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PCB技術
PCBボードリフロー溶接におけるバーストプレートの解析と改善
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PCBボードリフロー溶接におけるバーストプレートの解析と改善

PCBボードリフロー溶接におけるバーストプレートの解析と改善

2021-12-24
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Author:pcb

序文, イン PCBボード reflow welding analysis and 向上ment of burst plate

With the development of electronic 製品 in the direction of multi-function, 高密度, 小型化, 三次元ますます, 熱放散の必要性は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に起因する熱応力と反りは、アセンブリ故障のリスクを増加させる, そして、その後の電子製品の初期故障の確率も増加する. より大きい. したがって, PCBはんだ付け信頼性がますます重要になった. リフロー溶接における板破損現象とその改善方法.

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 と secondary layer (L2) copper foil brown surface of the HDI 多層PCB during the second
compression, バーストボードと定義する. スライスの分析から, 基板バーストの位置は、1-2層の密集した領域に生じた破片その他の異常はないスライスは、ボードが非常に激しく破裂することを示した, そして、いくつかの第2の層回路は、引き離されました.

PCBボード

1.2 Factors that affect the board burst

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

1. Moisture absorption problem
The following shows that the existence of water in the PCBボード, 水蒸気拡散の様子と蒸気圧の温度変化, 水蒸気の存在がPCB爆発の主原因であることを明らかにする. 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 PCBボード. The water absorption rate and equilibrium water absorption of epoxy resin are mainly determined by
the free volume and the concentration of polar groups. 自由体積が大きい, 最初の吸水率が速いほど, そして、極グループは水に対する親和性を持っている, which is the main reason why epoxy resins have higher water
absorption. 極性グループの内容がより大きい, 平衡水吸収が大きいほど. 要約する, 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る, while the equilibrium water absorption is determined
by the content of polar groups. 一方で, 温度 PCBボード 鉛フリーリフローはんだ付け中の増加, これにより、自由体積および極性基の水が水素結合を形成する, which can obtain enough
energy to diffuse in the resin. 水は外側に拡散し、空隙や微小亀裂に集まる, ボイド中の水のモル体積率は増加する.

一方で, 溶接温度が上がるにつれて, 水の飽和蒸気圧も増加する. 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, 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って発生する飽和蒸気圧より低い場合, the
material bursts. したがって, はんだ付け前の水分吸収はPCB剥離とボードバーストの主な理由の一つである.

2. 貯蔵および生産中の水分の影響. 多層PCB 湿分成分, そして、PCBにおける水の存在は、その性能に非常に重要な効果を有する. For example:
(a) The moisture in the storage environment will cause significant changes in the characteristics of PP (prepreg);
(b) Without protection, PPは水分を吸収しやすい. 図1.図3は、30 %の条件下で保存されたPPの吸湿性を示す, 50 %, and 90% relative humidity; the relationship between the storage time and moisture
absorption rate of PP The relationship is obvious, 静的配置下での時間の経過, 水の含水率 PCBボード 徐々に増加する. The water absorption rate of vacuum packaging is higher than the water absorption
rate of no vacuum packaging, 一時貯留時間の増加に伴う吸水率の違い.
(c) Moisture mainly penetrates the interface between various substances in the resin system, そして、インターフェースに水の影響があります.

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, 結果として、基板の層の間の結合力が減少する, そして、基板の耐熱衝撃性が弱くなる. 多層ボードは白い点になりやすい, バブリング, ホットオイルまたはハンダ浴中の層分離と熱風平準化.

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.
銅は金属状態の非極性物質である, 多くの接着剤は銅箔への接着性が非常に少ない. 銅箔の表面が扱われないならば, 優れた性能の接着剤を使用しても, 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, 接着は室温で増加するが, 剥離は200°C°C付近で起こる. これは、Cu 2 Oは熱に対して安定でなく、加熱後の銅箔から剥離することに起因する. 1960年代に, 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, これは後に一般的に使われるブラックニングプロセスです. 1990年代半ば, Europe and the United States used a new type of browning process in which the inner conductive pattern of a new 多層 board was chemically
oxidized to replace the traditional blackening process, 業界で広く使われている.

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, H 2 O 2のマイクロエッチング効果により, 基板銅の表面は、不均一な微細構造で形成される, したがって、未処理の平滑な銅表面の6~7倍の接合面積を得ることができる. At the
same time, 銅基板の表面に化学的に結合された有機金属薄膜の薄い層が、銅基板12上に堆積される, そして、サブストレートの銅表層のSEM像は、褐色にされる. And after the adhesive
enters the concave-convex part, また、機械的係合効果を増加させる.

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, そして、褐変層の結合力は、基板12を破壊することなく、12回の無鉛リフロー温度に耐えることができる.
(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, 酸とアルカリ抵抗, コロナ抵抗と高温抵抗は膜の構造と厚さに関係する .
しかし、それは接着強さをより厚くすることではない, 高い方.
(d) Contaminated browning layer and process error: In the quality of a cracked plate, ひび割れた板の部分を剥がす, 褐変層が汚染されていることがわかった, and the resin was completely separated from the
contaminated browning layer.
汚染部分とPPシートの褐変層はラミネーション後に効果的に結合しなかった, and the PCBボード その後のSMTアセンブリのブリスター. アフター調査, the high Tg material was misused to press and solidify the
common material, これは、外部銅箔とPPシートとの接合不良の理由の一つでもある.

⑶ Inappropriate selection of reflow temperature is the predisposing factor for plate burst
1. 平板破裂に及ぼす温度の誘導効果. 平板破裂のパターンのための必要十分条件の解析, すべての温度の関数であることが知られている. The amount of volatile matter in the
multilayer board and its expansion pressure increase with the increase of the reflow soldering temperature, ブラウニング層とPPの間の接着は、温度の上昇とともに減少する. 明らかに, 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, 成分と温度 PCBボードリフローはんだ付けの間、Sは耐えることができます. When using SnAgCu (lead-free) alloy, JEDEC stipulates The
temperature is 260°C. 温度上昇は、電子パッケージングアセンブリの完全性を危険にさらす. 特に多くの積層構造材料, 層間の層間剥離を起こすことは容易である, especially those new materials
that contain more moisture. 内部は水分を含んでいる. 温度上昇と組み合わせる, most of the commonly used laminates (HDI 多層 PCBボードs) 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), リフローはんだ付け温度をある程度まで低下させるために, 適切なリフローはんだ付け温度分布曲線は特に重要である. He also
pointed out: According to the current production conditions, 既存のSMTメーカーや基礎などの設備は、コンポーネントとPCBの温度特性を含んでいる, etc. The peak temperature of lead-free reflow
soldering should be maintained at 235°C. 総合分析後, 鉛フリーリフローはんだ付け HDI 多層PCBボードs, 合金化時にSnagCuはんだを使用する場合, ピーク温度は235℃℃で設定することを推奨します, not
exceeding 245°C. 練習は、この措置を取った後, プレートバーストに対する抑制効果は非常に明白である.

揮発性物質の貧しい逃亡は、失敗の原因となる PCBボード
スライスの分析から, ブラストプレートのほとんどすべての場所は、埋込み穴の上に銅箔の大きな領域でおおわれている部分で起こりました.
この設計の製造性は実に問題である, 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, また、応力集中を形成することは容易である, の内部層間の分離を強める HDI 多層PCB. 明らかに, 不合理なグラフィックデザイン HDI 多層基板製品は無鉛製造工程におけるボードバーストの発生に寄与した.

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, プレート爆発の物理過程を以下の物理モデルによって研究し解析することができる.
1. 作業環境温度が高くないとき, 多層基板L 1 - L 2間の接合は良好である.
2. 加熱工程が進むにつれ, 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. 温度が上がり続けるにつれて, 埋もれたオリフィスの近くにはますます多くのガスが蓄積する, 大膨張圧力の形成, L 2とPPの褐変表面は、それらを分離する膨張力を受ける.
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), L 2に沿って褐変表面とPPの間に分離が生じる, 図1に示すように.14 This kind of obvious lumpy bubbling
and stratification phenomenon. PCBが加熱されている間, 水の自由体積の一部は、マイクロポーラスPCB基板12を介して失われ得る, これにより、空隙または微小亀裂に蓄積することができる水のモル体積分率を減少させる,
PCBの故障を助長する. improve. しかし, PCB表面が銅箔パターンの大きい領域でおおわれているならば, PCBが加熱されるとき, the large copper foil surface above the buried hole blocks the water vapor that escapes
after heating, これはマイクロクラック中の水蒸気の圧力を増加させる, ボードを壊す可能性の発生を引き起こすことは、大いに増加します.

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. 空気中の水分はPP上で凝縮しやすくなり、吸着水となる. PPの本来のパフォーマンスを変わらないようにするために, the more suitable storage
conditions are: temperature (10-20) degree Celsius, humidity <50%RH (stored in a vacuum). レポートによると, 接着剤シートを5℃で1ヶ月または1回保管したhttps://www.ipcb.com/pcb-board.html GERは高品質多層基板をうまく生産できない, so refrigeration is not
advisable. の倉庫貯蔵条件を厳密に制御する PCBボード products, 特に雨天で, 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. 含浸繊維空間に存在する樹脂の均一性と占有率の確保, 形成された基板材料が低い吸水性を有することを確実にするために, より良い誘電特性, 良い層間接着と寸法安定性.

大型銅箔表面の通気性向上. プレート爆発の位置特性とプレート爆発のメカニズムの上記分析によると. 明らかに, when the PCB surface has a large area of
copper foil layer design, それは、内部の水蒸気がリリースすることができない原因になります, そのため、表面に大きな銅表面で覆われた領域に窓を開けて、その現象を改善する必要がある PCBボード explosion.
リフロー溶接のピーク温度の最適化. 濡れを確実にする, リフローのピーク温度をできるだけ小さくする.