挠性线路板焊盘拉脱失效原因分析

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焊盘作为线路板与电子元器件焊接装联的必要媒介，其焊接的可靠性是影响最终产品的寿命和可靠性的重要因素。相对于刚性板，挠性板上基铜与基材的结合力要小很多，易在焊接过程中拉脱。本文以三类供应商的无胶挠性板材为例，运用万能实验拉力机对不同条件下焊盘进行拉脱，从材料种类，铜厚，焊盘尺寸，焊接温度，焊接次数五个方面综合考察了其对焊盘拉脱强度的影响；通过金相显微镜和热重分析进一步分析讨论了挠性板材在焊接过程中焊盘脱落的机制；最后运用正交分析法得出了焊接过程中的主要影响因素是焊接温度及焊接次数，并在此基础上给出了参数范围，优化了工艺设计。

1、背景

) b4 m, X: Z8 W" Z5 {( G焊盘作为PCB板上最基本的元件一直备受关注，焊接时由于需要熔入熔融锡从而使两件金属物件结合起来，该过程中焊盘局部受到瞬间热冲击，这是导致焊盘分层脱落的重要原因[1]，表面安装盘的拉脱（粘合）强度有着严格的接受标准，而客户手工焊接而导致焊盘脱落的客诉案例屡见不鲜[2-3]。日益发展的市场对挠性板的性能提出了更加严苛的要求，因而很有必要对焊盘焊接过程中的拉脱机制及影响因素进行研究。
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& L5 [4 l3 `. M导致焊盘拉脱强度降低的因素有很多，但关于这方面的研究报道却很少[4]。本文分析讨论了挠性板材在焊接过程中焊盘脱落的机理，同时从材料种类，铜厚，焊盘尺寸，焊接温度，焊接次数五个因素综合考察了其对焊盘的拉脱强度的影响，运用正交分析的方法得出了焊接过程中的主要影响因素是焊接温度及焊接次数，并在此基础上给出了参数范围，为实际工艺生产提供预警和参考。
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+ W) S$ U' [0 ^: X& q2、实验设计
7 e7 M) S# m1 Y7 \$ x
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/ U* `3 y( A- j, z$ \5 ?2.1 实验物料及设备

2.1.1 主要物料
: `/ n) U; i5 z/ O% y
1 u( V( d2 Z: d4 f! J

; R  ]/ o6 j7 n: u+ ~- c1 Z2.1.2 实验设备
2 b* R. f2 L1 [' y9 I; V

' _# Q: `6 f& S( `万能拉力机（Zwick/Roell Z1.0），TGA测试仪（TA Instrument TGAQ50），金相显微镜（尼康）




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  ~, r# E3 e7 b4 E4 w5 [. P2.2 实验方案
5 `: e. V8 M; v( Q( o9 a1 `3 |
2.2.1 实验设计
2 y/ n4 ?. `% k7 p% j
4 Q$ j; p/ l; ]. \设计4层刚挠结合板，L1/L2为挠性层，L3/L4为刚性层。结合实际生产板，参照相关设计标准，在L1层上设计了一系列不同规格的焊盘，测试板图形设计及叠层结构分别如图2及图3所示。


5 B! e' D* D0 h" b+ p; d

: U) b, g; p! u% ]' N4 G
- ^$ w0 S' x# D! U. v2.2.2 实验方法
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  C$ L8 f; Y/ ^7 z
; O/ B& R8 M# u: K（1）焊盘拉脱强度参照GJB 362A-96相关测试标准用搪锡铜导线引出，手动焊接好后，用万能拉力机90°剥离强度测试模块进行测试，如示意图4所示。
1 V0 ]# Q; E8 Q4 ?8 T3 Z
( |" L+ Z$ p- k$ g' u" Z（2）对拉脱失效的板进行切片及微观分析

( m$ i$ J3 F. X) Z  y' o1 q

/ s7 [5 D) A- P! a2.2.3 实验参数
, v2 V' V4 i  k
设计了材料种类，铜厚，焊盘尺寸，焊接温度，焊接次数五个因素以综合考察在不同条件下焊盘的拉脱强度。具体参数设计见下表。
$ |2 O! s( s3 _5 R, C. l5 v: y! j  a  N

. X. i/ X- E2 h

2.2.4 计算方法

; u" ~3 Q9 m2 h$ ?, C9 e: @3 h. G0 i焊盘的拉脱强度P应按下列公式计算
2 [- E5 f/ m4 {, A

- X2 f2 r7 F; a% c
式中P为拉脱强度，单位N/cm2；F为焊盘的最大拉脱力，单位N，由软件计算直接读出；L及W分别为所测试焊盘的长及宽，单位cm。

3、结果与讨论
6 h0 k- _. t& X2 X2 }1 T; n
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3.1 材料种类对焊盘拉脱强度的影响

/ r, m1 S9 @* E7 q实验选用了A，B，C三家供应商的无胶挠性板材，不同厂商所用的铜类型及加工方法都有所差异，因而最终测试得到的焊盘拉脱强度也会不同。根据GJB 362A-96，焊盘的拉脱强度应不小于345N/cm2，即当某一焊盘的拉脱强度小于345N/cm2时，即判定为失效。从实验结果中可以看到，在试验参数范围内，A系列板材所有焊盘均未出现低于标准值的情况，而B及C系列随着焊接温度及焊接次数的增加，均出现了部分焊盘失效的情况，具体列于下表。
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: K  H! @" y3 R4 W从结果中可以得出，焊接温度较高时，就焊盘的可靠性而言，A＞B＞C。

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焊接温度及焊接次数影响