沉镍金PTH孔孔环裂纹分析改善.docx

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沉镍金PTH孔孔环裂纹分析改善

沉镍金板PTH孔孔环裂纹分析改善

1.前言:

化学沉镍金具有良好的抗氧化功能和平整的表面，是能满足大多数印制电路板（PCB）组装要求的表面涂覆方式，在电子通讯领域有着十分广泛的用途[1]。

随着无铅焊接的普及，焊接温度相应提高，对PCB的制作要求更为严格[2]，化学沉镍金板在无铅焊接的过程中（板面温度在245-255℃左右），部分PTH孔孔环出现裂纹。

经分析，裂纹出现在镍层，铜层无裂纹。

孔环裂纹缺陷形貌如图1所示。

对行业内不同药水供应商的化学沉镍金板出现孔环裂纹缺陷的情况进行调研。

对不同药水供应商的化学沉镍金板进行热应力模拟实验（测试标准：

IPC-TM-6502.6.8 《热应力冲击，镀通孔》）：

288℃），模拟PCB 在无铅焊接时的受热过程，观察在热应力前后，孔环的形貌变化，结果如表1所示。

经对多个药水供应商的化学沉镍金板进行热应力测试，发现在热应力测试前，孔环均无裂纹，而在热应力测试后，孔环均出现裂纹，化学沉镍金板PTH孔孔环裂纹失效是一种普遍现象。

2.分析:

2.1孔环裂纹产生机理:

由于热胀冷缩原理，PCB在回流焊和波峰焊时受高温膨胀，由于膨胀系数差异（如表2所示），板材的膨胀量远大于孔铜和镍层，板材便会给孔环一个向上的应力，将孔环向上顶起，造成孔环发生向两边翘起的形变，从而产生应力，在应力的作用下产生裂纹（如图2所示）。

（由于孔铜的延展性较好，在形变过程中，孔铜不会断裂。

） 

2.2孔环裂纹数理模型建立

由图3形变前孔环形貌示意图，孔环形变前为平面圆环形，由图4形变后孔环形貌示意图，在孔环形变后，由于孔环边缘被顶起，即A点移动到C点，此时，孔环变为圆台形，在形变的过程中，孔环面积发生改变，因此产生垂直于径向的应力δ，在应力的作用下产生放射状的裂纹。

孔环裂纹产生是由于面积的变化，因此可以用孔环面积变化率来表征孔环裂纹产生的难易程度（孔环面积变化率=面积变化量/形变前面积×100），那么孔环面积变化率越大则越易产生裂纹。

根据孔环裂纹形成的物理模型（如图6），建立其数学模型。

形变前孔环面积：

形变后孔环面积：

令y为孔环面积变化率（y=面积变化量/形变前面积x100），由式

（1）、

（2）、（3）可以得到：

其中：

 r——圆环内径，mm；

 D——孔径，mm；

 L——孔环尺寸（AB=CB），mm；

 H——板厚，mm；

 θ——孔环被顶起的角度，º；

 PTE——膨胀百分比。

由数学模型可以看出，影响孔环裂纹产生的主要因素有板材、板厚、孔径和孔环，下面将针对这四个因素进行探讨，并提出改善方案。

本实验采用全因素分析方法，对板材（PTE）、板厚、孔径和孔环四个影响因素进行探究。

3.1实验设计

3.1.1实验板设计

板厚：

1mm、2mm、3mm

PTE：

5.462%、4.036%、3.041%

孔径：

0.35mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、2.0mm、2.5mm

孔环：

0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.6mm

3.1.2实验条件设计

测试方法：

热应力测试（288℃，漂锡3次）；

分析方法：

金相显微镜200×和500×检测孔环裂纹缺陷，X-RAY、SEM检测镍层品质。

3.2实验结果：

在实验板加工完成后，对其金镍层的厚度进行测试，均在设计范围内，满足实验所需的使用要求。

3.2.1沉金品质测试

使用扫描电镜镍层情况进行检查。

如图7，即为存在镍腐蚀的镍层情况，图8为6号实验板的镍层情况，由图可见，无镍腐蚀情况存在。

实验结果如下表3所示，为1-9号实验板的镍层厚度和镍腐蚀的测试结果，通过测试结果可见，全部实验板镍腐蚀测试合格。

3.2.2板材（PTE）与板厚的影响

由数学模型可知，PTE和板厚的乘积与形变率成正相关，且PTE与板厚的乘积即为膨胀量，因此可以同时讨论。

由图9可知，膨胀量越大，越易产生裂纹，且由表4可知，PTE为3.041%，板厚为1.0的沉金板，孔径1.0以上，孔环1.6以上的孔热应力测试3次不会产生裂纹，为安全区，此时膨胀量为0.0304mm。

3.2.3孔径的影响

孔径越大，形变率越小，越不容易产生裂纹，由图10可知，当PTE×H>0.1时，1.0mm以上的孔热应力3次仍无裂纹；当0.06

3.2.4孔环尺寸的影响

孔环尺寸越大，孔环形变率越小，越不易产生裂纹；由图11可知，当PTE×H>0.1时，0.8mm以上的孔环不会出现裂纹， 当0.06

3.3孔环裂纹缺陷改善

3.3.1模型推广

将实验中出现裂纹缺陷的PTH孔相应数据代入理论模型中，可以得到相应的理论形变率，当理论形变率处于0.2-6.0时，会出现孔环裂纹缺陷，此区间为失效区间，将得到的理论模型及失效区间推广于生产中，可用于监控产品的可靠性并及时采取预防措施。

随机所取正常在线沉金板，理论形变率在失效区间内的孔经热应力测试后会存在裂纹；理论形变率不在失效区间的孔经热应力测试无裂纹产生，此模型适用于生产，在生产中可以根据理论形变率判断产品的可靠性。

3.1.2孔环裂纹缺陷改善

根据理论模型在PTH孔设计和板材选用两个方面提出改善建议。

（1）使用塞孔设计。

通过塞孔改变PTH孔的设计，使PTH孔内无镍金层，如图12所示。

经热应力测试后，有塞孔设计的孔无孔环裂纹失效缺陷。

（2）使用PTE小，板厚小的PCB。

通过使用PTE小，板厚小的PCB，减小PCB的膨胀量，减小孔环形变率，从而避免孔环裂纹缺陷的产生。

由图13可知，PTE为2.841%的板经过6次才开始出现孔环裂纹失效，使用PTE小，板厚小的PCB经次热应力6次以下无裂纹，可以满足客户焊接要求。

通过以上结果可知，PTE、板厚、孔径以及孔环尺寸均是影响孔环裂纹产生的因素，随着PTE和板厚的增加，更容易产生裂纹，随着孔环和孔径尺寸的增加，越不易产生裂纹。

当PTE×H>0.1时，1.0mm以上的孔热应力3次仍无裂纹； 当0.06

当PTE×H>0.1时，0.8mm以上的孔环不会出现裂纹， 当0.06

可以通过改用PTE小的板材来改善孔环裂纹失效现象，同时，结合阻焊塞孔设计防止孔环裂纹缺陷的产生。