) of the copper foil.
Kupfer ist eine unpolare Substanz im metallischen Zustand, so viele Klebstoffe haben sehr wenig Haftung auf Kupferfolie. Wenn die Oberfläche der Kupferfolie nicht behandelt wird, auch wenn der Klebstoff mit ausgezeichneter Leistung verwendet wird, it will not have sufficient
adhesion and heat resistance. The early browning treatment method on the surface of copper foil was to form reddish-brown cuprous oxide (Cu2O) on the surface of the copper foil through chemical treatment. When it is bonded to a resin-
laminated substrate board, obwohl die Haftung bei Raumtemperatur erhöht wird, Peeling tritt in der Nähe von 200°C auf. Dies liegt daran, dass Cu2O nicht hitzstabil ist und sich nach dem Erhitzen von der Kupferfolie abzieht. In den 1960er Jahren, researchers at
Toshiba Corporation in Japan discovered that after treatment with a special chemical solution, the black velvet-like film (CuO) formed on the surface of the copper foil has finer crystals and can firmly adhere to the surface of the copper foil. The
stability is also very good, Dies ist das Schwärzen Verfahren, das häufig später verwendet wird. Mitte der 90er Jahre, Europe and the United States used a new type of browning process in which the inner conductive pattern of a new mehrschichtig board was chemically
oxidized to replace the traditional blackening process, das in der Industrie weit verbreitet ist.

2. Mechanism of browning enhancing adhesion
The new browning process, its chemical reaction mechanism is: 2Cu + H2SO4 + H2O2 + nR1 + nR2 - CuSO4 + 2H2O + Cu(R1 + R2)
In the browning tank, durch den Mikroätzeffekt von H2O2, Die Oberfläche des Substrats Kupfer wird mit ungleichmäßigen Mikrostrukturen gebildet, So kann die Klebefläche, die 6-7-mal der unbehandelten glatten Kupferoberfläche entspricht, erhalten werden. At the
same time, Eine dünne Schicht organischer Metallfolie, die chemisch mit der Oberfläche des Kupfersubstrats verbunden ist, wird auf dem Kupfersubstrat abgeschieden, und das SEM-Bild der Kupferoberfläche des Substrats ist gebräunt. And after the adhesive
enters the concave-convex part, es erhöht auch den mechanischen Eingriffseffekt.

3. Factors affecting the browning effect
The quality and effect of browning depend on the refinement of the process parameters control, such as:
(a) Choose a potion with advanced formula:
The browning layer with Atotech potion has a large roughness, und die Bindungskraft der Bräunungsschicht kann 12-mal bleifreier Reflow-Temperatur widerstehen, ohne die Platte zu brechen.
(b) Strengthen the monitoring of bath liquid composition during the production process.
(c) Browning (or black copper oxide) film thickness: Browning (or black copper oxide) film and PP bonding strength, Säure- und Alkalibeständigkeit, Koronabeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit hängen mit der Struktur und Dicke des Films zusammen .
Aber es ist nicht so, dass je dicker die Bindungsstärke, je höher.
(d) Contaminated browning layer and process error: In the quality of a cracked plate, Entfernen Sie den Teil, an dem die rissige Platte aufgetreten ist, und es wurde festgestellt, dass die Bräunungsschicht kontaminiert war, and the resin was completely separated from the
contaminated browning layer.
Die Bräunungsschicht des kontaminierten Teils und des PP-Blattes konnte nach der Laminierung nicht effektiv verkleben, and the Leiterplatte Blister in der nachfolgenden SMT-Montage. Nach Untersuchung, the high Tg material was misused to press and solidify the
common material, was auch einer der Gründe für die schlechte Verbindung zwischen der äußeren Kupferfolie und dem PP-Blatt ist.

⑶ Inappropriate selection of reflow temperature is the predisposing factor for plate burst
1. Die induzierende Wirkung der Temperatur auf das Bersten der Platte. Durch die Analyse ausreichender und notwendiger Bedingungen für das Muster des Plattenplatzes, Es kann bekannt sein, dass sie alle Funktionen der Temperatur sind. The amount of volatile matter in the
multilayer board and its expansion pressure increase with the increase of the reflow soldering temperature, während die Haftung zwischen Bräunungsschicht und PP mit zunehmender Temperatur abnimmt. Offensichtlich, the sufficient and
necessary conditions for the latent explosion board must be induced by the factor of temperature. Optimizing the reflow welding temperature curve based on the comprehensive analysis of specific product characteristics is effective in suppressing

the occurrence of plate bursting.
2. How to optimize the reflow soldering temperature according to product characteristics
(a) US Microelectronics Packaging CG Woychik pointed out: "Using normal SnPb alloy, die Temperatur, die Komponenten und Leiterplattes kann während des Reflow-Lötens 240 Grad Celsius widerstehen. When using SnAgCu (lead-free) alloy, JEDEC stipulates The
temperature is 260°C. Der Temperaturanstieg kann die Integrität der elektronischen Verpackungseinheit gefährden. Speziell für viele Verbundwerkstoffe, Es ist leicht, Delamination zwischen Schichten zu verursachen, especially those new materials
that contain more moisture. Der Innenraum enthält Feuchtigkeit. In Kombination mit dem Temperaturanstieg, most of the commonly used laminates (HDI mehrschichtig Leiterplattes) will have a large range of delamination."
(b) The American electronic assembly welding JSHwang also has this description in the book "Welding materials and processes in electronic assembly manufacturing": "Considering that the melting point temperature of existing lead-free materials is higher than that of SnPb eutectic materials Melting point temperature (183 degree Celsius), um die Reflow-Löttemperatur bis zu einem gewissen Grad zu reduzieren, Eine geeignete Reflow-Löttemperaturverteilungskurve ist besonders wichtig. He also
pointed out: According to the current production conditions, Die Einrichtungen umfassen die Temperatureigenschaften von Bauteilen und Leiterplatten, etc. The peak temperature of lead-free reflow
soldering should be maintained at 235°C. Nach umfassender Analyse, beim bleifreien Reflow-Löten von HDI multilayer Leiterplattes, Wenn SnAgCu-Lot verwendet wird Beim Legieren, Die Spitzentemperatur wird empfohlen, auf 235°C einzustellen, not
exceeding 245°C. Die Praxis zeigt, dass nach dieser Maßnahme, Der Unterdrückungseffekt auf den Plattenbruch ist sehr offensichtlich.

â'· Schlechtes Entweichen von flüchtigen Stoffen ist ein Faktor, der zum Versagen der Leiterplatte
Aus der Analyse der Scheiben, Fast alle Stellen der Strahlplatte fanden sich auf dem mit einer großen Kupferfolie bedeckten Teil oberhalb des vergrabenen Lochs.
Die Herstellbarkeit dieses Designs ist in der Tat problematisch, mainly in the following aspects:
⑴ After the welding is heated, it is unfavorable for the emission of the volatile matter (such as moisture, etc.) accumulated in the buried hole and the interlayer;
⑵ Intensified the unevenness of the surface temperature distribution during reflow welding;
⑶ It is not conducive to eliminating the thermal stress in the welding process, und es ist leicht, Stresskonzentration zu bilden, die Trennung zwischen den inneren Schichten des HDI Mehrschichtige Leiterplatte. Offensichtlich, die unvernünftige grafische Gestaltung von HDI Mehrschichtplattenprodukte haben dazu beigetragen, dass im bleifreien Herstellungsprozess Platinenbrüche auftreten.

1.3 The mechanism of board burst

⑴ The mechanism of plate explosion According to the above analysis and summary of the phenomenon of plate explosion, Wir können den physikalischen Prozess der Plattenexplosion nach dem folgenden physikalischen Modell studieren und analysieren.
1. Wenn die Arbeitsumgebungstemperatur nicht zu hoch ist, Die Verklebung zwischen den Mehrschichtplatten L1-L2 ist gut.
2. Im Laufe des Heizprozesses, the volatile matter (including moisture) in the buried hole and the inner layer is continuously discharged.
3. The exhausted volatile gas accumulates between the buried hole and the PP (bonding sheet).
4. Da die Temperatur weiter steigt, Immer mehr Gas sammelt sich in der Nähe der vergrabenen Öffnung an, Bildung eines großen Expansionsdrucks, wodurch die Bräunungsfläche von L2 und PP eine Dehnungskraft erhält, die sie trennt.
5. When the final expansion pressure is less than the adsorption force between the browning surface and the PP (f6. When the final expansion pressure is greater than the adsorption force between the browning surface and PP (f>F), Trennung zwischen Bräunungsfläche und PP entlang L2, wie in Abbildung 1 gezeigt.14 This kind of obvious lumpy bubbling
and stratification phenomenon. Während die Leiterplatte erhitzt wird, Ein Teil des freien Wasservolumens kann durch das mikroporöse PCB-Substrat verloren gehen, Dadurch wird der molare Volumenanteil des Wassers reduziert, der sich in den Hohlräumen oder Mikrorissen ansammeln kann,
was zum Ausfall der Leiterplatte förderlich ist. improve. Allerdings, Wenn die Leiterplattenoberfläche von einer großen Fläche des Kupferfolienmusters bedeckt ist, wenn die Leiterplatte erhitzt wird, the large copper foil surface above the buried hole blocks the water vapor that escapes
after heating, die den Druck von Wasserdampf in den Mikrorissen erhöhen, Die Chancen, das Brett zu brechen, sind stark erhöht.

1.4 Countermeasures to prevent board explosion
⑴ Necessary conditions for eradicating plate explosion
The problem in PP storage is to prevent it from absorbing moisture. Die Feuchtigkeit in der Luft lässt sich leicht auf dem PP kondensieren und zu adsorbiertem Wasser werden. Um die ursprüngliche Leistung von PP unverändert zu halten, the more suitable storage
conditions are: temperature (10-20) degree Celsius, humidity <50%RH (stored in a vacuum). Nach Berichten, die Klebefolien, die bei 5°C für einen Monat oder lon gelagert werdenhttps://www.ipcb.com/pcb-board.html ger kann nicht erfolgreich hochwertige Mehrschichtplatinen herstellen, so refrigeration is not
advisable. Kontrollieren Sie streng die Lagerhaltungsbedingungen von Leiterplatte products, besonders bei Regenwetter, increase the power of the dehumidifier to control the humidity in the warehouse; improve the packaging of PCB products used in the
lead-free process, and use vacuum film + aluminum film packaging to ensure Storage time and dryness; look for new materials with good heat resistance and low moisture absorption.

⑵ Sufficient conditions for suppressing the occurrence of board explosion: optimizing the quality of the "browning" process and increasing the adhesion between the internal layers of the PCB; selecting high-quality browning potions;
strengthening the monitoring of the quality of raw materials, such as the resin content of PP materials (RC%), Resin gel time (GT), resin fluidity (RF%), volatile content (VC%) and other key indicators. Um die Gleichmäßigkeit und Auslastung des im imprägnierten Faserraum vorhandenen Harzes sicherzustellen, um sicherzustellen, dass das geformte Substratmaterial eine geringe Wasseraufnahme aufweist, bessere dielektrische Eigenschaften, gute Zwischenschichthaftung und Dimensionsstabilität.

Verbessern Sie die Luftdurchlässigkeit der großen Kupferfolienoberfläche. Entsprechend der obigen Analyse der Standorteigenschaften der Plattenexplosion und des Mechanismus der Plattenexplosion. Offensichtlich, when the PCB surface has a large area of
copper foil layer design, Es wird dazu führen, dass der innere Wasserdampf nicht freigesetzt werden kann, so ist es notwendig, ein Fenster zu dem Bereich zu öffnen, der von der großen Kupferoberfläche auf der Oberfläche bedeckt ist, um das Phänomen der Leiterplatte explosion.
â'· Optimieren Sie die Spitzentemperatur des Reflow-Schweißens. Unter der Bedingung, eine gute Benetzung zu gewährleisten, Reduzieren Sie die Spitzentemperatur des Reflows so weit wie möglich.