PCB的吸水率、含水率与耐热性的关系

1、PCB分层的原因分析2006 年 7 月 1 日，欧盟两个指令（ROHS 和 WEEE）正式实施，业界将进入无铅焊接时代，由于焊接温度的提高，对板材的耐热性能提出了更高的要求。为了适应焊接温度过高的要求，必须使用新的板材。经过反复研究和论证，SYE 和 SME 先后使用了台湾联茂公司生产的树脂和板材，作为无铅焊料适用的材料进行生产。在 HI61890 和 HI61871 两款 PCB 板出厂时，公司已经对产品进行耐热性能测试。但是，客户却在使用过程中发现：这两款 PCB板在经红外回流焊时出现明显的分层，并就此向我公司投诉。根据文献 ，印制电路板的表面或材料里出现白点或分层，有以下几种情况：1a

2、) 大面积起泡是由于基板层压材料中的湿气和挥发物造成的；b) 机械加工不良使基板周边和孔周围出现分层，使 PCB 在制造过程中吸收了水分或储存过程中吸收了湿气；c) 若波峰焊接过程中露出纤维或严重起白点，是由于过度与溶剂（助焊剂）接触的缘故，特别是含氯的溶剂，可使树脂软化所致；d) PCB 基板受热时，固定得很紧的大元件或连接终端会使基板材料产生很大的应力，结果在此密集区域的周围起白点。基板在浸锡或波峰焊过程中或之后，所受应力、挠曲既可以在局部出现，也可能在大面上出现。针对上述原因，SEM 研究人员设计了八种试板，实验结果表明：当芯板厚度由 3mil增加到 6mil 时，PCB 板的耐热性能明

3、显下降，出现分层现象，而其它几种试板在耐热应力性能上均表现良好。但是，这里必须提到：由于这几种试板是最近几周内生产的，没有经过长时间放置，所以耐热性能方面差异不大。但是如果经过一段时间，试板内的含水量达到一定数值时，其性能可能有所改变。鉴于上述原因，我们将八种试板在恒温恒湿箱中进行加速实验，用红外回流焊（IR Reflow）和漂锡（Solder Flow）方法进行试板的耐热应力实验，目的是优化实验参数，同时找出爆板分层的原因。2.1 实验试板本实验所有试板由 SME 公司提供，具体实验参数如表 1 所示。2.2 试板含水率测定将试板在分析天平上称重 W （精确到 0.001mg 105烘箱中干

4、燥13h，自然冷却，称重 W ，计算重量变化的百分率 = (W -W )/W 100%21212.3 加速实验试板在温度为 85 85%的恒温恒湿箱中放置一段时间，取出后用布擦干表 IR Reflow 40 90%的恒温恒湿箱中放置一段时间的试板，取出后用布擦干表面的水，进行 Solder Flow 测试。12.4 耐热应力实验IR Reflow：采用SME 公司的红外回流焊装置，设定参数为：峰值240200以上保持 80 秒。回流焊五个温区的温度设置：一区：150；二区：195；三区：250；四区：275140。试板移动的速度为 0.75m/min。试板在红外回流焊装置中经 6 次实验。漂锡

5、：焊锡槽温度 2885，所设温度测试点在离焊锡液面以下 196.4mm。在试样表面浸涂助焊剂，将焊锡糟内熔融焊锡表面的氧化物去除，然后将试样放在焊锡上，保持 10秒钟，将试样取出后放置，冷却到室温。在焊锡槽浸放次数为 5 次。3.1 试板的耐热性能比较结果表 1 HI61871 试板的材料、设计与耐热性能的比较377 378 379 380 381 382 384 762ITEQ ITEQ ITEQ ITEQSolderFlow0.140.290%RHIR0.160.230.310.360 0.170 0.280 0.340 0.480 0.100 0.220 0.260 0.3985%RH1

6、9h0.62.30.38 0 0.445.60.415.60.40 6 0.38注：表中 d 代表 PCB 板的失效指数，数值越大，耐热性能越差；：含水率%表中 377384 均为 HI061871 试板，762 为另外一种设计不同的生产板2从表 1 的实验结果可知：在温度 40，相对湿度为 90%的恒温恒湿箱中，经过 3.5h 的加速实验后，各种试板的含水率与其相应的起始含水率相当。试板材料和设计的耐热实验表明：在4090%RH 和 8585%RH 的温湿度条件下，当 PCB 的含水率比较低的情况下，具有比较好的耐热性能。但是当PCB 试板吸水含量继续增加，达到一定值时，试板将发生大面积的分

7、层，因此，焊接前的吸潮是试板发生分层的原因之一。从实验的整个过程来看，经过加速实验后，八种试板的耐热性能有明显区别。762 试板的耐热性能最优，这是一款与 HI61871 的设计明显不同的生产板。在 HI61871 的试板中，377 和 378 两种试板在 Solder Flow 实验（03.5h）和 IR Reflow（05h）实验中，没有爆板分层的现象，失效指数均为0，说明这两种工艺参数制备的试板耐热性能比较好。其中，影响 377 试板的因素是棕化后是否烘板，当其他条件不变时，试板的芯板和次外层在棕化后烘干 1h（120 378 试板的因素则是表面氧化处理方式，与正常流程的棕化处理相比，经

8、过黑化处理的 PCB 试板的耐热性能比较好。综上所述，HI61871 试板中，影响分层的主要因素是PCB 的吸潮，其他的影响因素包括棕化后是否烘板、表面氧化处理的方式。将试板在棕化后进行烘板处理，以及将表面处理的方式由棕化改成黑化，均有利于试板的含水率的降低，提高 PCB 的耐热性能。3.2 试板的切片显微观察IR Reflow 测试的具体实验结果如表 2 所示。表 2 HI61871 试板的 IR Reflow 测试结果378Glass-RGlass-R5380379384R-RL2-31337937737737813803803803823823823823824382382384L2-3

9、L4-5 323843843843843843843843845总数84由表 2 可以看出，在进行 IR Reflow 测试中，共有 84 个样品发生爆板分层现象，其中8 个样品的分层发生在玻璃纤维和树脂之间，2 个分层发生在树脂和树脂之间，其余全部发生在铜面与树脂之间，具有一定的规律性。由于 Solder flow 分层的试板比较多，仅取其中一部分进行了切片显微观察，测试结果如5表 3 所示。表 3 HI61871 试板的 Solder flow 测试结果数量Glass-RGlass-RR-R1R-R1380 3.5h380 3.5hCu-RCu-RL1-2L5-611384 3.5h384

10、 3.5h377 5hCu-RCu-RCu-R231L1-2L2-3L5-663380 5h381 5hCu-RCu-RL4-5L1-2111总数28由表 3 可以看出，在 28 个试板的切片观察中，有 2 个试板的分层发生在玻璃纤维和树脂之间，2 个试板的分层发生在树脂和树脂之间，其余试板的分层发生在铜面与树脂之间。73.3 PCB 分层的原因分析由上述实验可以看出，在一定的温湿度条件下，当试板吸收水气比较少的情况下，经过一定程度的热应力实验，PCB 不发生分层。但是当加速时间比较长，试板吸收了大量水气以后，材料随即发生大面积分层。印制板在吸收水气后（即吸潮后），进行回流焊接或波峰焊发生分层

11、的原因如下：水的蒸气压力随温度上升而发生的变化情况如表 4 所示。表 4 水蒸气的蒸气压（压强为参数）温度（C）33 100100152 180198212224234243 250 264285kPa5500 10001500 2000 2500 3000 3500 4000 5000 7000由表 5 可以看出，随着温度上升，水的蒸气压力会迅速增加。在室温下，水气的压强仅有 5kPa，但是，当温度增加到200以上时，水气产生的压强可高达1500kPa。材料中含一定量的水气时，试板在进行热应力实验，温度骤升，导致水气产生的压强迅速增加。当材料的强度低于水气产生的压力时，材料即发生分层现象。因此，焊接前的吸潮是试板发生分层的原因之一。1. 40、90%RH 和 85、85%RH 的温湿度条件下，当 PCB 的含水率比较低的情况下，具有比较好的耐热性能。但是当 PCB 试板吸水含量继续增加，达到一定值