作为各种电子元器件的载体与电路信号传输的枢纽,PCB电路板已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分,其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。PCB电路板和其他任何产品一样,都有其独特的保存条件和保质期。韦德亚洲都知道食物过期后不可再使用,只能扔掉,但是如果PCB线路板过期了后韦德亚洲该怎么处理呢?
在韦德亚洲线路板厂和SMT贴片加工行业中有这样的一句话:PCB超过保存期后一定要先烘烤才能SMT过回焊炉。
其实,PCB电路板没有过期不过期的问题,PCB裸板出现过期的问题主要是集中在两点:一是受潮有水汽了,需要祛湿,二是发生PCB表面处理氧化,不好上锡的问题。
PCB烘烤的主要目的在去湿除潮,除去PCB内或从外界吸收的水气,因为有些PCB本身所使用的基材就容易形成水分子。
另外,PCB生产出来摆放一段时间后也有机会吸收到环境中的水气,而水则是造成PCB爆板(popcorn)或分层(delamination)的主要凶手之一。
因为当PCB放置于温度超过100℃的环境下,比如回焊炉、波焊炉、热风平整或手焊等制程时,水就会变成水蒸气,然后快速膨胀其体积。
当加热于PCB的速度越快,水蒸气膨胀也会越快;当温度越高,则水蒸气的体积也就越大;当水蒸气无法即时从PCB内逃逸出来,就很有机会撑胀PCB。
尤其PCB的Z方向最为脆弱,有些时候可能会将PCB的层与层之间的导通孔(via)拉断,有时则可能造成PCB的层间分离,更严重的连PCB外表都可以看得到起泡、膨胀、爆板等现象;
有时候就算PCB外表看不到以上的现象,但其实已经内伤,随着时间过去反而会造成电器产品的功能不稳定,或发生CAF等问题,终至造成产品失效。
PCB爆板的真因剖析与防止对策
什么是PCB爆板?
无铅再流焊接过程中,发生在HDI积层多层PCB第二次压合的PP层和次层铜箔棕化面之间的分离现象,为爆板。
有挥发物的形成是产生爆板的必要条件:
(1)PCB板中存在水汽是导致爆板的首要原因。
(2)存储和生产过程中湿气的影响也是导致爆板的重要原因。
造成PCB 焊接过程爆板的成因众多且复杂,韦德亚洲从PCB设计、材料选择、焊接曲线、加工过程(包括棕/黑化、压板、钻铣成型及过程吸湿管理等)等四方面对爆板现象的形成原因和解决方案进行归纳总结。
成因分析:
(1)爆板主要发生在高层板结构中,位置相对比较固定。主要位置发生在BGAPitch 间距较小及BGA 密集区域位置。
(2) 无铅焊接的Profile 峰值温度较传统锡铅焊接平均高出34℃(锡铅焊料熔点为183℃,而无铅焊料熔点最低为217℃),对材料的耐热性要求较高。锡铅焊料在Reflow 时的峰温平均为225℃,波焊峰温平均为250℃,而无铅焊料的Reflow 峰温则达到245℃,喷锡及波焊温度有270℃,且Reflow 的平均操作时间延长至20s以上,焊接热量的剧增,对PCB 板的损伤加剧。
(3) Z-CTE 膨胀太大,在高温焊接受条件下,Z 轴膨胀过大也会导致爆板。
解决方案:
为应对无铅化对的耐热性能的挑战,IPC-4101B/99 针对“无铅FR-4”增加了四项新要求,要求(玻璃化转变温度)Tg≥150℃、(热裂解温度)Td≥325℃、Z-CTE≤3.5%(50—260℃)和T288≥5min。因此,建议在耐无铅工艺的材料选择时应优先选择满足上述要求的材料,同时在配方方面建议优先选择有填料(Filler)和酚醛(PN)硬化的材料。
更多关于PCB板为什么会爆板的原因请参见这里。
PCB烘烤的程序其实还蛮麻烦的,烘烤时必须将原本的包装拆除后才能放入烤箱中,然后要用超过100℃的温度来烘烤,但是温度又不能太高,免得烘烤期间水蒸气过度膨胀反而把PCB给撑爆。
一般业界对于PCB烘烤的温度大多设定在120±5℃的条件,以确保水气真的可以从PCB本体内消除后,才能上SMT线打板过回焊炉焊接。
烘烤时间则随着PCB的厚度与尺寸大小而有所不同,而且对于比较薄或是尺寸比较大的PCB还得在烘烤后用重物压着板子,这是为了要降低或避免PCB在烘烤后冷却期间因为应力释放而导致PCB弯曲变形的惨剧发生。
因为PCB一旦变形弯曲,在SMT印刷锡膏时就会出现偏移或是厚薄不均的问题,连带的会造成后面回焊时大量的焊接短路或是空焊等不良发生。
PCB烘烤的条件设定
目前业界一般对于PCB烘烤的条件与时间设定如下:
1、PCB于制造日期2个月内且密封良好,拆封后放置于有温度与湿度控制的环境(≦30℃/60%RH,依据IPC-1601)下超过5天者,上线前需以120±5℃烘烤1个小时。
2、PCB存放超过制造日期2~6个月,上线前需以120±5℃烘烤2个小时。
3、PCB存放超过制造日期6~12个月,上线前需以120±5℃烘烤4个小时。
4、PCB存放超过制造日期12个月以上,基本上不建议使用,因为PCB多层线路板的胶合力可是会随着时间而老化的,日后可能会发生产品功能不稳等品质问题,增加返修的几率,而且生产的过程还有爆板及吃锡不良等风险。如果不得不使用,建议要先以120±5℃烘烤6个小时,大量产前先试印锡膏投产几片确定没有焊锡性问题才继续生产。
另一个不建议使用存放过久的PCB是因为其表面处理也会随着时间流逝而渐渐失效,以ENIG沉金PCB来说,业界的保存期限为12个月,过了这个时效,视其沉金层的厚度而定,厚度如果较薄者,其镍层可能会因为扩散作用而出现在金层并形成氧化,影响信赖度,不可不慎。
5、所有烘烤完成的PCB必须在5天内使用完毕,未加工完毕的PCB上线前必须重新以120±5℃再烘烤1个小时。
PCB烘烤时的堆叠方式
1、大尺寸PCB烘烤时,采用平放堆叠式摆放,建议一叠最多数量建议不可超过30片,烘烤完成10钟内需打开烤箱取出PCB并平放使其冷却,烘烤后需压防板弯治具 。大尺寸PCB不建议直立式烘烤,容易弯。
2、中小型PCB烘烤时,可以采用平放堆叠式摆放,一叠最多数量建议不可超过40片,也可以采直立式,数量不限,烘烤完成10分钟内需打开烤箱取出PCB平放使其冷却,烘烤后需压防板弯治具。
PCB烘烤时的注意事项
1、烘烤温度不可以超过PCB的Tg点,一般要求不可以超过125℃。早期某些含铅的PCB的Tg点比较低,现在无铅PCB的Tg大多在150℃以上。
2、烘烤后的PCB要尽快使用完毕,如果未使用完毕应尽早重新真空包装。如果暴露于车间时间过久,则必须重新烘烤。
3、烤箱记得要加装抽风干燥设备,否则烤出来的水蒸气反而会留存在烤箱内增加其相对湿度,不利PCB除湿。
4、以品质观点来看,使用越是新鲜的PCB焊锡过炉后的品质就越好,过期的PCB即使拿去烘烤后才使用还是会有一定的品质风险。
对PCB烘烤的建议
1、建议只要使用105±5℃的温度来烘烤PCB就好了,因为水的沸点是100℃,只要超过其沸点,水就会变成水蒸气。因为PCB内含的水分子不会太多,所以并不需要太高的温度来增加其气化的速度。
温度太高或气化速度太快反而容易使得水蒸气快速膨胀,对品质其实不利,尤其对多层板及有埋孔的PCB,105℃刚刚好高于水的沸点,温度又不会太高,可以除湿又可以降低氧化的风险。况且现在的烤箱温度控制的能力已经比以前提升不少。
2、PCB是否需要烘烤,应该要看其包装是否受潮,也就是要观察其真空包装内的 HIC (Humidity Indicator Card,湿度指示卡) 是否已经显示受潮,如果包装良好,HIC没有指示受潮其实是可以直接上线不用烘烤的。
3、PCB烘烤时建议采用「直立式」且有间隔来烘烤,因为这样才能起到热空气对流最大效果,而且水气也比较容易从PCB内被烤出来。但是对于大尺寸的PCB可能得考虑直立式是否会造成板弯变形问题。
4、PCB烘烤后建议放置于干燥处并使其快速冷却,最好还要在板子的上头压上「防板弯治具」,因为一般物体从高热状态到冷却的过程反而容易吸收水气,但是快速冷却又可能引起板弯,这要取得一个平衡。
PCB烘烤的缺点及需要考虑的事项
1、烘烤会加速PCB表面镀层的氧化,而且越高温度烘烤越久越不利。
2、不建议对OSP表面处理的板子做高温烘烤,因为OSP薄膜会因为高温而降解或失效。如果不得不做烘烤,建议使用105±5℃的温度烘烤,不得超过2个小时,烘烤后建议24小时内用完。
3、烘烤可能对IMC生成产生影响,尤其是对HASL(喷锡)、ImSn(化学锡、浸镀锡)表面处理的板子,因为其IMC层(铜锡化合物)其实早在PCB阶段就已经生成,也就是在PCB焊锡前已生成,烘烤反而会增加这层已生成IMC的厚度,造成信赖性问题。
采用OSP表面处理工艺的PCB板存放时间过长怎么处理?
由于各种各样的原因,采用OSP表面处理工艺的电路板有可能会存在过期使用的情况。下面韦德亚洲将分几种情况进行处理:
1)PCB从线路板厂出厂时,一般的包装方式都是抽张振孔,放干燥剂与湿度卡。如果保存环境好且湿度卡不超标的,可以先做下沾锡验证,没问题的话也可以直接使用。但是,如果出于生产风险控制考虑的话,是需要烘烤的;
2)过期两三个月的OSP PCB如果保存环境良好的话,也是可以不用烘烤的,直接先做一下吃锡验证后直接使用;
3)如果有烘烤设备,可以进行低温烘烤,然后做上锡性试验;
4)如果没有烘烤设备,可以试试过回炉焊,效果也是差不多的;
5)如果是已经保存过期了两三年的板子,韦德亚洲则不建议再使用了,因为出现问题的概率太大了,建议重新再做一批。
其实,OSP PCB是不建议进行烘烤的,如果进行高温烧烤会破坏PCB表面的化学涂层而造成焊盘氧化。唯一需要烘烤的是因为PCB存放的时间太久了,内部会有水气,那需要做低温烘烤,温度不超过100度,减少对OSP层的破坏。
PCB电路板的去潮湿其实是小事,唯一的最大的问题就是出现氧化的情况,或者氧化不是特别明显,最头疼的事情就是焊锡不好。