电路板绿色制程（一）多层板无铅焊接

一、简介
电路板焊接一向使用者即为含铅焊料。过去数十年间，此种技术早巳广用于无数组装与封装产品中，所有电路板也都能适应此种成熟的焊接技术。各式品质与可靠度之标准、测试方法与规范等全都根据此种含铅焊接技术而订定。
由于ROHS(欧盟限制有害物质使用之指令)主导之禁止铅，已为整个电路板在板材与制程方面带来了很大的影响，主要重点即在焊接技术的改变。此种限制所造成的衝击除了焊接技术以外，还更牵涉到电路板材料之丕变。换言之，即便电路板材料中不含铅，但却并不表示与无铅技术得以相容。新式焊接多已偏好所谓的SAC305合金(锡、银、铜)，其熔点较现行锡铅共熔焊料约高出34℃。当前的任务就是如何利用此种无铅銲料，而能达到旧式有铅合金之焊接成绩。为达此目的，通常其板类必须改採可耐强热之树脂与抗湿性良好的板材。
为了跟得上电路板在板材、回焊、与助焊剂方面的最新发展，业者们必需投入大量的人力与物力方不致在转型中出现落差。关键知识与可靠度资料的收集，将可让已充分准备的供应商，在全新焊接市场中争取到胜利的宝贵一席。
二、电路板无铅焊接之多层板
绿色产品对高T g与无卤材料已出现高度的需求。无铅焊温将导致板材Z方向膨胀的变大，进而将对镀通孔的可靠度与内层结合的完整性造成负面影响。然而，组装焊温的提高对于内层压合制程有何影响，目前所做研究仍然不多，尚待业者们继续深入。本文对于内层铜面全新的晶界蚀刻(Intergrain Etc h简称IGE)，再搭配替代性处理(即沉锡处理)，使得此种革命性的改进对于多层板结构具有更强之协同作用，后文中亦将深入说明。
此等厂界蚀与沉锡之双重混合(Hybrid)处理(商品名为Secure HTg)，在其彼此辅佐下完成了兼具多项优点的内层表面处理；例如抗撕强度提高、耐热可靠度增强排除粉红圈、避免楔形破口、以及便于大面积薄板之水平制程等，均将详加介绍。
（一）、内层铜面全新混合制程(Secure HTg)的说明
此种内层在铜面刻意沉积金属锡层之附著力处理，已证实确可抵抗无铅焊接之强热考验，此新式制程之流程如下：
（1）清洁处理
在铜面进行微蚀之前，需先完成强效之清洁处理，以除去乾膜蚀刻阻剂之残渣，以及重度污染指纹等。
（2）、啓始处理
本站可保护下一站微蚀液免遭污染物的伤害，并可提供适宜的表面蚀刻电位，使后续之微蚀效果得以改善。
（3）、微蚀
採用改良式"硫酸/双氧水"之微蚀液，可针对铜材之晶界进行攻击，以得到强劲附著力所需的表面地形。此种超级深入性微蚀可得到所需的表面粗糙度，而令其后续机械键结强度更好。相较于传统黑氧化绒毛抗剪强度之不佳而言，此处铜材所产生之结构已展现了更好的抗剪强度。
（4）、增强处理
完成微蚀后的内层铜面，随即就会沉积一种灰色的金属锡层，之后即完成可耐无铅焊接的MLB压合工序。
（二）、考试板与成绩
此种替代性氧化处理的考试板，系选用了一种六层板与十二层板。全板是由多种不同基材组成，并搭配上35μm的铜箔，此等考试板能用于多种可靠度试验。每一批考试板皆须进行抗撕强度试验，做为后续其他试验的参考值。经此初始抗撕强度之测验后，同批样品还要进行多次红外线无铅回焊流程。之后再另外进行抗撕强度试验，以比较回焊对板材结合强度可能造成的劣变。通常从这类资料中可看出无铅组装对于电路板的负面影响。

图1、压合后各类基板材料与三种内层铜面处理所得考试板经立即测试之附著力  (1b／in)  比较。

图2、压合完工又经过3次回焊后各种品牌基板其内层铜面处理与胶片之附著力(1b／in)比较
此外，为了模拟无铅回焊过程起见，各样品皆刻意经历无铅回焊升温曲线的考验，然后再进行T-260与T-288耐热裂时间的试验。所选择之回焊条件为”标淮”无铅之升温曲线，经历十次操作后，再对试样进行T-260与T-288的耐热试验。

图3、利用热机械分析的结果以比较各品牌在耐热裂时间方面的长短优劣。
（三）、试验结果与讨论
上述内层铜面之锡铜混合制程 (Secure HTg)经多次试验后，已证明相当坚强实用。各DOE样品是在混合制程之“稳定状态”槽液中进行操作，以模拟标淮生产流程。
从预回焊表现中，已得知传统黑化反应在标淮FR4与无卤材料虽已显示出良好的成绩；然而，其预先热应力试验之结果不太好，而且此种热应力试验后的附著力却更为重要。以致无法撑过多次无铅回焊之操作，事实上已发现附著强度之减损已超过50％。同时也发现内层铜面之替代性黑化法(AO)，晶界蚀刻(IGE)，与AO另加增强剂，以及全新混合制程(SecureHtg)等，其完工多层板试焊后都会出现黏著强度之减损。然而，混合制程的减损却比其他方法都要来的少。当混合制程应用在无卤材料时仅出现6％黏著强度的减损，相较于标淮替代性黑化以及正统黑化的28％与54％来都还更好。
而且还发现混合制程在多种电路板基板材料中均可通过无铅之回焊，甚至是T260的耐热试验也能过关。至于在T288试验未能过关的某些样品中，发现其故障是出自于基材本身的问题，全然与铜面处理无关。由于处于极端强热条件与随之而来的胶片失效，T288可能还算不上值得信赖的测试方法。而混合制程成绩之优异，应出自于锡与铜之间所形成介面共金化合的锡层，在高温压合过程中已完全转变为介面共金化合物层了。但强热却会造成铜与锡之间微结构的改变。锡层密度随介面共金化合物增厚而减少，难免会造成铜与锡两者晶界附近，经常形成不定点的微洞。所有结果均显示出锡原子会往铜层中去迁移，导致介面共金化合物的成长，且在铜与IMC之间还会另外产生了种”突出性指状结构物”(ProfiliCfingerlikestructure)，如此一来又将使机械结合力大为增加。

图4、从FIB所见到内层铜面混合处理后在界面间所长出的I MC手指
铜面与环氧树脂间的化学键结，其特性如何17t前仍很难深入了解。过去曾出现许多相关的理论，但首先应确知铜面形成的是何种皮膜?是早先的黑氧化?或后来还原性的黑氧化?抑或是取代性黑氧化?除寻尸该氧化皮膜是在真空中生成与保存，否则部分氧化铜难免会在环境中因吸潮而水解，并进一步形成氢氧宫能基 (Hydroxyl Group)，这些氢氧宫能基会继续跟环氧树脂在微酸中会进行反应，进而形成相互间的化学键。 
不同氧化处裡表面所具有黏著强度的差异，是由其表面电荷所决定，也就是取决于“表面等电点”(ISO—electric point of Thesurface；IEPS)。当使用无卤或标准FR4板材时，新式混合氧化制程所提供的黏著强度将更为优越。此种压合后所出现的高黏著强度，经过多次无铅回焊后，其强度数值仍可维持在41b／in以上。因此，混合制程在未来的无铅需求上，将可提供较好的制程稳定性。