通孔元件吹孔的案例解析

  在开关电源的生产中,PCB多层印制板成为制程品质控制的主要的因素.PCB吹孔成为制程不良的特征之一,而之前解决吹孔不良仅从制程与机械物理方向着手解决,本文阐述从解决化学品污染的另一个方向着手,分析无铅波峰焊的吹孔成因与研究其改善方案.

  吹孔是一种波峰焊的不良现象.指在PCB钻孔完成的PTH铜壁上,可能有破洞,以及铜壁上粗糙度超出标准,残留污染物等.当PCB板在下游进行焊锡时,经过250‐260度的高温,会造成孔壁上残留湿气与污染物迅速膨胀,产生移动压力向外将灌入的溶锡吹出,冷却之后锡珠会形成空洞与气泡,这种将贯通孔中溶锡吹出后形成的焊点现象,称为”吹孔”.无铅波峰焊中吹孔的形成除了与PTH的破洞,孔壁厚度,粗糙度相关外,还与钻孔除胶工艺,化学沉铜污染有很明显的关系.在无铅波峰焊的制程中也必须要格外注意PCB防潮,以及波峰焊时的设备参数.因此吹孔产生的原因呈多样化,复杂化.本文从实际案例着手,分析吹孔产生的实际原因.

  2011年7月在生产HP客户机种时出现PCB过波峰焊时在PCB的阻热孔上出现吹孔不良,不良率达20000DPPM.如图1.这些吹孔不良都存在于大散热元件的阻热孔中.不良如图1,图2.此时波峰焊的主要工艺参数为:底部预热:130度,顶部预热:110度,锡温:265度,锡炉链速95CM/MIN,过波峰时间为4-5S,单波峰焊接.

  调整链速,将目前的链速调整为120CM/MIN,减少过波峰时间,约1S.顶部预热均为110度,底部为130度,锡温为265度(无铅)结果如下表1.

  1.烘烤试验,采用4H,120度温度烘烤.采用链速120CM/MIN,其他参数不变过锡炉.结果如下表.

  以上结果为,提高链速,减少PTH波峰接触时间,与烘烤PCB可以大大降低不良率,但是吹孔不良的最终的原因仍然没找到,吹孔不良率仍然没有达到一个可接受的标准.因此设计了第三组试验..

  从表3能够准确的看出,使用B厂商PCB过波峰焊,在120CM/MIN的链速下,未进行烘烤,吹孔不良率下降到可接受的范围内.因此将改善方向定为改善PCB厂商的制程工艺.

  3.有关吹孔的技术资料表明,吹孔形成与孔壁薄和PTH孔壁粗糙有关系,.孔壁薄导致焊料无法有效沾附,形成焊接空洞,孔粗较大会有水气的藏纳,造成过波峰时将PTH内溶锡吹出.通过与PCB厂商与厂内研磨对不良PCB贯通孔研磨发现,PCB孔厚与孔粗均符合SPEC

  剂污染物的.在排除PTH孔粗与孔壁薄的影响后,将改善方向转移到孔内残留化学溶方向.将吹孔不良送第三方分析孔内成分.除了预期的金属元素外,还发现了碳和氧的成分.切片结果如图5.

  5.通过对技术资料的查阅,资料显示化学品的控制是解决热敏焊料空洞问题的关键,尤其指出目前PCB生产广泛采用的高锰酸钾除胶工艺的控制.因此对比A.B两家供应商的制程,仔仔细细地观察两家厂商的高锰酸钾除胶工艺.发现B供应商对钻孔后去除钻孔产生的胶渣管控很严格,在高锰酸钾除胶渣工艺中使用过滤系统滤除除胶槽中的残渣.并且定期清理除胶槽中所产生的胶渣.A厂商在去除胶渣的工艺中,没有过滤系统,除胶槽中残渣严重,未能及时得到清除.在此基础上,在A供应商增加了过滤系统后重新送改善后样品试验,实验结果不良下降到了200DPPM,实验结果如表4,图6

  波峰焊接结果也再次证明了高锰酸钾除胶工艺后所产生的残渣是导致PCB吹孔的根本原因之一,增加了过滤系统的除胶渣工艺可以轻松又有效抑制吹孔不良的产生,降低DPPM.

  最后的实验结果可以证明由于高锰酸钾除胶工艺所产生的残渣残留在PTH孔内,在过波峰焊时残渣受热膨胀后气化排出再导致了吹孔的形成.因此就需要及时清除高锰酸钾除胶后所产生的残渣.增加过滤系统与定期清理高锰酸钾除胶槽的残渣可以有效解决残留在PTH孔内导致吹孔不良的问题.同时,在后工序水洗PTH孔时,增加水压,清洗压力能更加进一步降低PTH孔内残渣与碎屑.通过一系列的实验发现,控制PCB制造工艺中的化学溶剂残留成为控制PCB吹孔问题的关键所在.

  通过工厂内SQ,CQE与PCB供应商的一起努力结果,并且在查阅有关技术资料,最终确定了PCB内吹孔问题的成因为高锰酸钾除胶工艺的残渣导致.最终不良在PCB厂商导入除胶槽过滤系统后消除.目前大部分PCB厂商(包括某些技术资料)都将吹孔问题的根本原因定义为孔壁的粗糙度与孔铜厚度,以及检验孔铜是不是真的存在破洞导致.忽略了在PCB制造工艺中的化学溶剂残渣的控制与清除.此次PCB吹孔的改善案例说明,PCB制造工艺过程中的化学品控制同样重要.

  在此次PCB吹孔改善过程中,感谢LiteonSQ(梁元伟),CQE(董春鸽)以及PCB供应商的协力支持.特别感谢我的直属主管SDDeng以及CXWang,的悉心指导与帮助,感谢拓普达公司给予此次案例分享机会.