电路板无铅回焊试焊

一、第一次试做及试焊

（一）、PCB结构与回焊

首先利用高Tg与Dicy硬化的FR-4板材，做成22层及24层之两种高多层板。并将空板利用两种回焊炉，在两种L形的回焊曲线之下，进行6-9次的模拟回焊，现将其两种板类与其回焊曲线说明于下表与下三图（事实上笔者认为此种未具吸热鞍部的回焊曲线，根本不适合一般多层板，甚至更不能用于厚大多层板的无铅回焊）：

表1 、两种考试板的内容

图1、此热风回焊曲线之峰温为253℃~260℃ ，升温速度介于0.55℃~0.72℃/sec ，

冷却速率0.81℃/sec，是一种相当缓慢的做法。

图2、此回焊曲线之升温速率为0.87℃/sec，降温速率为2.05℃/sec，属较快速冷却的做法。

（二）、微切片分析

经过多次回焊与多处爆板后，随即针对爆板区进行失效分析，以下即为其等切片之发现。

（三）、讨论

经过上述第一次回焊，可看出几种具代表性的逻辑：

●回焊曲线升温太快者容易爆板，至于降温太快是否与爆板有关尚不可知。且笔者感觉s上述电路板公司所用之回焊曲线其实并不恰当，此种直上直下并无鞍吸热的形曲线，只适用于低阶板类与简单零件之回焊。複杂多层须採有鞍部，或长鞍部吸热段的曲线，使板体处于内外均温情况时，才可进行快速上衝峰温的动作而完成焊接。

图3、此为两种厚多层板採两种曲线经6次回焊后之存活率比较，以A板在回焊曲线(快热快冷）回焊后之成绩最差。

其首焊之未爆板只有40%而已，二次回焊后即全部都失败了。

其次是人板经由回焊曲线1的成绩，其中以B板回焊曲线1的成绩最好，

即使回焊了5次尚有67%的存活率，第6次才全数失败。

图4、（左）为A板採回焊曲线1在内层大铜面处所发生的爆板情形，其开裂处分别出现在铜面，或树脂等介面位置

图5、（右）此为B板採回焊曲线1回焊后在BGA腹底多孔区发生的板材开裂情形， 且多半出现在树脂与玻纤之介面间

图6、（左）当孔环变窄时，即容易发生翘环之浮离现象。原因当然是强热中Z轴CTE太大与铜环附著力不足所造成。

图7、（右）此为八板採回焊曲线 2回焊后在大铜面区所发生的板材裂层情形， 位置也出现在铜面与树脂，以及树脂与玻纤之间。

●BGA腹底多孔密孔区容易积热而爆板。

●做过无铅喷锡流程者也较容易爆板。譬内层大铜面区容易爆板。

●本次试验之板材虽均为Dicy硬化之高Tg板材，但参考许多其他証据可知；採用Dicy硬化之板材，即使其电路板制作做得再好，其爆板也不如PN硬化者来的更少。

二、第二次试做与试焊

二次试验的板材已搭配Dicy与PN两种硬化剂的不同板材，并由本次试验的结果可知，PN型的耐热性确实要比Dicy更好。同时也可看出影响无铅焊接导致爆板的原因尚有：压合製程，压合后烘烤，内层板吸水情形，完工板的吸水情形，以及树脂聚合程度等因素。

电路板制作过程中A板分别採用Dicy硬化与PN硬化等两种板材，虽然也选择了两种不同的压合流程，但却发现对结果影响不大。反倒是焊接前空板的烘烤与否，对爆板才有著直接的影响。烘烤条件是125℃ ，共计24小时，现将其板材与无铅回焊后的存活率整理于后。

表2、针对考试板所做各种热机分析的数据整理

图8、两种硬化板材，与回焊前有否烘烤等不同条件所呈现爆板存活率的比较。

（一）、讨论

●FR-4经Dicy硬化者，其爆板现象几乎是全板各处同时开裂，而PN硬化者则只在腹底多孔区才出现局部开裂。

●Dicy硬化者不管回焊前有无烘烤，两次回焊后都会全部爆板。但经PN硬化又焊前烘烤者，历经四次回焊后尚可存活50% 。

●说明Dicy因极性大易吸水，故不易通过热应力的考验。而PN之极性很小，吸水率极低，且添加量又在20%bywt以上，事实上已经大幅改变了环氧树脂的线状本性，而另具酚醛树脂的立体结构强度，因而强热中已不易发生裂解了 。

图9、（左）经Dicy硬化之A板，经过回焊曲线 2 的两次回焊后，在孔边发现的爆板情沉。

其开裂多出自于树脂与玻纤之介面间，并由此图也可见到PTH所展现的铆钉效果。

图10、（右）此为A板在BGA腹底通孔附近的爆板情形，但却是经由PN硬化的板材，

系採用回焊曲线2经过5次回焊后，才发现树脂与玻纤之间的开裂，成绩比Dicy已大有进步。

三、第三次试做与试焊

（一）、试验之淮备

第三度试验时，已将板材全数改为硬化型，而且还特别将PCB的流程加以改善。也就是为了无铅回焊的良率更好起见，刻意将所有完工的内层板都在110 ℃烘烤3小时，外层板在除胶渣后则另置于150℃中烘烤4小时，至于表面处理方面，该22层的八板是採用电镀镍金而非ENIG。此次共做了6批每批共有15片板子，而且还在回焊前又刻意将其6片板子置于125℃中再烤24小时。另外6片板子则回焊前刻意不进行烘烤，以做为效果的对比。且该两批中还各取两片板子分别进行：漂锡热应力试验，Tg的量测，T260/T288试验，以及採回焊曲线2模拟回焊。此次试验发现焊前烘烤与未烤两类PN硬化的板子，经过12次模拟回焊后均未出现爆板。

表4、六批考试板其PCB流程的改善与强化

（二）、结果之讨论

现整理上述六批板子的试验结果并讨论如下：参六批PN硬化的板子，不管其PCB流程中有否执行两次烘烤，均可通过12次的模拟回焊。参回焊前曾用三种方法分别测试Tg1与Tg 2之△T ，虽然发现各△T仍有1-8℃的差异，但12次回焊后其△T的确都已变小很多。即表示原始树脂的硬化程度已十分良好，此硬化度与压合製程以及压合后烘烤都有著直接关系。

●由于Tg2仍高于Tg1 ，此即说明板材中之树脂尚未出现裂解的徵兆。

●12次回焊后再进行T288测试，发现所得数据并不低于焊前之读値，此亦可解读为树脂尚未出现裂解的証据。

●经过三次与六次漂锡均全数过关，未出现任何起泡与爆板，虽然切片上也出现由于CTE不匹配的孔环浮起，与体积收缩的树脂缩陷（尚未超过孔长的20%），但此等均为强热所必然发生的现象，只要板材切片中尚未出现微裂，一般均可视为尚可允收的小瑕疵。

图11、（左）此为表4之第二批两次烘烤者， 经过12次回焊后于大铜面区见到的画面，并未发现开裂。

图12、（右）此为表4之第4批内烤外来烤者，经12次回焊后在BGA腹底多孔区见到的切片画面，亦未出现开裂。

图13、（左）此为表4之第6批内外均未烤者，经过12次回焊后并未出现爆板，甚至连树脂缩陷与孔环浮离也未发生的精采画面。

图14、（右）此为表4第6批内均未烤者，经3次漂锡后，均未出现板材开裂与孔铜拉断等问题，树脂缩陷也未超过孔长的20% 。

图15、（左）此为第5批内均未烤者，经6次漂锡亦未出现板材开裂与孔铜拉断，但树脂缩陷则仍然存在。

图16、（右）此为第4批内烤外未烤者经过6次漂锡后，出现孔环浮离之缺失。

图17、（左）此片板子之大铜面区已通过20次无铅回焊的考验，尚未发现板材的开裂。

图18、（右）此板亦通过20次无铅回焊考验，即使BGA腹底多孔区亦未出现板材的开裂，甚至连树脂缩陷亦未发现。