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对板边分层问题的分析和改善

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摘要:本文对无铅(有铅)喷锡中出现板边爆板分层不良进行较为详尽的分析与探讨。一方面对发生板边爆板分层问题从材料特性、PCB加工以及爆板机理进行分析,另外一方面对爆板分层的改善方法也给予建议。

AbstractIn this thesis, the board edge delamination defect in the HASL (lead and lead free) process is detailedly analyzed. One side, we analyze the board edge delamination problem from material characteristic, PCB process ability and delamination principle. On the other hand, we enumerate some suggestions of improved countermeasure.

关键词:喷锡  板边分层  脆性 开料

KeywordsHASL; Board Edge Delamination; Brittleness ;panel  cutting

一 前言与现象

HASL热风整平由于其成熟的工艺以及低成本的优势在PCB生产厂家中广受欢迎。本文主要针对在HASL中经常困扰大家的爆板分层进行探讨。由于造成爆板分层的原因复杂,本文仅针对爆板分层中开料造成的较为典型的板边分层进行分析,以供参考。

     开料造成板边分层不良现象有以下明显的特点

(1) 分层位置出现在板边位置,由板边向板内延伸,呈现半圆型。如下图一所示

                                图一

(2) 该分层位置再次进行reflow或热冲击后不会扩散。

(3) 该分层比例随机,分层出现在芯板或PP层,无明显规律。

二 分层原因

     我们对如下图二,板边位置进行分析:

                                   不良裂缝

                         A                  B

图二

1)对图二位置A,位置B进行相对含水量分析:

测试项目

图A位置

图B位置

TGA水份

0.1467%

0.5456%

图三

备注:TGA水份分析测试基材的相对含水率

     从测试结果看,A位置相对含水率远远高于B位置,那么相同unit上为何两处相对含水率差异如此之大?

2)对不良PCB板边大量微切片的分析,我们发现板边位置有轻微的不良裂缝(如图二)。

 综合以上两个现象,我们认为在PCB板边机械加工时,由于加工方式或加工参数的不适当导致PCB板边加工质量差,并发生轻微的裂缝(即图二位置的不良裂缝),在后续的湿流程中水份延不良裂缝直接渗透进入,而在PTH以及电镀后板边被镀铜所包裹,水份在基材PCB板边裂缝中无法释放。

  众所周知,由于水份气化后,在一定的体积内,蒸气压会随着温度的增加而急剧增大,如下图四所示

图四

当水蒸汽在250℃以上时产生的气压将大大增大,因此,PCB板边裂缝中残留的水份受热气化,而由于其被镀铜与基材所包裹无法释放,产生巨大的蒸气压,板边基材无法承受如此压力而导致爆板发生。

那么PCB板边的裂缝是如何产生的呢?

三 裂缝产生机理

    在进行裂缝产生的机理之前,我们先了解以下几点:

1、材料脆性

     CCL基板材料不论是DICY固化或PN固化体系,都存在脆韧性特性。该特性在一些标准中虽然没有明确的定义或量化的指标,但在实际生产过程中却实实在在影响着我们的PCB工艺,并对产品质量造成影响。特别是目前无铅化后比较流行的PN固化基材,虽然其较传统的DICY体系有较高的耐热性,但其在加工成本上却较高,究其原因也与PN基材较硬较脆相关。

     那么,基材的脆韧性如何评估呢?目前有较为成熟的落击法,即评估在一定的冲击下,基材表面呈现的痕迹来进行评判,该方法简单直观,可以值得参考,但该方法一方面需要设备的支持,另外该方法可以进行材料对比,但在实际生产中的表现到底如何却难以确定。这里介绍两种简单的脆韧性评估方法。

     (1)采用PCB常用的冲床啤板,并观察与测量白边程度进行评估。

材料A 啤板图形

切片分析

从以上表可以看出,冲床导致板截面粗糙度达到250um到300um(采用1.5吨冲床)

图五

材料B 啤板图形

切片分析

从以上表可以看出,冲床导致板截面粗糙度达到80um到150um(采用1.5吨冲床)

图六

从图五、图六可以看出,在相同的冲床参数下,材料A的板边截面粗糙程度远远大于材料B的板截面粗糙度,也就是说材料A的脆性大于材料B。不同的基板材料脆性是不同的。

2)采用辊刀切板观察裂痕。

目前很多PCB制造商在开料时采用辊剪的方式,该方式可以有效的提高生产效率,但是不匹配的参数设置却会对基材造成严重的伤害。

图七

图七左是采用辊刀剪切边,采用红色的药水浸润后,红色药水明显从裂痕处渗透,说明辊剪后板面已经收到严重的冲击并存在微裂痕。图二右是将基材撕开后的表现,药水已经渗透至基材内部。

图八

图八可以看出,不适当的辊剪参数将导致板边微裂痕严重失效,并容易在后续的加工中渗入水份,并导致后续巨大风险的产生。

2、不同加工方式对板边的影响。

这里由于我们只是讨论板边分层的情况,因此仅对开料方式进行评估以供大家参考。

由于CCL的脆韧性为其固有的特性,而非性能异常导致,因此,作为PCB加工商除了去选择材料外,更应该将重点放在如何控制自身工艺上。同样的材料不同的加工条件或参数导致的结果是完全不同的。

图九

辊剪开料普通参数

辊剪开料优化参数

从图九可以看出不同的辊剪开料参数对板边质量的影响是非常大的,不适合的参数将对基材造成严重的伤害。

综上所述,PCB不良裂缝的产生是由于材料本身固有的脆性与板边机械加工方式或参数的不匹配导致。不同的基板材料脆性是不同,但材料的脆性是固然存在的。作为PCB加工商有必要对基材的脆性引起充分的重视,只有深刻了解脆性的性质以及对加工产生的影响,我们在后续的加工过程中才能优化加工参数,避免不必要的损失。

四 改善方法

针对脆性产生的问题,除了对材料进行选择外,作为PCB板边机械加工应注意什么呢?

(1)开料时采用适合的加工方法以及加工参数能大大降低发生不良的几率,而加工方法的评估可采用切片分析裂痕。对常用的几种开料方式,以下方法可供参考:

图十

图十一

设备类型

板边泛白情况

截面情况

特点

锯床

0.0mm-0.3mm

比较平整

批量开料,毛刺少,需要用到垫板,可加工薄板厚板。如果垫板硬度不够,容易出现分层问题。

辊床

0.3mm-0.8mm

比较平整

单张开料,毛刺少。对于厚板容易出现板边分层问题。

剪床

0.0mm-0.4mm

比较粗糙

单张开料,尽管截面粗糙、毛刺多,但不容易出现分层问题。

从图十及十一可以看出,不同的机械加工方式对基材的伤害有巨大差异的

(2)喷锡前将板边镀铜除去(剪切或锣边),保证在喷锡时水份可以通过板边溢出,而保证喷锡质量。

(3)在PTH前进行烘板处理在一定程度上可以改善该问题但效果不明显。

(4)采用其他的表面处理工艺可以不考虑该问题。

五 思考与讨论

     进入无铅化时代后,CCL供应商可以提供耐热性更高,更适合无铅化的产品,但带来的是加工成本的增加以及加工难度的加大,而很大一部分与本文阐述的脆性相关。脆性问题越来越受到业界的关注,其影响的不仅仅是本文所述的板边加工问题,对其他所有机械加工如密集孔、BGA、冲铣啤板等都产生深远的影响,其引起的思考也是无止尽的,作者希望能够抛砖引玉,共同进步。

致谢 

  本文得到广东生益科技股份有限公司工艺部经理吴小连以及全体同仁的大力支持,在此表示感谢!

参考文献:

1、 张君宝,广东生益科技股份有限公司,技术报告《辊剪对板边质量影响技术报告》

2、 叶锦荣,广东生益科技股份有限公司,技术报告《冲孔对基材的影响》

3、 王水娟,广东生益科技股份有限公司,技术报告《不同开料方式对板质量的影响》

Tags:对板边分层

作者:佚名
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