电路板绿色制程(二) 镀通孔与电镀铜

电子产业电路板生产中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、测试方法与管理流程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製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3 4℃。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。为了跟得上电路板在板材、迴焊、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。
一、去胶渣与镀通孔
（一）、电路板除胶渣
当电路板採用绿色製程时，对于现行去胶渣与镀通孔等製程都会带来许多衝击。所谓的绿色製程目前的内涵以下列为主：
◆无卤素基材    ◆可耐无铅焊接之基材    ◆无氰化物之化学铜製程
◆无E D TA之化学铜製程   ◆无甲醛之化学铜製程
无卤素板材系指是不含臭化物耐燃剂者，当进行除胶渣或P T H製程时，难免会出现许多不相容的情形。此时还需要电路板基材厂商的配合，另行开发可以匹配后段流程之新式耐燃剂，以及添加剂等板材。这些全新成份的板材，其下游製程必须重新加以评估，以找出最佳之工作条件。如此一来製程供应商及电路板製造商等，势必将会增加许多工作，另一项重要的挑战，就是绿色生产难免会对某些製程，造成提早老化与毒化的现象。例如板材中的填充剂（Fi11er)就会导致除胶涅液的活性期为之缩短，并还可能影响到化学铜前的钿活化反应。这些恼人的都需要加以评估与进一步的研究。
至于可耐无铅焊接之板材中，某些无卤材料同样也要面对适应与否的问趋如何在改变基材组成后仍能具有更佳的性能，如何能通过T260与T288耐热碧间的严格考验，还都需要继续努力不断改进。市面上许多可耐无铅的新基材，乎全是以酚类(P N)取代双氰胺(Dicy)作为环氧树脂之硬化剂，或是其他夏更特别的树脂混合物为基础。对无铅与无卤材料而言，藉由填充剂以降低膨贴数与改善电性的做法，亦相当重要。所有新板材皆必须能与高锰酸钾去胶渣製匹配才行，对于可能出现的毒化与敏感性者，也都必须加以深入探讨。阿托科技正在进行这样的研究工作，对于许多传统标准基材而言、无卤基材与无铅基桐正待深入探讨，以下即为部份工作之内容。
◆配合三种膨松剂之标准式与强效式高锰酸盐除胶渣药液
◆化铜前活化反应中钿金属的吸收率
◆化学铜製程的覆盖率与附著力
◆关键槽液之污染管制等
从部分结果可清楚显示出各基材的适应性，以及对个别基材评估的需求。

图1、三种膨松剂对不同基材所产生weight Loss的比较

图2、旧式标准Desmear製程后所呈现胶渣被蚀除的效果

图 3、板材中填充剂较多者之除胶渣情形

图4、填充剂较少者之除胶渣情形
（二）、不含氰化物之化学铜製程    。
在化学铜製程中氰化物长期来一直做为安定剂之用途，虽然该氰化物在化学铜药液中含量非常少，但由于氰化物含有剧毒，若能少用或不用则最好。在环保压力下，药水商所供应之新式化学铜均强调已不含氰化物，此等新产品现已在水平与垂直製程中展开用途。
（三）、不含EDTA之化学铜製程
EDTA是一种螯合剂，一向NtYm于工业界及化学铜製程中，由于此物具有很强的蝥合特性，会捕捉往槽液中的二价金属离子而成为错离子，以致能悬浮在液中。因此在废水处理过程中，待沉淀的铅或其他金属离子，会与E D T A产生螯合作用而无法沉淀，以致造成废水处理之困难。一旦废水处理无法将蝥合物予以破坏时，则重金属会被放流到环境中而造成污染。
 为了排除E D TA对环境的危害性，绿色製程希望能改用其他较弱之蝥合剂，如天然葡萄之製品，酒石酸等为代用品，以便容易再处理与生物分解。早在水平化学铜导人时，阿托公司便决定使用对环境无害之酒石酸化学品槽液；从1 9 9 9年起安装第一条水平系统至今，已持续使用不含E D TA之化学铜系统，这种趋势目前已成为所有药水供应商之潮流。
       （四）、无甲醛之化学铜製程
       甲醛最近被证实，已由可能致癌性而升级为确实致癌性之物质，此等最新公佈之有害物质标准，正意味著业界应儘速寻求甲醛以外的替代物。目前市售中已  七有许多标榜不含甲醛直接电镀之药水，因此改良式化学铜已成为寻F常迫切需要的製程。时下已有一两种改良式化学铜正在小量试用阶段，而最新一代的无甲醛系统则已应用于软板製程中0以绿色电路板为主题的趋势，已对去胶渣与化学铜等通孔製程造成影响，目前影响最大是无卤素与耐无铅之基板。对于此等全新板材的上线使用，难免会对既有製程带来衝击，必须要小心逐步导入，最好是建立一套最佳化的做法，以期达到最好的效果。
       二、电镀铜
       电镀铜最好能控制孔铜与面铜的厚度比例，其前处理与镀铜本身都要就无铅焊接之全新板材而加以调整，如孔纵横比或线路镀铜中之线宽与间距等特性而详加考虑。电镀铜镀层必须要具备良好的铜厚均匀性以及优异的机械特性，例如延性 (Elongation)与展性(Ducility)等，才能耐得住后续多种流程的考验。进而才会使得完工电路板拥有够好的可靠度与满足客户的品质标准。现已有一种较新的热循环(Thermal Cycling)量测技术，可对PCB品质具有较精确的评估，与传统电路板的生产比较而言，所谓绿色P C B之生产，就是採用无铅焊接与其相关的全新参数，这将对电镀铜将会带来很大的影响。
        电路板无铅焊接与传统焊接的差异如下：
       ◆焊接温度比原来有铅者约高出3 4℃。
       ◆焊接操作中的高温时间较长。

较高的焊温与较长的留置时间，造成板材Z方向的膨胀加剧，与通孔中电镀铜层拉伸应力的增大。这种对铜层所增加之拉伸应力，与电镀铜可靠度之传统量测法甚为类似，一般做法是将试片以漂锡或浸锡法，在规定温度的锡铅合金中，进行热应力试验。为了快速得知结果起见，目前多已採用互连热应力之工S T做法。从各种测试中可看出影响电镀铜可靠度其因素之顺序如下：
        ◆P CB基材之Z方向热膨胀系数CTE。
       ◆板厚。
       ◆通孔孔径。
       ◆电镀铜厚度。
        P C B基材对于现行焊接可靠度的影响力最大，因此可预见的是对于无铅焊接可靠度的影响应该也是最大。
       （一）、无铅迴焊次数对电镀铜的影响
       电路板无铅焊接对电镀铜可靠度的影响，已有一系列的测试方法。首先以直流电在垂直线生产上进行(图形)线路镀铜，并使其铜厚达到3 O u m，以下为考试板製作之重点说明：
       ◆板厚1.5 m m，孔径为0.4 m m与1.2 m m
       ◆六层板含线路镀铜
       ◆基材特性丁Tg1:131.1 ℃，Tg2:137.8℃。
       所用板材为标准：F R 4之低T g材料，此种板材料预期在可靠度试验中，会在前段过程中即可能失败， T g=6．6℃已表示基材在压合过程中其高分子可能并未完全聚合，于是后续之各种热过程中即潜在出现爆板的可能性。
       完成电镀铜后从考试板上切下之试片，需经热应力(T h e r m a l S t r e s)试验之漂锡(Solder Floating)288℃ X 1 O秒前后共6次，然后再进行微切片检查。相同来源的其他试片又另做过工ST之热应力试验，并按工P C标准之无铅焊温曲线共做四次试焊，然后再经6次每次10秒288℃之漂锡热应力试验，最后才进行彼此对比与判读。

图5、此为IST热循环试验后之切片，显示多层板经热反应后基材之变形现象。

图6、镀铜又经6次2 8 8℃热应力试验后，从其切片图可看出基材的变形，焊垫浮离以及树脂空洞等劣化现象，但试验用电镀孔铜壁则尚无断裂情形。

图7、此等切片图系经四次无铅熔焊之实做，以及六次288℃热应力试验等折磨。幸好均未发现镀铜孔壁之断裂，但却都已出现焊垫浮离及树脂空洞。