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印制电路板分层改善研究




关键词:
    摘要 随着欧盟RoHs法令从2006年7月开始实施,印制电路板装配不得不随之无铅化,传统已使用超过50年的63Sn/37Pb焊接材料被SnAgCu(Sn96.5%/Ag3.0%/Cu0.5%)代替,熔点由原来的187℃提升到21 7℃,相应的焊接温度由220℃~230℃提升到240℃-260℃,印制电路板必须经历熔点以上的焊接时间多出了50多秒,印制电路板吸收热大增,印制电路板必须提高耐热性能与之配合。在过去的一年中,印制电路板分层问题一直困扰着电路板制造商。

  印制板分层的机理是电路板吸热后,不同材料之间产生不同的膨胀系数而形成内应力,如果树脂与树脂,树脂与铜箔的粘接力不足以抵抗这种内应力将产生分层,所以解决分层的思路是:1.生产流程控制尽可能保证板子有最佳的抵抗内应力的能力:2.使用性能优越的材料减少内应力。文章希望通过研究,在成本和品质双重约束下,找到最佳的解决方案,用最低的成本来解决分层问题。思路是从研究分层的原因着手,通过实验设计的方法,对分层的因素从材料选择、印制电路板制造过程控制到电路板装配的整个过程,进行系统分析。本研究项目耗费25万元的试验材料成本,历时三个多月,最终从成本和品质控制,提升公司竞争力的角度,提出解决分层的三套方案。在将实验结果运用到A公司的实践中后,产生了良好的经济效益,每月减少客诉成本约30万元,减少成本浪费约80万元,取得超过预期效益。

  关键词分层;无铅焊接;实验设计:印制电路板

1 引言
1.1研究的背景和意义
1.1.1 PCB行业回顾与展望
1936年一1940年,英国Paul博士从印刷技术得到启发,首先提出了“印刷电路”的概念,开创了制造印刷电路板的先河。
1967年美国人Beadles.R.L,提出了多层板生产制造工艺(MLB),将印刷电路板推上了更高一层楼。
1984年日本PCB专家项土冢田裕尝试在多层板上采用盲孔结构,HDI技术兴起(High Den sityInterconnection)

  印制电路板从诞生之日起就依托其互联和承载的功能成为电子产品的航空母舰,任何功能强大的芯片只有集成到印制电路板上,才能展现其威力。从手机、电话到飞机、火箭其无处不在,深刻地影响着人类的活动。

  由于欧盟于2003年2月13日颁布RoHS即《禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令》和WEEE即《废弃电气电子设备指令》两个指令,从2006年7月l目起伴随着印制电路板一起成长和成熟的Pb/Sn合金焊接材料被禁用。

  Pb/Sn合金被SnAgCu合金取代,从印制电路板到电子元件封装技术发生了巨大的变化,由于新材料共晶温度提高.(从原来的183℃提高到217℃),电路板耐热性能被提到了前所未有的高度,并由此引发了从印制电路板材料到制程全方位的革新。

  2006年中国大陆印制电路板产值已超越日本、韩国和中国台湾跃居世界第一,约占世界总产值470亿美元的25%。

  电子产品无铅化是一个系统工程,哪一个企业能尽快找出规律,用最低的成本制造出合格的产品,谁就能占据市场竞争的有利位置。

1.1.2无铅制程中印制电路板缺陷定义及评估

方法
分层:基材内部,介质层与铜箔之间原本是粘结在一起的,由于热应力等原因导致它们之间出现分离,见图1。 


  过孔不通:当印制电路板在高温过程中,由于板材膨胀过大,导致孔内铜箔断裂,无法导通。这是分层的前兆,程度加重时就表现为分层,见图2。 

 
1.1.3分层所造成的危害
  分层问题是印制电路板厂商谈虎色变的问题,其无法通过筛选方法保证不良品不会流到客户手中,印制电路板在2000年后,由于人工、材料成本急骤上升,但行业内由于前十年的高额利润导致产能急增,所以一直处于供大于求的状态,产品价格一直无法大幅攀升,有人形容印制电路板行业由原来的印钞机变成了竞争激烈的产业。产品如果在客户端出现品质问题,印制电路板和客户的零件将一起报废,不仅产品无法卖钱,客户端报废零件也要一并买单,一般情况下板上零件费用在板子单价的十倍以上,最高者达到100倍。故产品在客户端出现分层,印制电路板厂商将损失惨重。

  从2006年到2007年上半年,根据不完全统计,印制电路板行业内,特别是中小型企业由于分层问题导致,导致的损失约占到销售额的5%左右,占到利润的30%至50%。

  正如中国台湾印制电路板协会白蓉生先生所述“通常小面薄形多层板所幸内外温差较小,且又在PCB制程的良好管控下,其外观可见的爆板尚不致太多。然而厚大多层板与厚铜兼厚板者所受到的灾难,则惨不忍睹矣!如此前所未见的痛苦,一时还难从强热中毫发无伤全身而退”。

1.1.4A公司现状

  A公司简介:A公司是港商中型印制电路板制造商,于1989年在香港成立,1992年迁至深圳横岗,2004年在珠海斗门设立新厂并专做多层板,目前年销售收入约5亿港币,已通过T S 1 6 9 4 9、IS014001等国际认证,最高生产层数为12层,目标产品为4、6、8和10层板,月多层板产能为40万平方英尺一50万平方英尺,A公司多层板2007年产量见图3。从2006年到2007年6月份间,因分层导致的客户索赔达500万港币以上见表2,报废印制电路板在2万平方英尺,分层对公司造成的负面影响巨大。 
 

分层问题对A公司造成沉重打击,甚至威胁到公司的生存。
    (1)由于分层问题,索赔款几乎吞食了50%以上的利润,公司不得不花大量人力物力处理此项客户投诉。同时,对公司的声誉造成极坏影响,一些多年建立起的客户源如D-Link和联想等大客户开始怀疑公司控制能力。
    (2)对公司中高层员工造成很大的心理恐慌,造成人事不稳定。
    (3)对公司正常生产造成重大冲击。公司不得不经常突击给客户补货,返工,缩短产品存放期,不敢根据客户Forecast生产,导致交期短,造成大量订单流失。分层对最终产品的可靠性的影响是毁灭性的,必须采取合适的方式解决,公司投入了大量人力物力来研究和解决此问题。

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