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覆铜板常见质量问题及解决方法

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覆铜板常见质量问题及解决方法
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一、耐漫焊性   1.耐浸焊性的重要性   耐浸焊性是目前国内普遍存在的问题。也是许多生产厂家十分注重的工艺技术问题。电子产品的性能可靠性在相当大的程度上取决于印制电路板的质量可靠性。电器部件插装在印制电路板上以后,要进行自动焊接(波峰焊或浸焊)。在这些过程中若出现铜箔的起泡,甚至是焊盘、铜筒线条翘起以及导线脱落,除与印制电路板加工工艺不合理有关外,还与覆铜板耐浸焊性有关。国内波峰焊的时间和温度的上限为5 5/260 "c ,通常采用2.5~4.5   5/230 - 250 "c ,最佳条件一般在3 5/240 "c附近,按照我国国家标准一般纸基覆铜板的耐浸焊性的指标是10 5/260 "c ,即在10 5 以内不分层、不起泡。   提高和稳定覆铜板的耐浸焊性的重要性有如下几点。   ①电视机、录音机等大部分的元器件等都插装在印制电路板上,若因板的耐浸焊性差或不稳定,就会使整个元器件以及印制板损坏或报废并影响整个组装生产线正常进行。   ②若在自动焊接后未检查出印制板的该质量问题,就会在整机组装后,甚至自动焊接后未检查出印制板的该质量问题,造成更大的浪费和损失。   ③有些整机厂发现一些印制板在过波峰焊中出现该质量问题,有时就不得不采取降低焊接温度、降低波峰没人板的深度等措施。使焊料不能充分接触焊盘,焊料流动性差,造成润湿不良的缺陷,导致整机的质量稳定性降低。各覆铜板生产厂对浸焊性的质量问题是非常重视的。这项性能的稳定与平整度几乎成为衡量同类纸基覆铜板质量的两大敏感性的重要项目。它直接严重影响着各生产厂的产品声誉。   2. 在热冲击条件下,覆铜板"起泡"是界面严重破坏的结果纸基覆铜板是由溶液或熔融状态的树脂通过上胶(包括对粗化铜筒的涂胶)、压制,与纸纤维强材料,铜箔固化成型在一起的复合材料。从板的结构看,通过上述加工后,多种组分,就形成多种界面结构。所指的界面,是树脂与纸纤维增强材料的界面,胶粘剂与铜箔的界面,以及树脂和胶粘剂通过热压产生化学反应交联的整体与增强材料、铜锚各为一侧的界面。   当树脂与增强材料固化成一体时,树脂基本会产生收缩,而且树脂与纸纤维、铜箔的热膨胀系数也相差很大,因此,在固化过程中各个界面上就会产生附加应力。另一方面,巳固化成型的纸板,也会在外力、受热作用下,产生板内的应力分布不均匀的情况,甚至在界面上某些部位集中了较高的应力。所产生的上述两种应力,会使界面局部的化学键遭到破坏,引起板的内部材料形成微裂纹。   在制板过程中,残留在板界面的孔隙中的水分子以及一些低分子物也对界面的破坏造成很大的促进。   上述界面产生的附加应力和界面间由于残留的低分子物而产生的界面的裂纹孔隙,在热冲击条件下(即放入高温的焊锡中) ,就会产生更大的集中应力,破坏界面间化学键或机械嵌合,使界面的粘接强度很快下降,而界面间残留的低分子挥发气体体积不断增大,活动能量也不断得到补充和加强。这时,己遭到破坏的界面上的粘接力抵抗不住这些挥发气体通过界面上裂纹、孔隙向外散发的内部破坏的力,就会在薄弱的界面上发生铜箔和基板,或基板层间的局部分层、起泡。   纸基覆铜板在热冲击条件下,出现"起泡"问题,是界面遭受到严重破坏的结果。根据板的类型,树脂配方,制造工艺条件不同,界面结构的破坏形式略有差异。在做耐浸焊实验中,其"起泡"的形状、分布瞬时发生的变化也是不同的。当用的树脂分子量分布或固化交联较均匀,树脂较纯清时,其板内界面应该是均匀的,试样放入焊锡中维持不起泡的时间是较为一致,起泡一般出现个别的大泡,起泡瞬间伴有响声,爆发力大。树脂中含有少量杂质时,测浸焊时会出现个别大的泡。杂质破坏了连续的界面层,甚至可把上胶纸层面垫起一个深深的凹陷,在它的周围空隙中易聚积较多的气体和应力,造成界面较大的缺陷,测定数据分散性较大。增强材料含有较大的杂质(如不榕的化学纤维块,较大较硬的纸浆块等)也会出现这种破坏界面层现象。若在测浸焊过程中试样铜锢在同一瞬间普遍出现均匀分布,直径差异不大的泡,一般是界面存有低分子(挥发物)太多;或者是树脂普遍固化交联不好,层间粘接力差。这样以来化学键在高温条件下没有什么抵抗其破坏应力的能力,界面结构很快被严重破坏了。在测浸焊中,若试样在边缘有一排小泡出现,可能是由于板的半成品或成品吸潮,界面孔隙中进入水分引起的。进入的水分子不但扩大了孔隙的空间,而且在热冲击条件下,产生蒸汽使界面上的孔隙发生倾向于增大、扩展的变化。有的试样放入较小的焊锡槽测定时,出现焊锡温度突然下降2-3 'c的情况,可能是该板界面的裂纹、孔隙较多,受热后迅速扩展应力,吸收活动能量而造成的。一般这种板其耐浸焊性偏低且不稳定。研究上述板在热冲击下界面遭到严重破坏即"起泡"的不同特点,对于我们分析、找出诸破坏因素的主要因素,调整或改变生产工艺条件,以及新产品板的树脂配方的设计都是有很大的帮助和启发。   3. 提高和稳定耐浸焊性的一些措施   提高和稳定纸基覆铜板的耐浸焊性,就要尽量消除和减少在板的成型和高温下会破坏各界面结构的诸因素。在制造覆铜板过程中,应注意以下各点。   ①铜箔要有稳定的较好的粗化处理层。   ②铜箔胶粘剂要有一定的耐热性和高粘合性。有时两者在胶粘剂配方选择、研制中是相互矛盾的,但两者都要达到一定高的程度。   ③树脂在固化交联时要均匀性好,缩合水产生的少,低分子挥发物少。并应有较高的   交联密度,为此采用两种或两种以上的复合催化剂为宜,且树脂制造工艺应严格控制,在树脂制造过程中,尤其在热加工脱水时一定不要将胶液抽到冷凝器中,使冷凝器堵塞。如果冷凝器堵塞或部分堵塞,脱水时间非常长,这时上层水很难脱出,进而造成胶包水、水包胶,如果用这种树脂去上胶压板,不仅影响耐浸焊性,同时覆铜板也会产生严重翘曲。如何解决这个问题?办法一是,树脂操作时操作者一定精心操作,不可有丝毫麻痹,而将胶液抽到冷凝器中;办法二是,在反应釜蒸发器上安装一个"阻胶器"或在回流装置上安装一个缓冲罐;办法三是,经常检查冷凝器,看一看是否有胶液堵塞现象,如遇有堵塞现象,及时疏通清理干净。若采用两次上胶工艺,其一次上胶纸挥发物要尽量控制低,二次必须是疏水性的。   ④树脂中的助剂(主要是阻燃剂、增塑剂、固化促进剂等) ,要选择挥发性小,耐热性高的。阻燃剂中反应型优于添加型,可选择合适的偶联剂加入树脂中,以提高耐热性或提高湿态粘合性。   ⑤要考虑树脂和铜箔胶粘剂固化时间(胶化时间) ,反应交联的匹配。有两侧加上胶玻纤布的纸基覆铜板,还应注意两种树脂的胶化时间和交联结构的匹配。   ⑤上胶纸挥发物的大小,对板的耐浸焊性有很大的影响。要保证上胶纸有较低的挥发物指标,但同时也不能一味压低挥发物,而把可溶性(或流动度)控制得太小,影响界面的粘合性。上胶烘箱温度设计,要有较适宜不同树脂特点的温度层次。同时要注意上胶纸浸清、干燥的均匀性,并防止残留杂物。   ⑦保证上胶纸的贮存条件(一般温度应在20-25 'c ,相对湿度在35% 以下为宜) ,减少贮存期。含有一定极性基团的酣醒树脂的上胶纸在贮存期间吸收空气中的水分子(吸潮, )直观表现在其上胶纸挥发物的增大,对板的耐浸焊性会造成很大的威胁。   ⑧树脂制造、上胶纸的生产以及压制工序中配料、叠合过程都要防止杂质的混入。生产现场环境的净化清洁,对产品内在质量也至关重要。   ⑨压制过程中的压力、温度要合适。压制温度过高,会破坏界面的化学键,造成热分解反应。压制温度低、压力小,会造成固化交联不好,它们都会影响板的耐浸焊性。压制时还要注意压机热板中部和周边的温度应基本保持一致。在夏季潮湿气候条件下,配好的料坯,不及时压制,也会造成料边缘吸潮,影响耐浸焊性。   ⑩两侧加上胶玻纤布的纸基覆铜板,其浸焊性有独特的性质:其一,此类板的脱蜡玻纤布与纸纤维之间的树脂界面,主要是通过"点、格"状形式粘接交联的,这种样式比起纸板的"片、层"状粘接附着力是偏弱的。其二,脱蜡布易吸潮。玻纤布的浸透性不如纸纤维。其三,上胶玻纤布和上胶纸一般为两种配方树脂,要达到树脂整个界面的均匀一致是有限的。由于上述原因,此类板在制成成品后,在潮湿条件下,板的耐浸焊性下降幅度大。因此一方面要注意包装防潮,又要注意将此类板耐浸焊性的实测值要做出高于指标的几倍,以有"保险余量"。 二、剥离强度   1.剥离强度的测定   剥离强度是覆铜箔板中一个重要的质量指标,也是一项常规检验项目。它是覆铜板生产中常出现质量问题的指标。剥离强度低就会在印制版加工时或装机焊接时出现铜箔脱落问题,甚至会影响整个电器的正常运行。按照国家标准,剥离强度测定方法,要模拟印制电路板在加工工艺过程中可能经受的各种严酷条件,测定铜筒与基材间宽度的粘合力。这些模拟条件包括如下几点。   ①干热后(经500 h);   ②暴露于三氯乙烷蒸气处理后;   ③热冲击后(5s/260 'C);   ④模拟电镀条件暴露后;   ⑤在溶剂中浸泡后(浸没溶剂10 min);   ⑥高温下做剥离强度试验。   2. 对提高胶接强度的认识   胶接强度,一般由两大部分决定:其一是粘合力,也就是铜宿胶粘剂和基材树脂通过在压制中受压受热,产生熔溶-交联的作用力,及上述两种树脂的泪合物与增强材料之间作用力。其二,铜销与增强材料树脂的内聚强度。这里指的树脂虽然包括上胶过程中浸入的增强材料的主树脂,也包括铜宿所涂胶粘剂,但关键是铜徊的胶粘剂。粘接很强的必要条件,是铜筒胶粘剂对铜箔粗化面的很好的湿润。这种湿润不但是在铜箔涂胶工序中均匀的涂胶,还有在压制初期通过高压高温来实现。由于胶粘剂在靠铜箔一侧能很好地湿润、渗透到铜箔粗化面凹凸的表面层中,又在靠基材的一侧与主树脂很好地进行化学交联,因而保证较高的覆铜板的剥离强度。前者的联接,是固化之后是形成像许多小钩子似的状态,把胶粘剂和被粘物(铜锚)连接在一起。有人把这种形成的粘附力归于机械作用,这种胶接理论为机械力结合理论。按这种理论,较高的表面能和高比表面积对胶接强度有利。   3. 抗剥力的破坏   从覆铜板的铜箔胶接结构的断面上看,是由基板层(树脂和纤维增强材料的复合材料)、铜箔胶粘剂与树脂的界面层、铜箔胶粘剂层,铜箔处理的粗化层,铜箔基本层五层结构组成的。它们彼此的力学性能是相差很大的。例如:铜筒及其粗化处理层是刚性弹性体,而胶帖剂则是弹性体。因此,胶接接头在承受外力作用时应力分布是非常复杂的。由于各个材料的热膨胀系数、固化收缩率不同,以及要受到水、溶剂、热氧化等环境介质的影响,都会生成胶接各层内和之间的应力,而且内应力的分布不均匀的。加之胶接结构的内部缺陷。在做剥离强度试验中,抗剥力的破坏总是会发生的,只不过有抗剥力高、低之分。这种抗剥力的破坏有四种形式:   ①胶粘剂与树脂界面的破坏;   ②铜箔胶粘剂的内聚力破坏;   ③铜箔粗化处理层破坏;   ④混合破坏。   4 保证抗剥强度稳定性的主要措施   保证剥离强度稳定性包含有两个含义:一方面,要达到剥离强度在标准规定的各项指标。另一方面,剥离强度在覆铜板的各部位应均匀一致。   达到上述要求,包括两方面保证条件:较好的胶粘剂(耐热性强;胶粘强度高;并且有一定内聚强度;具有好的湿润能力;抗化学药品性好;耐潮性好;贮存稳性好;与树脂很好的匹配等)。另一方面,在板的加工生产中工艺技术得到保证。其中应注意如下几点。   ①电解粗化铜箔的粗化质量稳定、均匀、无划伤、磨损。   ②树脂要有一定的交联密度,与铜箔胶粘剂应匹配。   ③树脂中的助剂(包括增塑剂、阻燃剂等) ,对胶粘剂与树脂的固化交联元削弱、破坏作用。   ④铜箔涂胶,纸的上胶其含量不能太小,可溶性、流动度不能太小,并且含量、可溶性均匀,保证半成品的贮存期。半成品的材料防止着水。   ⑤压制的预温、热压保温阶段要在时间、温度、压力方面达到工艺要求。   ⑤铜箔胶粘剂要达到工艺要求。   三、翘幽度   1.翘曲度指标的重要性及测定方法   (1)覆铜板翘曲度板的翘曲通常指弓曲和扭曲两种变形。所谓弓曲是覆铜板的四个角都在同一个平面内,其边沿两条直线边在同一平面内。所谓扭曲是覆铜板的三个角坐落在同一平面内,而另一角悬起成翘曲。在研究板的翘曲问题时,又可把它分为静态翘曲和动态翘曲,一些标准只规定了静态翘曲的测定方法。   (2) lEC标准推荐平台测定法欧、美和世界不少国家均采用此法,我国国家标准也采用此法。其测试方法简述如下:将覆铜板凹面向上,置于长、宽不小于460 mm 的平台上。使直尺下边轻轻接触试样两端翘起的边缘,从主尺上读出跨距L (mm) ,并测量板与主尺上表面的最大距离h , 用h 减去主尺厚度,即板的弓曲值D 。按下式换算成1000 mm 跨距时的弓曲值d ,   d=Dx1000 2/L2   由于国标中翘曲度指标d 较大ρ 此项指标失去实际意义。一般还要尊重用户的意见,达到更小的翘曲度。另一种测定方法是日本]IS 悬挂测量法。   单面覆铜板的弓曲值,铜宿在向上,且板呈凸形为正翘曲。反之,为负翘曲。   覆铜板的翘曲对于板使用质量影响极大。在印制板加工过程中,若翘曲度大,就会影响加工流水线的定位孔的精度,会因翘曲在丝网漏印中把网拽破,甚至翘曲过大,还不能通过流水线。在冲孔加工中也会带来麻烦。在整机组装过程中,由于印制电路板翘曲大,会影响计算机控制的元器件的自动插装;会影响过波峰焊时和元器件腿焊后自动"砍头"时的质量。甚至由于翘曲度很大,会造成过波峰焊时"塌腰"严重,焊锡流入非铜循面,使整个带   元器件的印制电路板报废。   2. 覆铜板翘曲的原因   (1)静态翘曲与动态翘曲静态翘曲是指生产出的覆铜板的本身翘曲。动态翘曲是指覆铜板在加工印制电路板过程中,受热、受潮、受水影响以及在整机装配时通过波峰焊接过程中,受瞬时热冲击影响造成的翘曲。要创造出高质量、高水平的板,就要达到这些翘曲都小。从研究和解决两大翘曲出发还可以将这两大翘曲,分为以下几种情况,见图6-6-1 。图中"+ "表示一般为正翘曲,"一"表示为负翘曲。静态翘曲是与增强材料、树脂配方以及板在制造各工艺过程中情况有关,静态翘曲尽量要小,因为这对于动态翘曲的减少有很大的好处,因此,对纸基覆铜箔板,生产后进行一次整平加工是十分必要的。    (
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