高温下爆板的原因及材料CTE之影响

由于无铅焊接在焊接温度升高的同时，也拉长焊接时间，这使得焊接的板件所需承受的热量（曲线下的面积）与热冲击比在有铅的情况下大大增加。这是造成爆板的根本原因。

1.材料

板材无法承受无铅焊接的热量和热冲击，是产生爆板的根本原因。板材承受高热量和热冲击的四个指标参数：

1）玻璃化温度T_g。表示树脂的化学、物理性能发生劣化的温度。

2）热分解温度T_d。在高温下当树脂发生分解失重为5%时对应的温度，当温度接近或达到树脂的热分解温度时，已经有部分树脂发生了裂解，虽然不一定超过5%，但可很能已达到2%～3%，这时树脂的性能也已发生了较大的劣化，承受高温的时间越长，树脂的分解就越严重，板材的总体膨胀量也越大。

T_g和T_d高的板材，在高温热循环中，具有更好的抗弯曲性和更高的硬挺性，可有效减少板件在焊接过程中的上下凸凹，对Z向的应力更具良好的抑制作用。

3）热分层时间。在多次焊接中是否发生薄板的性能参数。

4）Z轴膨胀率[α₁CTE、α₂CTE和总膨胀率（50～260℃）]。α₁CTE表示树脂在T_g前的Z向膨胀率；α₂CTE表示树脂在T_g后的Z向膨胀率。如果温度在超过T_g后，Z轴的膨胀率将急剧增加，因为无铅焊接的温度已经超过板材的T_g值，因此在无铅焊接的高温过程中，板材的热膨胀量主要取决于α₂CTE。另外，如果构成PCB板材的各种材料CTE相差很大，将会成为高温下爆板的诱因。

2.PCB制程

如果PCB制程控制不当也会对PCB的无铅焊接造成爆板，严格的制程管理与品质控制常会在制造过程中或者出货前发现问题并得到解决，但也可能会留下一些隐患并造成下游焊接时出现问题，这些因素包括无铅热风钎料整平、棕黑化处理及压合处理。

（1）热风整平（275℃浸锡2s） 在热风钎料整平前先进行烘板预热，以减少湿气造成的爆板问题。尽可能避免返工，防止加重板件受到热冲击，还要防止钎料对孔环边缘的咬铜过渡。

（2）棕黑化 PCB内层的棕黑化处理主要是在铜导体表面生成棕色或黑色的氧化层，用来提高层压后层间的结合力，假如内层的棕黑化处理不良，将造成层压后层间的结合力不足，给产生爆板留下隐患。

（3）层压 若层压参数设置不当也会引起爆板，如升温速度和加压的速度不匹配，造成树脂填充不充分或流动不充分，再者流动度过高会使板件产生空洞、而结合力不足和树脂聚合度不足等不良也会引起下游焊接时爆板的发生。在层压前，如果内层的湿度高或粘接片挥发物的含量偏高，也会引起爆板，控制方法为在压合前烘烤。(www.xing528.com)

3.焊接过程

爆板的发生密切关系着焊接过程。虽然波峰焊的温度要比回流焊的温度高，但由于回流焊的时间较长，板件承受的热量反而更多，所以受到的热冲击更高，所以对回流焊的工艺控制比波焊峰更加复杂、更需要经验。

回流焊的焊接过程主要取决于两个方面：回流焊炉的性能和回流焊的曲线设定。优化的回流焊曲线必须确保回流焊炉在提供适当的热量的条件下，热量不能太多，也不能太少，各种必需焊接的元器件都得到可靠焊接，因为热量过多会造成爆板的问题，热量不足会造成冷焊等问题，所以目前使用的回流焊炉基本上采用热风对流或热风加红外的对流方式（热风可以设计为空气或氮气，也可在两者间切换），基本达到回流工艺具有高的热量，且加热速率可控。

无铅回流焊曲线的设定有以下两种类型：

1）缓慢升温达到峰温，稍后冷却的两阶段曲线（Ramp-to-Spike-Cooling，RTSC）。这种类型主要应用于一些层数不高、装配简单或面积较小的板件焊接。升温速率一般在1℃/s以下。

2）预热—吸热—峰温—冷却（Ramp—to—Soak—Spike—Cooling，RSSC）类型。主要应用于板件装配较复杂的高层板件。参数涉及预热升温速率、吸热后飙升至峰温的速率、峰温的设置、吸热段的时间长度、熔融钎料膏所需时间、冷却速率和板面的温差（ΔT）、回流焊炉输送速率以及焊接时上下板温的控制。

为避免爆板，回流焊过程需要控制好热量的平衡分配，防止板件内外温差过大，防止ΔT（板件上最热点和最冷点的温差，控制在5℃以内）过大，防止峰温过高以及熔融钎料膏时间过长。试验证明：厚高多层板（特别是厚高多层且铜厚的板件）、大面积的板件、BGA腹底多孔密孔区、通孔密集的位置、内层大铜面、受潮吸水的板件、做过无铅热风钎料整平流程的板件。在波峰焊时，常发生爆板的位置是密集多孔区，这是由于多孔区通过锡波填锡的瞬间携带了许多热量，特别是当孔洞的伸长率很低时，爆板往往是由孔洞被拉断造成的，这种情况下应该考虑是否对密集孔进行塞孔处理。

4.受潮吸湿

通常受潮较大的板件在承受无铅焊接高热量的冲击时，水分瞬间汽化产生强大的应力，从而导致爆板，这是爆板的诱因，可以采用防潮包装、控制存储及使用环境、期限的控制、烘板等措施解决。

有些板材的吸湿性很大，如固化剂使用双氰胺（Dicy）的板材比用酚醛树脂（Phenolic Novalac，PN）的板材吸湿性还要大，主要是Dicy的极性比PN大。

综上所述，采用优化设计，选择耐热性能较好的板料，加强过程品质控制以及优化焊接温度，分层爆板现象可以得到有效抑制。