PCB设计中为何焊接后板上的台阶区域起泡？

作者:王辉东

高端的食材,往往采用最朴实的烹饪方法。

复杂的PCB,往往从设计上考虑解决方案。

一个看似合理的PCB设计,只因在线路板上做了控深区域并镀了铜,在焊接时诡异的一幕出现了,板子分层起泡了。是加工乱了设计,还是焊接忽略了工艺,请看今天的案例分析。

小飘在某个产品公司做PCB设计,她是一个美丽的女孩,她嘴角轻扬,她自信从容,她优雅而不失阳光。

小飘最近在设计一款PCB,在靠近板边的区域,有一个器件比板子高出0．4mm,但是产品对PCB的厚度有严格的要求,器件不能超出PCB的厚度,否则装配时会因为器件厚度超标,而不能正常放入腔体。

经过和结构工程师讨论后,小飘决定从PCB设计上去解决这个器件超出板厚的问题。

先在PCB上设计一块下沉区域,在成型时通过PCB成型控深,将器件下沉,来满足产品的装配需求。

经过和工厂工艺工程师讨论后,方案可行,说干就干。

她快速的调整好叠层方案后,一切完美。

突然她脑中又灵光一现,可以在PCB下沉区域电镀镀铜,这样对产品的散热也有一定的改善。

此刻她的心情是美好的,考虑到加工和镀铜厚度的影响,她哼着小曲,在PCB原图上做了下面的备注。

PCB文件很快投到了工厂,板子也是按照小飘的设计开始了生产。

等待是一个漫长而又痛苦的过程。

有希望的等待叫守候,没有希望的等待叫煎熬。

好在这个守候的过程很快结束了。

制作好的PCB板子很快就交到了小飘的手上。

明天就是PCB上线焊接装配的日子了。

明天也注定是一个不平凡的日子。

看着板子缓缓的从自动上板子机上开始进入装配之旅。

锡膏印刷、SPI、高速贴片,炉前检查,就剩最后一步,过十二温区的回流焊接。

奇迹就要诞生了,见证奇迹的时候就要到了。

小飘这一刻的心情,就像刚打开的可口可乐,冒着欢快的气泡。

人生总有意外和惊喜,有时候你等了很久期待星星出现,于是你仰望星空,结果天亮了……

板子从炉后出来的一瞬间,小飘都不敢相信自己的眼睛,你见过北方人蒸的馒头吗。

对,此时板子上的台阶区域,就像摆满了一个个刚出锅的馒头。

冒着金黄金黄的气泡

所有的失望都源于自己盲目的期待,小飘想不明白是哪个地方出了问题。

突然,她在车间里看到了一个熟悉的身影,面相英俊,玉树临风,那就是江湖人称无所不知,无所不能的PCB工艺工程师王大仙。

小飘原本黯淡的眼睛里瞬间充满了神色,她欢快的跑到王大仙跟前,激动的说道:

“大仙,快帮我看这是什么问题。”

大仙拿起起泡的板子,看了片刻,微然一笑,然后说道:

“小飘,板子中了PCB江湖中最厉害的铜箔分离之咒,铜箔与基材附着力不够,受热冲击后分层起泡了。”

“大仙能否再做详细解释。”小飘赶忙问道。

大仙说:“姑娘,这个事情说起来有些复杂,我就长话短说。这要从PCB的压合开始说起。”

PCB压合时有三剑客---铜箔、core、PP。

硬板常用的铜箔是用硫酸铜溶液电镀而成,它一面光滑,我们称为光面,另一面是粗糙的结晶面,称为毛面(Matte Side) ,双面粗糙度不同,较粗的一面处理后可以和树脂产生较强的接合力。

Prepreg 是Pre-pregnant的英文缩写,是树脂与玻璃纤维布载体合成的一种片状粘结材料。

它在常温下是以卷状固态的形式存在。在叠层压合时,裁切成片状。在压合时,当压机内的温度达到它的TG以上,经过一段时间后,它就会慢慢的由固态变成玻璃状态,也就是(树脂)变成胶的形状。树脂是一种热固型材料,可以发生高分子聚合反应。它可以作为铜箔与玻璃纤维布之间的粘合剂。

Core是PP经过完全固化后的PP和铜箔的结合体。它经过高温高压真空的压合后,完全固化。在工厂的PCB加工时,它的形态和厚度基本稳定,不会有太大的变化。在PCB制作时,它有多种称呼,如芯板、core、基板。其实它就是一个琉璃纤维布加环氧树脂和双面铜箔的一个混合体。

下图为一个常规6层板的叠层,top和bottom面是铜箔中间用PP和core。在压机里面通过高温高压真空,PP融化后,把CORE和铜箔完全粘合在一起。完全固化后,就成了我们常说的多层线路板。

而小飘设计制作的线路板,是在PCB压合后再在板上做控深处理,而控深后的区域,线路板已完全固化,再在其上面镀铜,这个铜箔只是简单的沉积在基材上,它的结合力完全没有压合时铜箔结合力好,在高温冲击时,电镀铜与基材分层起泡。

大师你说的我还是有些晕乎,在车间里面王大仙说了半天,小飘还是有些听不明白。

这时刚好下班了,王大仙把小飘拉到工厂园区外面的自行车修理摊,让小飘在那里看李大爷补轮胎。只见李大爷先拿起一个锉,在轮胎上用力的磨,然后在上面涂了胶水,最后把一块胶皮压在上面,片刻之后破损的轮胎补好了。然后大仙问小飘你看到了什么。小飘激动的说大仙我明白了,李大爷补胎真不容易,你看他汗流浃背,我以后要好好设计一款人工智能的补胎产品,让李大爷不这么累。大仙瞬间感觉一口气上不来,憋了半天,悠悠的说出一句话,补轮胎不打磨,怎么增加轮胎与胶皮的结合力,补完之后会漏气的。

线路板的外层铜皮是通过高温高压真空和融化后的PP接合在一起,毛面的铀箔与胶状的树脂相结合,完全固化后,就紧密的结合在一起,不容易分层,而控深区域镀铜,只是通过电镀在控深区域的基材表面沉积一层铜,因为沉积铜没有胶的参与,这层铜与PCB的结合力,远没有压合时毛面的铜箔与树脂的结合力好。在回流焊接时,受到热冲击的影响,就会出现分层起泡,于是案例就发生了。

小飘听完后恍然大悟,后来放弃在控深区域的镀铜方案,重新评估优化设计,最终将板子顺利交付。