如何提高PCB的可焊性

摘要：“可焊性”是指焊料对基体金属的可钎焊性，即焊料对基体金属的润湿性能的好坏。PCB板的可焊性，有两种衡量方式，其一是指PCB在组装中焊接的难易程度，它可以用设备在组装中出现虚焊、假焊的概率来衡量其优劣，其二作为PCB生产商为了判断和保证产品焊接性能，根据J-STD-003标准要求，采用模拟焊接的方式，按照IPC6012B级标准以润湿程度做以衡量。影响PCB可焊性的原因是多方面的，有自然的，有人为的，也有制造工艺的等等。本文主要从PCB生产制程中各个环节对PCB焊接性的影响，以实例做详细全面的分析和相应的对策，用以提高PCB的焊接性。关键词：可焊性设计孔壁粗糙度镀铜目前PCB制造商的可焊性测试一般采用专用的不锈钢锡锅，以锡铅63/37为主要焊料或者其他无铅焊料，在助焊剂方面应采用非活性松香助焊剂（25％白色橡胶松香在99％无水乙醇中）。测试时一般最少为两个测试样片，一个应有表面封装，另一个应包含有至少10个焊接孔。测试按照J-STD-003标准要求，按照不同的时间，将样片“漂浮”或者“浸泡”在不同温度要求的锡锅焊料之中进行模拟焊接测试。应在50倍显微镜下观察，以润湿程度做以衡量。如果焊料对基体金属的润湿性能良好，表明“可焊性”也比较好。一般润湿程度可以用焊料对基体金属的接触角来表征，最好状态下接触角一般接近于零度；小于、等于90°认为焊点是合格的；当大于90°时认为焊点是不合格的。作为印刷线路板上的金属基体一般采用在基体导体铜上做各种表面金属基体涂覆，最常见的如：热风喷锡、化学镍金、化学银、化学锡、防氧化等，各处理工艺过程中的优劣，将直接影响最终的焊接。一、表面金属基体涂覆工艺最常见的几种影响焊接的因素在表面处理之前，微蚀效果不佳，被氧化的底铜未被去除干净，影响处理效果。各表面工艺基体的金属厚度没有达到最低要求，对底铜没有起到很好的保护作用，化，影响焊接。当各表面工艺中铜含量超标，影响表面处理效果。水洗效果不佳，导致水中的菌类对处理后的表面进行污染。金属基体化合物间致密性差，留有空隙，使底铜暴露在空气中，被氧化影响焊接。表面处理后烘干不好，金属基体表面留有大量的水分，与空气接触将金属基体表面氧化。在表面处理之后至成品包装，仍然会经过很多道工序，期间金属基体被酸性气体或高温潮湿环境污染。由于金属基体表面经过处理后，长时间或*在高温下存放，金属基体被氧化，在焊接时氧化物未被去除干净，使得焊料难以在这种表面上铺展，从而导致接触角大于90。金属基体存放超出使用周期，金属基体老化失效。以上是在表面金属基体涂覆过程中和在焊接之前，影响最终焊接的几种因素。但本文将重点论述PCB生产制程中做表面金属基体涂覆之前各生产环节，影响“可焊性”不良的各种可能性因素，并以实例说明。

二、PCB的“设计”对焊接的影响绝大多数的PCB制造商都是依照客户的GERBER数据进行制作，加工生产的，只有极少数可以有自行设计开发的能力。因此，作为PCB加工商不会参与到前期的设计和研发之中，但由于设计者不了解PCB加工过程，可能导致一些焊接时不良现象的出现，经过PCB制造商与设计者之间对问题的准确理解，弥补了由于设计原因导致的焊接不良，下面以两个实例进行分析和改善：案例1：PCB的成型加工除铣成型外，另一种是冲成型，由于设计时没有规定冲外形的方向，导致锡铅盘面受到向下的剪切力较大造成的锡铅面压伤呈现麻面，可焊性实验不良。分析：此产品在冲外形时，是将有锡铅的一面朝下放置，由于锡铅盘面受到向下的剪切力较大，锡铅面压伤呈现麻面切片表明，虽然表面上看仍然有锡铅保护，但由于边缘锡铅厚度已接近Oum,金属基体铜被氧化，在焊接过程中严重的氧化层没有被去除完全，是造成可焊性不良的根本原因。改善措施：1．更改胶片，四周锡盘宽度加宽。2．改变冲压方向，将有锡铅盘的一面朝上进行冲外形。3．经客户试焊，四周锡盘宽度加宽反方向冲压的产品焊接后100％为良品。四周锡盘宽度加宽按照原冲压方向的产品焊接后50％为良品。说明四周锡盘宽度加宽反方向冲压的产品可焊性彻底改善。案例2：根据客户反映产品经过两次回流后出现固定点焊接不良现象。分析：大多数焊接不良的焊盘位于大地线铜面上。从缺陷点的特点可以看出，大面积铜地线盘出现焊接缺陷的呈现明显的规律性，大面积铜吸收大量的热量，然后热量被迅速释放，无法达到焊接所需要的温度，影响焊接上锡效果。改善：通过更改线路图形的设计，来改善大面积地线铜上焊盘的受热状态。结论：更改图形后的产品经过客户的焊接确认，没有再出现焊接不良的情况。三、表面涂覆之前处理各生产环节对“可焊性”不良的影响表面涂覆是将各种表面工艺涂覆在底铜上，因此底铜处理的好坏直接影响表面涂覆的效果，最终影响焊接效果。例如：显影不净，底铜氧化，阻焊上盘等这些都是比较普遍的现象。下面介绍的两个实例是大家容易忽视的，但又会严重影响焊接效果的缺陷，因此对于这两种缺陷的过程控制管理，能够引起大家的重视。目前钻孔普遍仍然采用传统的加工方式，以高速钻机为加工设备，采用合金钻头为加工工具，在PCB上加工出所需直径的孔，以起到为后序加工导通的作用。这里唯一判断孔壁质量的环节是孔壁粗糙度的大小，它与钻孔叠板数，钻头使用寿命，刃磨次数，钻机工艺参数，CCL板厚和铜箔厚度等有着直接的关系，笔者曾做过实验，得出钻孔叠板数在这些因素中影响最大。但大家都忽视了对孔壁粗糙度的限定，在IPC6012标准中并没有要求，笔者认为孔壁粗糙度应被限定在40um以下。本新闻共2页,当前在第1页12案例1：笔者曾遇到过一次由于孔壁粗糙度大，影响焊接效果。这里说的焊接不良，是在做过波峰焊之后，由于孔壁粗糙度过大，焊锡爬不满整个孔内。不仅如此通过金相观察，此处还很容易形成空洞，严重时由于受到高温度焊料的冲击在空洞拐角处震裂开孔内铜，导致产品失效。

改善措施：减少叠板数，降低钻头的使用寿命和刃磨次数，尽可能使用新的或刃磨一次的钻头，对于一些特殊板材的钻孔加工，要经过实验验证找到一种适合的工艺条件。随着电子设备的小型化、高性能化与SMT广泛采用，促使印制电路板制造技术向着高密度化、多层化方向发展。因此，印制线路板制程中化学铜，一次铜，二次铜加工质量的优劣直接影响印制板电路间连接的可靠性。化学镀铜过程，使孔壁非导电体（绝缘体）表面沉积一层铜，以确保内层导体与电路的可靠连接。特别在处理多层化、高密度化、小孔径和孔径与板厚比高的情况下通过孔内壁铜层形成可靠的连接。一次铜是为保护刚刚沉积的薄薄的化学铜，防止化学铜氧化后被酸浸蚀掉，通过电镀将其加厚到一定程度。二次铜为满足各线路额定的电流负载，各线路和孔铜铜厚需要达到一定的厚度。目前电镀加工多采用垂直线体加工，采用硫酸铜为主要的电解液，配以光亮剂。为了保证高可靠性，因此对镀铜厚度和均匀性能否达到标准要求（一般要求大于25um）显得非常重要。笔者曾做过电镀线体的DOE实验，从镀铜液中各组分，电流密度，槽体温度，上片方式等验证对镀铜厚度最直接的影响因素，得出电流密度在所有因素中影响最大。另外，我们不能忽视镀铜的深度效果，由于受垂直线体的影响从电镀原理关于电流分布状态进行分析，通过实际电镀时发现孔内电流的分布呈现腰鼓形，出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐渐降低，致使大量的铜沉积在表面与孔边，无法确保孔中央需铜的部位铜层应达到的标准厚度，有时铜层极薄或无铜层。案例2：由于镀铜厚度没有满足要求，导致的焊接不良的发生。分析原因：1．全板镀铜、图形电镀电流效率降低，在整个一次铜加工过程中，如果出现某一时刻，或者是开始阶段或者是后一阶段或者是中间某一阶段电流消失，导致镀铜没有达到一定的厚度，而且会侵蚀掉已经电镀上的部分铜，因此造成孔内铜缺失，或者镀铜厚度过薄。2．由于一次铜厚度过薄，在图形电镀微蚀槽中将铜全部蚀刻掉，造成孔内铜缺失。3．全板镀铜和图形电镀深度能力不足，孔中心处铜厚度过薄，经过微蚀时铜被蚀刻掉。图形电镀时镀锡厚度不足，或者镀锡时产生H2气泡，经过蚀刻线时，由于没有了锡保护，或保护不足导致铜被蚀刻掉。喷锡或者其他表面工艺前处理返工次数过多，导致铜被蚀刻掉。改善措施：对全板镀铜线和图形电镀线的电流表进行检修，并制订定期的检测频率。增加过程测试能力，对每一飞巴的产品进行抽样镀铜厚度测试。对全板镀铜线和图形电镀线阴阳极位置以及光亮