电路板无铅回焊之热循环试验

一、试验之目的

电路板无铅回焊对厚高多层板除了会造成板材的爆裂外，其次就是会将镀通孔的铜孔壁拉断，主要原因当然是板材在Z轴的CTE不管是α1 (55-60ppm/℃)或是α2(250ppm/℃)两者的Z轴热胀率（Z-CTE)，都远远超过铜壁的17 ppm/℃。也就是处于Tg以下者其板材约为铜壁的3倍，Tg以上时更将拉高到12-20倍之多。为了多层板的通孔在多次回焊中不致被拉断失效起见，刻意利用温度循环试验（TCT） 试图找出三件事，即

(1)回焊峰温对板材与通孔的影响何在？

(2)回焊的次数可达几次？

(3)基材的可靠度又如何？

图1、此图为两种板材与铜层，在不同温度中其CTE的比较，可清楚见到铜层变化的斜率远低于两种板材的变化。

二、电路板製做

某电路板生产厂家再利用四种板材，分别又製做了共含880个互连通孔与30mm厚的8层电路板，其孔铜厚度约20 μm 。TCT试验前首先模拟峰温分别是224℃及250℃之有铅与无铅回焊，然后执行air to air温度循环试验(TCT)，以观察板材与镀通孔的可靠度。该TCT的条件为：

●低温- 55℃放置5分钟。

●以14分钟做为飙升高温的过渡时间，刻意拉长的原因是让厚板的内外温度能够趋于一致，以减少应力的作崇。

●高温125℃放置5分钟。

●再以14分钟转移到低温如此即完成一次循环

经由长时间不断热胀冷缩的拉扯下，将使得铜孔壁与互连孔环等铜材结晶变得较为鬆弛，以致直流测试时的电阻也为之逐渐升高，一旦所测之电阻値超出测试前的10%时，即表电路板已经到达失效的地步了 。然后即可进行微切片之失效分析。

图2、此为检测电镀铜可靠度用的菊链式电路板

表1、通孔可靠度TCT试验所用电路板之热机性质

三、回焊峰温对通孔可靠度影审

当回焊之峰温拉高时，将会对板材与铜孔壁造成强大的热应力。故在对板材与通孔进行TCT可靠度试验之前，刻意先将电路板模拟回焊2次到6次，以观察回焊对于后续可靠度的影响何在？过程中发现当回焊峰温拉高25℃时，其失效前之温度循环次数竟然会减少达25%之多，实在令人不得不对回焊曲线确应小心处理谨愼取捨，儘量避免峰温的过高，以免造成诸多的后患。

图3、此为HN板材所製的电路板，先经5次回焊的预先考验，再进行TCT试验，

图中趋势线即其失效百分比与所对应的循环次数，可明显看出无铅回焊250℃，

要比有铅回焊224℃在可循环的次数上减少了很多。

四、回焊次数对通孔可靠度的影审

事实上不但回焊峰温会带来强大应力，多次回焊的每次强热也照样会在铜孔壁与基材中累积应力，此种回焊次数必然会对可靠度造成劣化效应。于是德商的硏究者，又将电路板刻意先经有铅无铅多次回焊的考验，然后再进行有关可靠度的TCT试验，以观察彼此间的对应关系。下图 ，即为其等所得之结果。

图4、此为全部四种板材製做的电路板，先经两种各5次之回焊，

然后再进行TCT试验，从所得对数失效率之分佈情形，

也可看出相同循环次数下无铅回焊的失效百分比，要比有铅回焊者多出约25-30% 。

图5、此为HN板材所做之电路板，先经多次无铅回焊之预先折磨，再进可靠度之TCT试验。

由图中针对TCT次数与失效百分比的四条斜线可知，

先经6次回焊者要比2次回焊者，不但在失效上要提早而且比例上也增多。

图6、此为四种板材所製作的电路板，首先模拟多次有铅回焊，然后再进行TCT试验。

图示者即为其到达失效之次数与事先多次回焊所对应失效比例之循环对照图，

亦可见到6次回焊者要比2次者，不但提前失效且比例亦较高。但其间的差距已较下图中之无铅者更为拉近。

图7、此为四种板材所製做之电路板，先经多次之模拟无铅回焊，

然后再进行TCT试验，所得失效次循环次数与回焊之数，

以及再对应失效比率三者之对照图，其回焊次数间的失效分佈要比有铅者拉开得更远。

五、讨论

●铜箔或铜壁与基材两者在CTE上的差异，将成为强热折磨后的开裂与断孔的直接原因，增加回焊次数当然会缩短通孔寿命。

●发现断孔的主要凶手是回焊峰温的过高（例如250℃以上），影响通孔可靠度的次要因素才是回焊次数的多少，且首次回焊的影响力又大于其他后续之回焊次数。

●当孔铜延伸率十分良好时（例如20z%冗以上），通孔耐强热的可靠度自然也会好，不过多次回焊后其延伸率亦将逐渐变差。