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克服PCB上引线键合的镀层上的结节与划痕的方法
录入时间:2019/12/10 11:01:52

作者:Young K. SongVanjaBukvaTELEDYNE DALSA公司,Ryan WongFTG CIRCUITS公司

摘要

最初采用的印刷电路板(PCB)内部规范使用的引线键合(Wire Bonding)的可接受标准是:在放大20倍检查时引线键合的焊盘无结节或划痕。这些结节和划痕不是由可测量的尺寸来定义的,如果在引线键合的焊盘上出现任何视觉瑕疵的迹象,就认为PCB是不可接受的。根据一家PCB制造商已经实行了两年多的每月一次监测的良品率分析说明无法达到目标产量,而导致产量损失的主要原因是引线键合的焊盘上的结节和划痕。

PCB制造商尝试消除结节和划痕。他们的做法是,首先,在化学镀铜后加入轻轻擦洗的环节来清除所有在镀铜时沉积在焊盘上微小的颗粒,这些颗粒在焊接时会成为形成结节的种子。然后将电解镀铜槽清空,进行彻底的清洗和过滤,消除在电镀工艺中沉积颗粒的可能性。彻底清洗和过滤这两种做法的作用都会大幅度降低结节的密度,但不会完全消除结节。即使在任何一个引线键合的焊盘上只有一个结节,这块电路板仍然会被认为是不合格的。为了减少在引线键合的焊盘上的划痕,PCB制造商在完成电路板布线后使用泡沫塑料托盘,这样电路板就不会与其他的电路板直接接触。这种做法显著地减少在引线键合焊盘上的划痕,即使仍然会时不时地出现一些孤立的划痕,导致电路板报废。但即使有了这样明显的改善,仍然无法达到目标产量。

然后,PCB制造商采用另一种办法来考虑是否能成功地在结节和划痕上进行引线键合,以及是否存在空间阈值并在这个阈值上进行成功的引线键合。有一种金球焊接工艺,它被称为焊点平贴焊接法(SSB)或焊球平贴焊接法(BSOB),可以用来确定结节和划痕对引线键合的影响。在引线键合之前测量结节的尺寸,包括高度,以及划痕的尺寸,包括宽度。然后在焊盘的不同尺寸的结节和划痕上直接进行焊接,并且在做可靠性测试之前和之后进行拉线测试评估焊接的情况。根据焊接的评估结果修改可焊接的PCB的结节和划痕的内部规范,同最初使用的无结节无划痕的内部规范相比,修改后的内部规范允许结节和划痕存在一定的高度和宽度的限制。这种方法可以提高PCB制造商的成品率。

引言

在过去的几年里,为了适应低成本、高性能工业检查照相机日益增长的需要,板载芯片(COB)类图像传感器的研发显著增加。在制造图像传感器时,引线键合是在硅图像传感器和其基板之间实现电气互连互通的最常用的技术。因此,在生产COB类型图像传感器时,在PCB表面上直接进行焊接是不可避免的。

IPC-A-600J第2.7.1.3节“表面电镀,引线键合焊盘[1]”的表述是“根据供需双方协商确定的可用测试方法测试的原来区域内的引线键合焊盘无表面结节、光滑、无电气测试说明标记,或者无超过0.8微米(32min)RMS(均方根)的划痕”。由于在IPC-A-600J中很难测量引线键合焊盘的表面结节公差(< 0.8微米RMS),很可能无法正确反映单个结节和浅划痕的实际情况,最初采用的引线键合焊盘规范是由用户定义无表面结节和划痕。因此,如果放大20倍时在引线键合的原来区域看到一个结节或一道划痕,该电路板就被认为是不合格的。如果有任何疑问,可以用放大40倍的检查,通过或失败情况能看得更清楚。但是,在PCB制造商的实际生产中,很难在检查中达到引线键合表面没有结节或划痕的规范,从而导致良品率很低。特别是,设计的PCB产品有接近焊盘中心的浅槽时,很容易因结节造成相当大的成品率损失。

审查制造商的成品率和使用Pareto图表来分析失效原因,指出PCB失效的两个主要原因是引线键合表面上的结节和划痕。对成品率进行28个月的逐月审查,在此期间主要的成品率持续损失是由引线键合表面的结节和划痕造成的。图1是引线键合电路板因结节和划痕导致的月平均成品率损失。在此期间,在有多种PCB产品的情况下,进行引线键合的电路板因结节和划痕造成的月平均成品率损失范围分别在4-41%和2-30%之间。


图1、多种进行引线键合的PCB产品的月平均成品率损失。

值得注意的是,图1中的数据不一定能够提供因结节和划痕造成的实际平均成品率损失。在检查电路板的过程中,只要在第一次检查时发现有缺陷,不管是结节还是划痕,就会把报废的原因记录下来,因为这块电路板已被确定为报废,就不会对它做进一步的检查。例如,制造商记录的结节成品率损失是39%,而在28个月的逐月检查的第三个周期的划痕为零。但这并不意味着在此期间这些被报废的电路板的划痕为零,因为这些电路板在第一次检查时观察到有结节后,就没有进一步检查划痕。

图2说明结节和划痕造成的最大成品率损失。该最大成品率损失记录是来自某种PCB产品,这种产品在同一周期或同一月份表现出的成品率最低。因为在这一周期的许多个月内的成品损失率令人无法接受,所以我们与制造商讨论,以确定造成这种情况的根本原因,并采取纠正措施改进结节和划痕。

图2、成品率最低的一种PCB产品的最大成品率损失。

制造商方面的纠正措施

PCB的制造工艺

一家拥有裸电路板生产经验的PCB制造商,根据大量的数据分析,认为结节和划痕很可能是造成成品率损失的主要原因。用户最初定义的规范要求在放大20倍下检查,这超出IPC的放大1.75倍检查的规范。鉴于存在漏检的情况,制造商决定放大40倍检查作为预防措施。这一措施,再加上没有结节或任何表面瑕疵的绝对标准,导致很多电路板被报废,而其中一些电路板实际上是有可能可以进行引线键合的而且是可靠的。这家制造商开始分析成品率损失的根本原因,确定结节和划痕的来源,制定减少或避免出现这些缺陷的行动计划。

结节

结节是电镀表面上的表面瑕疵,可能是在镀铜工艺中开始出现和生长的,或者起源于镀铜之前的处理(即化学镀铜)并在镀铜工艺中生长。化学镀铜是一种金属化工艺,它将很薄的铜层沉积在非导体的表面上,例如钻孔的面板的孔壁上。通过这个电镀孔形成电气连接。然后,电解镀铜工艺用电流将硫酸铜溶液中的铜电沉积到敷有铜箔的生产面板上。电镀在本质上更偏向镀在电路板上的凸出部、边缘或角落里;因此,在化学镀铜工艺过程中,基础铜箔表面上最不重要的凸出部或沉积的铜的微小瑕疵都会吸收更多的镀铜,而且这些位置的铜的尺寸长大,在电镀后成为肉眼可见的结节。

在试图确定结节是在哪个工艺开始形成的时,在放大40倍下用肉眼观察结节的横截面。考虑到结节的尺寸很小而且知道结节是从更小的表面瑕疵开始通过电镀生长的,取横截面时取到结节的绝对中心是很难的,也不可能每次切割横截面都能得到结节起源的客观证据。图3是结节横截面的例子。在这个例子中,似乎可以清楚看出这个结节是在Ni/Pd/Au电镀之前形成的,因此,结节的形成很可能是在化学镀或电解镀铜期间发生的。

使用鱼骨图来确定结节的可能根源,我们识别出可能是结节产生的根源的短清单:铜箔瑕疵、化学镀铜沉积铜颗粒和电镀铜沉积的铜颗粒。对每一种可能的根源都做深入的研究,证明或反驳它是结节形成的根源,或者它对形成结节有贡献。

在放大100倍下,用肉眼随机检查铜箔样品,没有看到明显的瑕疵迹象。使用受控生产批次,通过水平输送机在层压箔片上进行轻机械擦洗工艺,但因有结节而被报废的电路板的数量仍然接近以前生产批次的平均水平。因此,这个可能的根源在进行调查的初期就被排除掉。相同的机械擦洗工艺也用在经过化学镀铜处理的面板上。在这种情况中,结果很明显。发生结节的密度降低了,但仍然有电路板因有一个结节位于引线键合焊盘的位置而被报废。在某些生产批次中,单个结节出现的频率过高,仍然会对成品率产生明显的影响。不过,鉴于对成品率整体的改善,这种机械擦洗工艺成为标准工艺。

自动化电镀生产线有三个镀槽,每年都要对镀槽进行一次预防性维护程序。在镀铜之后用机械擦洗工艺处理电路板的延长期完成之后,在这三个镀槽中的一个完成每年的例行维护程序时,就是测试电解镀铜工艺的时机。这个维护程序包括:

l 用硫酸铜基的化学用剂进行彻底的碳处理,去除从光刻胶中浸出的有机分子

l 排空并清洗所有铜阳极吊舱以清除铜泥

l 更换所有的阳极袋

l 加入化学用剂后电镀样本使阳极上形成均匀的氧化铜薄膜

在经过维护的新电镀槽和正常的电镀槽中电镀的面板中,在新电镀槽中电镀的面板上结节明显减少。多次重复这项测试,得到的结果都一样。作为临时措施,所有使用引线键合技术的电路板都在这个新电镀槽中进行电镀,在新电镀槽中电镀的每个批量的电路板产生的结节数量都保持恒定。随后对剩下的两个镀槽进行年度预防性维护程序,在所有三个电镀槽内电镀引线键合的电路板得到的结果均一致。

尽管工艺改进使结节的数量大幅度减少,电镀工艺的结果也更加一致,但是,在最后检查小结节时仍然有一定比例的电路板被报废。因此,重要的是要了解这些小结节对引线键合的影响,特别是结节的尺寸达到什么程度时开始对引线键合工艺产生负面影响。

划痕

划痕是指任何深度的表面瑕疵,或者可以看得到的表面相对不均匀的线条。划痕可能出现在铜基底上、电镀的铜上或最终的电镀表面涂层上。

划痕在铜基底上时,镀铜能够在一定程度上填补比较细的划痕,但是,一旦划痕足够深时,镀铜后会在表面上形成凹槽。同样,最终的表面涂层(在这个例子中是典型的ENIG或ENEPIG)的表面也会呈现凹槽。虽然划痕比较深,完成所有电镀后的表面层在划痕位置是可焊的,也可以进行引线键合,具有很好的导电功能。划痕出现在镀铜上时的情况与此相同。

当划痕出现在最终的表面涂层上时,结果可能会因划痕的大小而不同。深的划痕可能会穿透最后的表面涂层,把铜暴露出来,暴露的铜会氧化,因此这个位置是不可焊接的,也不能进行引线键合。表面划痕可能会使镍暴露,它也会迅速氧化,造成可焊性问题,并成为引线键合的难题。轻微的划痕只会损伤一些金,但不会把金完全磨掉,表面涂层仍然具备正常的可焊性,可以进行引线键合。

总而言之,我们发现大多数被报废的电路板是因为在完成最终的表面涂层后被划伤而留下划痕。在完成电路板的最终表面涂层后对电路板的工艺流程进行评价时发现,在电路板的布线过程中,把拼板分开后,电路板上就会出现划痕。布线完成后,把电路板洗干净并堆放在托盘中准备进行电气测试。电路板之间相互直接接触也会造成轻微的划痕和表面划伤。

纠正这种情况的措施是,为各种电路板分别生产有插槽的泡沫托盘,拼板分开后,电路板分别插在托盘上,互不接触。采取这项措施后,电路板上的划痕数量明显减少,但仍有少量电路板因轻微划痕而被报废。与结节的情况相同,因此必须说明划痕的特征,确定它对引线键合工艺的影响。

内部纠正措施

在结节和划痕上进行引线键合

尽管结节和划痕的发生率明显下降,但并没有完全避免。即使在一块电路板的所有焊盘上只有一个很小的结节或是一道微小的划痕,这块电路板仍然会被认为是不合格的,因此,无法达到目标成品率。这要进一步研究结节和划痕对引线键合工艺的影响的原因。

这项研究使用的PCB的电镀类型是化学镀镍/化学镀钯/浸金(ENEPIG),镀层厚度的规格是:镍3.0 - 6.0微米,钯0.15 - 0.3微米,金0.03 - 0.06微米。因结节和划痕而被报废的PCB来自PCB制造商。用具有图像分析软件的高倍光学显微镜检查被报废的电路板上的结节和划痕,图像分析软件能够生成三维图像和剖面图。根据三维轮廓图像来测量结节的高度。

 

PCB产品

电镀类型

结节

划痕

产品I

ENEPIG

结节有A,B,C三种类型

浅划痕

产品II

ENEPIG

只有A型结节

无划痕

表1、因结节和划痕而被报废的PCB。

因结节被报废的PCB是两种不同的PCB产品(即零部件编号不同的两种不同PCB设计,本文称之为产品I和产品II),因划痕被报废的PCB只有一种,即产品I。产品I有三种不同类型的结节,根据结节的外观,可能是由不同的机制形成的,或是在不同的PCB制造工艺环节中形成,而产品II只有一种类型的结节。在这项研究中,根据从产品I和产品II观察到的结节的外观,强制性地把结节指定为A、B、C三种类型。在这项研究中,由于关注的结节对引线键合工艺的影响只集中在孤立的结节或沿着小机械缺陷形成的小结节上,因此引线键合连接只是被单个结节中断,而不是被多个结节中断。因结节和划痕而被制造商报废的PCB样本的汇总见表1。

在产品I上观察到的三种不同类型的结节如图4-6所示。图4的A型结节是最常见的结节。A型结节的形状从上往下看呈圆形,结节表面呈颗粒结构。图3的横截面视图看上去很像这种类型的结节。结节的直径大多在30–50微米之间。左图是三维光学显微镜图像,右图是对应的显示结节高度的三维轮廓视图。图5是B型结节,形状不是圆形的(或不是对称的),表面看上去非常光滑,没有颗粒结构。图6是C型结节,这种类型的结节是随着像划痕这类机械缺陷形成的。在电镀环节中,表面上的任何凸起似乎都会变成结节。图7是在产品II观察到的A型结节的例子。在产品II上只观察到A型结节。

图8和图9中引线键合表面上的划痕的例子,来自制造商的产品I被报废的PCB。这些划痕似乎是在最终的表面涂层环节之后形成的,因为金层看上去是由于刮檫受到损坏。划痕的宽度约为9微米和20微米(见图8和图9)。

在这项研究中使用的引线键合工艺是一种专业的金球焊接工艺,在业内被称为焊点平贴焊接法(SSB)或焊球平贴焊接法(BSOB)。使用的焊丝直径是25微米。图10和图11是SSB工艺的例子,在这个例子中,在PCB焊盘和芯片焊盘上都形成球状焊锡连接,即球键(也称凸键),不同于图12和图13[2]中的标准金球焊接工艺。对于标准金球焊接工艺,在预定的芯片焊盘上形成球键,在预定的PCB焊盘上进行点焊。在标准金球焊接工艺中,进行点焊工艺时,引线键合工具和PCB的焊盘直接接触。在图13中可以看到焊盘上圆形工具留下的痕迹。就SSB工艺而言,焊接工具没有和PCB的焊盘直接接触,而是位于PCB焊盘上球键的顶部。

针对产品I,使用SSB工艺在PCB焊盘上形成的球键高度(或厚度)和直径是13微米和63微米左右,针对产品II,则是15微米和62微米左右。PCB焊盘上的球键尺寸被认为是在结节和划痕上进行引线键合实验的关键因素之一。由于焊接工具位于球键顶部,球键的高度直接表明在焊接时焊接工具和焊盘的距离。从理论上讲,如果在焊接工具按计划压扁球键之前引线键合工具接触高的结节,那么球键可能就不会按照计划的那样被压扁。因此,最可能的情况是,可接受的结节的高度可能与在引线键合时从焊接表面到引线键合工具的高度有关。此外,因结节造成的粗糙表面上的球焊是影响引线键合形成的引线键合连接完整性的原因之一,球键的高度(或厚度)要有适合结节形状的缓冲量。从这方面讲,与标准的球焊工艺相比,在结节上使用SSB工艺进行引线键合的好处更多。球键的直径和PCB焊盘上引线键合连接的接触面积有直接关系。因此,在有表面瑕疵(比如有结节和划痕)的表面上形成引线键合焊点时,引线键合连接的面积占没有任何表面缺陷的整个焊盘面积的百分比是由球键的直径(即球键的面积)决定的。

在进行可靠性测试之前和之后通过拉伸测试来测量引线键合连接的完整性。在结节和划痕上直接形成引线键合连接,即使在结节和划痕上的引线键合连接在对准时略有偏移,一些引线键合连接仍然会比其他的稍好一些。在这种情况中,只有几块PCB因划痕而被制造商报废,因此,没有足够多不同宽度的划痕来形成引线键合连接,确定允许的最大划痕宽度。正是这个原因,对于PCB产品I,通过使用锋利的刀片在PCB焊盘上人为制作出各种宽度的划痕。但是,人为制作的划痕的深度和被制造商报废的PCB上划痕的深度都是无法控制的。

如图8和图9所示,大多数人为制作的划痕都故意做得比被制造商报废的PCB上的更深和更宽。同那些被制造商报废的PCB上相对比较浅的划痕相比,人为制作的划痕上形成的引线键合连接的完整性和可靠性被认为是最糟糕的情况。图14和图15是使用能谱议(EDS)进行元素分析得到的扫描电子显微镜(SEM)图像的划痕例子。

图14是在PCB制造工艺中被制造商报废的PCB上的划痕,图15是为这项研究人工制作的划痕。同没有划痕的表面相比,有划痕区域的表面上检测到的金的数量明显减少,特别是在图15。同时,由于钯和镍暴露在表面上,在有划痕区域检测到的钯和镍的数量明显增加。如图14和图15所示,在三个不同的检测区域中,可以明显地检测出镍。

由于没有人工制造结节的方法,因此,只能使用因结节被制造商报废的PCB。图16和图17是分别在结节和划痕上形成的引线键合连接的例子。大多数结节几乎被引线键合连接完全覆盖,因此不清楚结节是不是在这个引线键合连接下面。

引线键合实验的结果与讨论

表2是在进行可靠性测试之前在结节上形成的引线键合连接的拉伸测试的结果。这些测试结果是来自产品I的结果。在进行可靠性测试之前所有拉伸测试的引线键合连接表明当使用的可接受的焊线拉伸强度(大于4.0克)时都会出现颈部断裂失效模式。颈部断裂失效模式意味着引线键合连接在PCB焊盘上的球焊上方断裂。表2中颈部断裂强度的变化是因引线键合连接的长度和环高度不同造成的。在焊线拉伸测试过程中,不可接受的失败模式是PCB焊盘上的引线键合被抬升,而不是引线键合连接断裂。

表3是在进行可靠性测试之前在划痕上形成的引线键合连接的拉伸测试的结果。引线键合连接是在被制造商报废的PCB上的划痕上形成的。拉伸测试结果表明,在使用可接受的拉力时出现颈部断裂失败模式。

 

PCB产品

结节编号#

结节类型

结节高度(微米)

结节直径(微米)

拉伸测试失败模式

拉伸强度(克)

产品I

N1

A

10.1

49

颈部断裂

>4.0*

N2

A

11.5

38

颈部断裂

>4.0*

N3

A

13.1

54

颈部断裂

>4.0*

N4

A

13.0

45

颈部断裂

9.7

N5

B

16.2

31

颈部断裂

6.2

N6

A

12.6

47

颈部断裂

6.2

表中的*号表示未纪录拉力强度,但它们都大于4.0克这一内部拉力强度的规范。

表2、在可靠性测试之前在结节上形成的引线键合连接的拉伸测试结果

 

PCB产品

划痕#

划痕宽度(微米)

拉伸测试失败模式

拉伸强度(克)

产品I

S1

9

颈部断裂

9.4

S2

9

颈部断裂

5.9

S3

20

颈部断裂

7.4

表3、在可靠性测试之前在划痕上形成的引线键合连接的拉伸测试结果

这项研究进行的可靠性测试是在温度85°C/相对湿度85%下进行300个小时的温度和湿度测试,并在-40到85°C的温度范围内进行300次热循环测试。表4和表5是分别在温度和湿度测试及热循环测试后在结节上的引线键合连接的拉伸测试结果。需要注意的是,在这项研究中形成的引线键合连接使的是用SSB工艺。如果使用标准的黄金焊接工艺或铝楔焊接工艺,这项研究得到的测试结果可能会不一样。

PCB产品

结节编号#

结节类型

结节高度(微米)

结节直径(微米)

拉伸测试失败描述

拉伸强度(克)

产品I

N7

A

8.3

50

颈部断裂

6.8

N8

B

9.8

29x13

颈部断裂

6.9

N9

A

8.7

35

颈部断裂

7.4

N10

C

2.5

56x21*

颈部断裂

5.7

产品II

N1

A

7.8

31

颈部断裂

8.2

N2

A

7.5

27

颈部断裂

10.6

N3

A

8.0

28

颈部断裂

8.1

N4

A

7.3

30

颈部断裂

8.6

N5

A

6.5

24

颈部断裂

7.5

N6

A

5.8

27

颈部断裂

7.1

N7

A

6.4

29

颈部断裂

10.5

N8

A

6.9

31

颈部断裂

6.4

*包含镍的尺寸

表4、在温度/湿度测试之后在结节上形成的引线键合连接的拉伸测试结果。

 

PCB产品

结节编号#

结节类型

结节高度(微米)

结节直径(微米)

拉伸测试失败描述

拉伸强度(克)

产品I

N11

A

7.9

44

颈部断裂

7.6

N12

A

7.5

54

缝线断裂

11.3

N13

A

6.5

31

颈部断裂

7.5

N14

A

4.6

35

颈部断裂

7.2

N15

C

3.3

27

颈部断裂

8.0

产品II

N9

A

8.9

28*45

缝线断裂

NA*

N10

A

8.5

25

颈部断裂

NA*

N11

A

8.7

25

缝线断裂

NA*

N12

A

7.9

32

颈部断裂

NA*

N13

A

7,7

33

颈部断裂

NA*

N14

A

5.6

28

颈部断裂

NA*

*在把框架移走的过程中,所有的引线键合连接在颈部或缝线发生断裂,框架是产品设计的一个部分,其作用是形成用来保护引线键合连接和成像传感器的空腔。因此,金线拉伸测试可能无法进行。不过,观察到的所有的引线键合连接都是断裂的,而不是抬升。

表5、在热循环测试之后在结节上形成的引线键合连接的拉伸测试结果。

表6和表7是在可靠性试验之后在划痕上形成的引线键合连接的拉伸测试结果。表中包含关于划痕宽度的信息。在表6和表7中,观察到的划痕宽度范围是17-33微米。最宽的划痕略要比引线键合焊点直径大一半;但是,在可靠性测试之后的金线拉伸测试没有显示有故障。在MILSTD-883H METHOD 2010.12[3]中,如果引线键合焊点>75%的面积在它的焊盘内,就认为这个在焊盘外形成的引线键合连接是可接受的,这意味着引线键合连接可以在不可焊接的表面上的部分的最大面积是25%。但是在这项研究中,引线键合焊点下面的划痕的面积远远大于25%。通过粗略的计算,如果划痕大致穿过圆形引线键合区域的中央位置,一道宽度为12.3微米的划痕大约会占直径为63微米引线键合焊点面积的25%左右。对于一道宽度为33微米的划痕,划痕面积占引线键合焊点下面总面积的65%左右。

 

PCB产品

划痕宽度(微米)

拉丝键的次数

拉伸测试失败模式

拉伸强度(克)

产品I

19-20

1

所有的颈部断裂(0抬起的键合)

平均值7.3

最小值5.8

最大值9.0

STDEV1:1

20-25

4

25-30

5

30-31

2

表6、在温度/湿度测试后在划痕上形成的引线键合连接拉伸测试结果。

 

PCB产品

划痕宽度(微米)

引线键合连接的拉伸次数

拉力测试失败模式

拉伸强度(克)

产品I

17-20

4

所有引线键合连接颈部断裂(0引线键合连接抬升)

平均值 8.0

最小值5.7

最大值 9.4

STDEV 1.0

20-25

6

25-30

6

30-33

2

表7、在热循环测试后在划痕上形成的引线键合连接的拉伸测试结果。

在这项研究中,引线键合工艺允许存在宽划痕可能的一个原因是,划痕对表面涂层的可焊接能力没有负面影响,如图14和图15中的EDS结果所示。虽然金层受到相当严重的损坏,相当多的金被刮掉(金层变成苍白色,但仍然被认为是可焊接的表面)因为金没有被完全清除掉。换句话说,整个有划痕的区域也许不一定是不可焊接的表面。对于引线键合,这可能是认为使用ENEPIG表面涂层比使用ENIG表面涂层更好的原因。

规范更新后的成品率分析

在成功地进行实验的基础上对内部规范进行修改。在检查时所用的放大倍数从20倍下降到10倍。此外,经过修改的规范允许孤立的结节和划痕的存在,它们要符合本文后面段落的描述与表8的标准。

在放大10倍检查时,个别的结节,例如最常观察到的A型结节和C型结节,以及在引线键合区域没有暴露出来的镍或铜的浅划痕,被认为是可以接受的。在某些情况下,在制造PCB过程中的工艺变化,或者由随机颗粒形成的各种B型结节,都可能会产生独特的偏差,导致特殊的结节和划痕。在这些情况下,可以使用表8中建议的规范。

缺陷类型

考察点

建议的规范

结节

高度

可接受的高度<15微米

划痕

使镍或铜暴露的宽度和深度

可接受的宽度<13微米,不论深度如何

表8、结节和划痕的规范。

采用这一新规范以来,PCB制造商因结节和划痕造成的成品率损失显著下降超过10个月。图18是实施新规范以来因结节和划痕造成的平均成品率损失。图19是工艺改进和规格修改之前和之后,因结节和划痕造成的平均成品率损失的改善情况。

总结

为了解决在PCB制造过程中因结节和划痕在可焊接特性方面造成的成品率的巨大损失,改进PCB制造工艺可以最大限度地减少结节和划痕的出现,并通过焊接焊盘来确定在焊盘上允许的结节和划痕的尺寸,来进行被称为SSB的黄金引线键合工艺。根据引线键合测试的结果改变最初采用的不允许任何可引线键合的表面上存在任何结节和划痕的规范,改为可以根据尺寸和对表面涂层的影响接受某些结节和划痕。对PCB制造工艺所做的改进,在结节和划痕上使用SSB工艺的引线键合测试结果,以及更新内部规范后的成品率改进情况总结如下:

PCB制造工艺

1、在化学镀铜后对初步形成的结节进行机械擦洗,成品率略有改善,但是随后发现电解镀铜槽的清洁度对成品率的影响更大。

2、通过实行预防性维护计划保持电解镀铜槽的清洁度,使结节的发生显著减少

3、在电路板布线成型后用有插槽的泡沫托盘传送这些电路板来减少划痕的发生。

在结节和划痕上进行引线键合

1、A型结节是最常见的结节,它的高度范围通常在10微米以下,虽然其中有两个结节的高度约为13微米。

2、为这项研究故意制作的划痕比PCB制造工艺中产生的划痕更深、更宽(最宽33微米)。EDS分析结果表明金层大部分被划掉,可引线键合的钯层只有部分被去掉,造成镍层只出现零星的暴露。

3、使用SSB工艺在这项研究使用的结节和划痕上形成的所有引线键合在温度湿度可靠性测试和热循环可靠性测试之前和之后都通过引线键合连接拉伸测试。

因结节和划痕造成的成品率损失

1、根据在PCB制造中所做的改进和这项研究的结果更新内部规范以解决引线键合表面的结节和划痕。新规范允许低于一定高度的结节和小于一定宽度的划痕存在,允许的划痕宽度取决于划痕的深度,而原先的规范对结节和划痕是零容忍。

2、由结节或划痕造成的多个PCB产品的平均成品率损失从最大约41%下降到最大约7%,降低了很多。

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参考文献

1. IPC-A-600, Revision J, “Acceptability of Printed Boards,” IPC, 2010.

2. Y. K. Song, V. Bukva, “Challenges on ENEPIG Finished PCBs: Gold Ball Bonding and Pad Metal Lift,” IPC APEX EXPO Technical Conference, 2016.

3. MIL-STD-883H, METHOD 2010.12, 2010. This paper was first presented at the IPC APEX EXPO 2019 Technical Conference and published in the 2019 Technical Conference Proceedings.

Young K. Song is senior process engineer at Teledyne DALSA Inc., Waterloo, Ontario, Canada.

VanjaBukvais senior vendor quality manager at Teledyne DALSA Inc., Waterloo, Ontario, Canada.

Ryan Wong is process engineering manager at FTG Circuits in Toronto, Ontario, Canada.

作者简介:

Young K. Song是Teledyne DALSA公司的资深工艺工程师。Teledyne DALSA公司总部设在加拿大安大略省的Waterloo镇。VanjaBukva是Teledyne DALSA公司的资深供应商质量经理。Ryan Wong是FTG Circuits 公司的工艺工程经理,FTG Circuits公司总部在加拿大安大略省多伦多市。


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