1、无铅波焊中吹孔成因研究及改善(一)| 来源：PCB 网城 | 2010 年 08 月 20 日 | 字体：小 大 | 点击推荐给好友 关键词：摘 要：吹孔（又称爆孔，blow hole）传统上是指完工的 PTH 铜壁上，可能有破洞(Void )存在。当 PCB 板在下游进行焊锡时，可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质 PTH ，特称为“ 吹孔“。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外，还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。本文主要从吹孔不良实例入手分析无铅波峰焊中吹孔成因及研
2、究其改善方案。 关 键 词：吹孔、无铅波焊一、前言电子产品无铅焊接在全球全面展开以来，诸多焊接问题接踵而至。有关无铅焊接的各种允收规格，以 IPC-A-610“ 电路板组装品质允收度”为最具权威性的国际规范，2005 年 2 月全新的 610 的 D 版将焊接各种允收规格安排在第5 章,其中镀通孔（PTH ）插脚波焊焊后发生吹孔（Blow Hole）， 或 SMT 贴焊点呈现见底的针孔（Pinhole）或外表之凹陷者，只要焊点尚能符合其他品质要求，则 Class1 可允收。但 Class2 与 3 却须视之为“ 制程 ， 警讯”（ProcessIndicator ）。（ 见 D 版 5.2.2
3、 ）从品管与改善之原则看来，发生制程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题。吹孔（blow hole ）传统上是指完工的 PTH 铜壁上，可能有破洞(Void )存在。当 PCB 板在下游进行焊锡时，可能会造成破洞中的基材的湿气在高温中迅速膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质 PTH ，特称为“吹孔“。无铅波焊中出现的吹孔除与钻孔、PTH 等制程有关外，还与板材、波焊之参数和助焊剂、元件插脚等有较大关联。可以说无铅波焊中吹孔产生的具体原因呈多样化，复杂化。二、无铅波焊特
4、性综观整个波峰焊工艺过程，包括助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统、冷却系统和轨道传输系统。良好的无铅波焊，其预热段必须使板子底面达到 130 ，顶面须达到 110 左右，这样才能保证焊锡顺利上到孔顶。无铅波焊的时间温度最高达 270， 预热后的 PCB 板从前面的突波与后继的平波总共接触滚烫的熔锡时间一般为 4-6 秒。当待焊接的板子底面进入波峰时，大量的熔锡与夹带的强热瞬时间向上涌入通孔，一边打造介面 IMC 完成焊接，一边又把介面 IMC 熔入液态焊锡中（如图）。所以无铅波焊特性犹如夏天的大飓风，一阵狂风暴雨之后又是艳阳高照，板子虽然不会长时间受到高温强热的伤害，但是瞬时的热量对通孔还
5、是有强力的冲击。高温所带来的另一方面的影响是会形成吹孔。PCB 板插件孔在焊接过程中会散发气体，这些气体源于 PCB 加工过程中吸收的溶剂、水分，电镀层包含的有机物、湿气或者是板材中包含的有机物、组装时残留的助焊剂等等。图 1. 波峰焊示意图三、孔壁粗糙产生吹孔如果孔壁存在孔粗，且孔粗较大，会有水气的藏纳，造成高温波峰时迅速膨胀吹出（OutGassing），而推开尚未固化的熔锡，自板子的焊锡面向外向下喷出，从而形成“吹孔”。图 2. 即为典型的孔粗造成的波焊后吹孔不良实例。图 2.孔壁粗糙导致的吹孔机械钻孔过程中，如为赶产量，设置的钻孔参数不当，在强大的机械切削力下造成孔壁中玻纤和树脂出现较大
6、的分裂和缺口，经过除胶后孔壁上形成过大的凹陷和空隙，在 PTH 和电镀后镀铜层无法紧密附着，引发许多微小的破洞（void ）而且深藏残液。后继在波焊时自然不可避免出现吹孔问题。在评估钻孔孔壁粗糙度的时候，一般都以进刀量（chip load ：指钻针每旋转一周所进入板件的深度）作为主要控制指标，所使用的进刀量如果偏大，钻孔后的孔壁难免粗糙。例如在 Spindle 钻速同为 10 万转/分（rpm ）时，进刀速率(feedrate) 分别采用 60Inch/min 和 120Inch/min 作比较，前者的进刀量为0.6mil/ 周。后者为 1.2mil/ 周，显然后者孔壁粗糙度远远大于前者。要改
7、善钻孔粗糙度，还应该充分考虑到无铅板材 TG 和硬化树脂体系由 Dicy 改为DICY Free 的变化。图 3. 为不同 Tg 普通 FR4 和 DicyFreeFR4 板材对钻针磨损的比较，可以明显看到板材 TG 越高相应对钻针的磨损越大，采用 DicyFree 做硬化剂的板材对钻针磨损相对更严重。针对无铅焊接下板材 Tg 和硬度的变化，考虑其硬度高、脆性大等特性，对钻针的磨损较大，钻孔条件应做如下调整：降低进刀量到 0.6mil/ 周以下，适当减少钻针设定的 Hits ，增大钻针的翻磨频率，控制主轴的偏转（Runout ）在 10um 以内等。以下是选择 TG170DICY Free 板
8、材做调整钻孔条件改善孔粗的对比研究，通过大量的切片分析，测量数据生成正态分布图如下（篇幅所限，仅列其中一种插件孔径 1.40mm 比较结果）：由以上测量结果可知，当钻孔条件调整到特殊参数 Rpm:45KrpmFeed:27Ipm Back:400Ipm Hit:500Htis 时，孔粗状况较普通钻孔条件有明显的改善，最大孔粗可以控制在0.8mil。我们将部分按此两种钻孔条件制作的 PCB 板送某电子厂插件后同时按波峰焊温度 255，传输速度 1.3m/min 过波峰焊，对比其产生吹孔情况（见下表），结果表明普通钻孔条件下有 2PCS 发生吹孔，追朔其吹孔原因还是如图 2.所示，孔壁粗糙度过大，
9、在过波峰焊时暗藏其中的水气自孔粗处喷出，形成“吹孔”。而按特殊钻孔参数制作的 PCB 因孔壁光滑平整，没有吹孔问题发生。无铅波焊中吹孔成因研究及改善(二)| 来源：PCB 网城 | 2010 年 08 月 20 日 | 字体：小 大 | 点击推荐给好友 关键词：四、孔壁破洞（void）与孔铜太薄造成吹孔 如果孔壁铜层有破洞，易藏纳水汽在其中，当过高温波峰焊时，板材中水气迅速膨胀吹出，推开尚未固化的熔锡，从而形成“吹孔”。若孔壁铜厚偏薄，则孔壁无法为焊锡提供足够的基础，使焊料与孔壁的附着力不够，进而形成空洞，也会造成“吹孔”。图 5. 和图 6. 即分别为无铅波焊后因孔破(void) 和孔铜太薄
10、造成的吹孔不良图例。孔壁破洞（void ）的产生与除胶渣及化学铜制程密切相关。在除胶渣的过程中高锰酸钾的咬蚀量不足，不但无法有效获得蜂窝状的微粗化面，且会造成孔壁微孔洞，内层结合不良，孔壁脱离，吹孔等质量隐患。对除胶槽来讲，新槽和较高的处理活性也可能会使一些联结程度较低的单功能树脂、双功能树脂和部分的三功能树脂出现过度除胶的现象，导致孔壁玻璃纤维突出，玻璃纤维较难活化且与化学铜的结合力较与树脂之间的更差，沉铜后因镀层在极度不平的基底上沉积，化学铜的应力会成倍的加大，严重的可以明显看到沉铜后孔壁化学铜一片片从孔壁上脱落，造成后续孔内无铜的产生，也可能造成孔内粗糙，玻璃纤维截点，渗铜，内层楔形孔破
11、等状况。另外除胶的几个槽液之间的协调控制问题也非常重要。膨松/溶胀不足，可能会造成除胶渣不足；膨松/溶胀过度则会出现溶剂残存到已蓬松的树脂内，在沉铜时也会活化不良沉铜不上，即使沉上铜也可能在后工序出现树脂下陷，孔壁脱离等缺陷。沉铜后的板件一般要浸硫酸除去表面的残碱和碱性的钝化膜，再直接电镀酸铜。板子放入稀硫酸缸中时，必须将板分散，左右摇摆 3-4 次，将孔内气泡排出，让酸液将孔壁润湿。因为孔内残存湿气容易造成孔内化学铜的氧化，引发后续的孔内无铜或铜薄，所以沉铜后应该做好出缸时间记录尽快一次铜，不要存留时间过长，一般不允许超过 8 小时。针对孔铜太薄的问题，在电镀时对孔铜厚度方面应加强控制，批量
12、生产前严格执行 FA 制度，要求全测 FA 板的插件孔孔铜，保证首板孔铜厚度 OK 后才能进行批量生产；定期用钳表测量飞巴的电流，确保显示电流与实际电流相符合；适当提高电流密度，将孔内电镀铜厚要求由 1.0mil(min) 提高到 1.2mil (min) ，即使钻孔品质稍有闪失，其所产生的破洞也可被足够厚的两次电镀铜所补平，进一步消除可能发生的“吹孔”。五、Dicy Free 板材易产生吹孔由于无铅板材为了提高耐热性减少爆板，其环氧树脂的固化剂已由 Dicy （双氰胺）改变为 Dicy Free （酚醛），并且加入了微粒状的二氧化硅、氢氧化铝等无机填料，在耐热性提高的同时板材更加脆化。在一般
13、钻孔参数下钻孔时孔壁上极易产生玻纤与树脂之间的微裂，对后继的孔铜的可靠性产生极大影响。从图 7.可见无铅波焊后 DicyFree 板材在孔壁附近的玻纤间存在有明显的裂口（glasscrack）。图 7.Dicy Free 板材脆性大钻孔后玻纤出现微裂，受热冲击后裂纹变得很严重。图 8.Dicy Free 板材玻纤微裂处发生的“吹孔”。为得到良好的孔壁表面，针对无铅化 DICY Free 板材不但要加强高锰酸钾槽液的作业条件，且除胶渣前的膨松处理也要延长反应时间。但造成的负面效应是孔壁上被钻孔打松或打裂的玻纤和树脂间，极易残留膨松溶剂，进而在后继发生树脂空洞、铜层破洞、灯芯效应等缺陷，在无铅玻焊
14、引发吹孔现象。（见图 9.）不同板料供应商的 DICY Free 板材树脂体系和填料比例都有差异，因此在选用 DICY Free 板材时，一定要对各种 DICY Free 板材本身的性能及PCB 制作条件重新进行评估，找出最佳的加工条件。同时建议要求板料供应商固定纱源，并使用开纤玻璃纱；做板前将板料高温焗板，消除可能存在的半固化片固化不彻底对钻孔的影响。另外，目前业界也开始从现有的 DICY FR4 做改良，使其耐热性大幅度提升，达到最新的 IPC-4010B 对无铅板材的性能指标。六、插件不正产生的吹孔如果零件脚未插在孔的正中央，靠孔壁较近的一边锡爬升速度会较快，并把孔口封住，使得离孔壁较远
15、的一边的空气来不及排出，受热迅速膨胀吹出，推开尚未固化的熔锡，形成孔内填锡不满、有空洞。从图 10.可以看到插件不正造成吹孔的实例。根据 IPC-2222 标准，当采用波峰焊接工艺时，使用圆形插件脚时孔径同插件脚之差为 0.20.7mm，使用矩形插件脚时，孔径同插件脚对角线尺寸之差应为 0.2-0.7mm。小于 0.2mm 大于 1.0mm 在焊接时容易出现问题。如图 11.所示，0.20mmD-d0.7 及 0.20mmD-L0.7mm。七、无铅波焊过程中参数、流程控制问题在无铅波焊中，有些 PCB 板不存在孔粗、破洞的孔及插件不正也存在针孔及吹孔问题。分析可能原因有：a 、板子打开包装后在
16、空气环境下放置时间过长，导致 PCB 板基材吸潮，孔内吸收的湿气在焊锡过程中受到高热蒸发出来而造成,解决方法是放在烤箱中120烤 2 小时。b 、元件引脚氧化；c 、助焊剂活性低、涂敷量过大；对于无铅波峰焊来说，由于无铅焊料的润湿性比 SnPb 焊料要差，为了保证良好的焊接质量，对助焊剂的选择和涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，这种助焊剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷，而且涂敷的助焊剂的量要求适中。d 、无铅焊料的氧化性问题；同 Sn-Pb 合金焊料相比，高 Sn 含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从
17、而在锡炉液面形成氧化物残渣（SnO2），影响焊接质量。焊料中的杂质在高温波峰焊时会产生气体，推开图 11.插件脚设计规范要求尚未固化的熔锡，形成孔内填锡空洞。为了防止无铅焊料的氧化，解决办法是改善锡炉喷口，最好的对策是加氮气保护。焊锡炉中的惰性氮气使得液化焊料尽量少暴露于氧气下，从而减少氧化物的形成，同时会提高焊料润湿程度。e、传输速度快，预热不足；焊接时间太短。八、结束语电子产品实施无铅制程以来，从 PCB 板材、元件到波峰焊的焊料、设备工艺都相应产生了改变。因此造成“吹孔”的原因有很多，包括 PCB 的品质、下游插件厂波峰焊操作条件等等。真正要解决吹孔，还需要上下游结合，根据实际情况调整制程参数，以预防吹孔现象的发生。
