电路板绿色制程（三）电路板板材及表面处理

电路板制作在“绿色电子”趋势下，将受到多面向的衝击，新式无铅焊料将导致迴焊(Reflow)温度与操作时间的急遽增加，对基材组成的耐热需求以及下游可焊接、可打线等表面处理的期待；都将对于内层处理到完工板表面处理等製程，带来史无前例的全新挑战。
无卤的需求对于电路板介质材料的轫性是一个相当大的挑战。板材玻璃态转换。温度(Tg)的提高与吸水率的降低，已成为下世代板材的重要目标．本文将针对RCF背胶铜箔提供艺术境界的全新解决方案，即使对于无卤式困难的HDI板材，从实做中証明也能展现最精良的性质。
电路板面的最终表面处理与下游无铅组装有著密切的关系，所产生的各种效用皆应加以深入探讨。此外，业界将可能放弃无铅喷锡(HASL)的强热折磨，而另寻其他替代方案，例如化学浸锡、化学浸银等。本文亦将就过去几年来持续对新式浸锡、浸银及化学镍金等各种改善成果，在此一併加以整理与呈现。
一、板材的改善
（一）、背胶铜箔
手机电路板板微盲孔製作之量产中已大量使用背胶铜箔RCF或RCC 。全新研发的尺RCC对于环境危害已大爲降低。其材料部份之内容可分爲两部分：其一是介质层配方的改变，其二则爲背胶铜箔本身製程的革命，阿托公司决定针对这两部分同时进行改善。
（二）、友善背胶铜箔之製程
目前既有电路板厂家做背胶铜箔的标准程序，首先是将所有组成物（树脂、硬化剂、添加剂、耐燃剂等)混和搅拌于有机溶液中，再以精密涂佈机将此流体混和物涂佈于铜箔上，然后以烤箱将湿膜中的溶剂驱走烘乾。
阿托公司已发展出一种全新无溶剂(So1Vent一1eSS)式之背胶铜箔：是将固态原料先行均匀混和，然后经由熔融挤出方式得到整体均匀的粉体，如此即无需再使用溶剂。事实上此种製造技术早巳应用在装饰性的领域中，而且也已非常成熟与广用。新法只是将原来的粉体技术，利用一种专密性涂佈方式，将之均匀涂佈在铜箔表面，再利用涂佈设备之改良系统，即可得到寻E常均匀的粉体层，然后再逐步利用烤箱在特定条件下使之熔融，冷却后即可在铜箔上得到均匀之皮膜。按此种做法所得到的皮膜，由于受限于流性的不大，因而会出现微粗糙的外表但却也使得所生产的RCF在后续压合作业中，能够快速的排出气体。
（三）、无卤板材之组成
过去含臭式耐燃剂的环氧树脂，一直是基材板、胶片、及背胶铜箔的主要成分。但是自从欧盟立法，明文禁止某些有毒物质在电子产品的应用以来，业界也就加速对此类有毒物质的取代工作，未来这些有毒物质将无法继续存在于介质材料配方中。
阿托公司最新开发的介质材料，是一种不含卤素的环氧树脂，并已通过无卤的相关规范。这种以磷化物做为耐燃剂并且改为粉体的配方。其在材料特性的表现上，并未因无卤化而被牺牲掉应有的特性，特别是在关键性的吸水性方面，仍旧可保持在很低的水淮，右表即为无臭板材压合后各种特性的概观。

图1、RCF粉体加工在铜面上之熔融与乎坦化

图2、粉体涂佈之背胶铜箔

图3、无函全新板材之特性
（四）、小结
阿托科技已开发出符合环保要求，全新背胶铜箔之涂佈技术，并结合了无卤素配方而应用在介质材料上，此技术的成功又朝IS]绿色材料及製程迈进了一大步。此外，相对于介质层多样厚度之要求，也已精确掌握了厚度公差，对于致力于环保之设计者与生产者，在微盲孔的製作方面将可提供最佳的利器。
二、表面处理与焊接
此部分内容主要是在比较电路板各种最终表面处理，在一般空气或氮气中之焊接润湿性。阿托公司所试验过的表面处理包括：化学锡、化学银、有机保焊膜、无铅喷锡、中磷及高磷化学镍金及镍钿金等。
为了要清楚瞭解各种表面处理与无铅焊接的最佳搭配性，迴焊之后还需测量其其锡膏熔后的散锡直径。多功能考试板所使用板材为Tg170之FR4，其板厚为1.6mm，表面镀铜之厚度为30μm。
（一）、皮膜厚度(Layer Thickness)
所试焊的各种表面处理，均採用无铅焊接最适宜的厚度范围，而各种皮膜之厚度则利用不同方式予以小心量测与验証。
（二）、迴流焊(Reflow Soldering)
柏林阿托总公司所试做的迴流焊，是採用“REHM  NITRO2100“”之五段加热式迴流焊炉，所用之温时曲线(Profile)是根据J一STD一020一C所订定之曲线，板面最高温为260℃，而整个迴流焊过程不超过10分钟.。
各项试焊是在氮气环境(残氧率<100PPm)及一般空气环境（180KppmO2)中所分别进行。所选用的锡膏为”KOKI S3X58一M406”之SAC305无铅锡膏。而锡膏的印刷，则是採用“DEK248”之不鏽钢板，该钢板(Stencil)厚度为125μm。

图4、试焊中各种皮膜所测得的厚度

图5、迴流焊温时曲线是依据J-STD-020-C(红线)的参考曲线，并与传统锡铅共熔合金迴流焊曲线(蓝线)两者进行对比。
（三）、锡膏熔散后之直径(Solder spread diameter)
本法包括了锡膏印刷(所印出之直径为1000私m)，经过迴流焊后，观察液态及固态锡膏之扩散情况。当锡膏表面张力较小扩散能力良好时，就会在焊垫上展现较大之覆盖性0于是可利用扩散面积的大小去评比表面处理皮膜在润湿性方面之好坏。

图6、鍚膏在三种皮膜表面的印刷与焊后扩散（1）、印刷与扩散面积1000 μm／1100μm(直径)    （2）、印刷与扩散面积1000μm／1400μm (直径)    （3）、印刷与扩散面积1000μm／1760μm (直径)
（四）、各种皮膜经多次焊接后的比较
各种参与测试的表面处理层，首先是进行未经老化之直接迴焊，之后另将其各皮膜先经过一次、二次及三次模拟迴流焊之高温老化，然后再去进行锡膏印刷与迴焊。各试验样品之表面，均预先印刷3O个锡膏测试点，然后再进行迴流焊。
此未经老化之第一次迴焊的散锡面积比较

图7、各种皮膜经氮气（绿）与空气（蓝）迴流焊后其"润湿面积7原印直径"之对照情形。请注意喷锡和化学浸锡皮膜之散锡，经过氮气迴流焊（指焊后原始状态）很难加以测量，因爲锡膏熔融后的外观与原喷锡或化锡表面的差异很少，无法进行量测。
先经一次老化再做首次之迴焊后比较

图8、不同表面处理经过一次老化后再做迴焊，针对氮气（绿）或空气（蓝）中所做"扩散面积/直径"之对照情形
先经过两次老化再做迴焊之比较

图9、各种表面处理先经过两次老化再做迴焊，其于氮气（绿）或空气（蓝）中针对迴流焊"扩散面积/直径"之比值对照
先经过三次老化再做第四次迴焊

图10、各种表面处理经过三次老化再做迴焊，其氮气(绿)或空气(蓝)迴流焊针对“扩散面积／直径”之对照情形
等试焊样点与散锡量测是从”X”及”Y”方向分别执行。事先所做迴流焊式之老化及后续实际迴流焊过程，均同时在一般空气及氮气两种情况中进行。
（五）、小结
大体而言，在氮气中进行迴流焊的结果要比起在一般空气中所得到的结果来得更好。此外，针对散锡面积或印刷直径的量测时，发现化学镍金的成绩比较好（通常焊锡性良好并不代表焊接强度也佳，根据多项试验结果看来，锡镍銲点强度平均只有锡铜銲点的70％而已)，以下即为各种皮膜焊接成绩的说明。
（l）、有机保焊膜(OSPs)
此种皮膜在氮气中进行迴流焊后，发现锡膏扩散的直径比起一般空气中约增加70μm.不过OSP在一般空气中经过两次迴流焊后，所印锡膏已经不再具有扩散能力。经量测所得之锡膏之直径分别为只有999及998μm而已。
（2）、化学银(Immersion Silver)
在氮气环境中进行迴流焊后，其锡面扩散的直径约增加了160μm。然而气及一般空气，两者对于未经老化的化学银表面，并未出现太大的差异。
（3）、无铅喷锡(SnCuNi)
未经过老化的无铅喷锡表面，在一般空气中经过一次迴流焊后，其散锡直径约增加了400μm 。不过当此喷锡在空气中经过二次迴流焊后，锡膏扩散后的直径却不增反减，甚至还会发生缩锡的现象，其直径比起当初印刷时还来得小一些。
但当继续在氮气中做第一次迴焊时，由于焊性太好而使锡膏与承垫上原本的喷锡层已完全混在一起，无法从外观上加以分辨，致其散锡面积已难以估算。当喷锡表面于氮气中进行第二次迴流焊后，其锡膏的直径却只增加45μm而已o
（4）、化学锡(Immersion Tin)
在氮气中进行迴流焊比起在一般空气中而言，其锡膏扩散的直径差异十分显著，特别是当样品在先经过老化再比较时尤其明显。在氮气中进行迴流焊后，因为外观上并无法分辨是锡膏或是承垫上的锡层，因而无法加以估算。此外，相对于为未经过老化之化学锡层，其于氮气中仍有优异的锡膏扩散能力，多次老化对迴流焊的负面影响并不明显。

图11、此二图均爲台湾阿托公司研发中心，利用美商FEI公司出品NOVA600型之FIB（离子束聚焦式电子显微镜）所摄之微切片图。挖坑与截面左图爲化学锡镀后立即切摄；右图爲迴焊三次后所切得之画面。
在氮气中进行迴流焊比一般空气中其散锡直径约增加了200μm相对而言，经过老化后其氮气与空气的差异则并不明显。如果单纯在空气中进行迴流焊时，其散锡直径通常会到达1400μm或更大。
（5）、高磷化学镍金(HighPENIG)
在氮气与空气进行迴流焊比较时，氮气中散锡直径约可增加280μm。但当样品经过老化后，其于氮气或空气的差别已经不大。至于散锡直径则均可以达到1300一1400μm。
（6）、学镍铝金(E-Ni  E-Pd  I-A u)
对于化学镍钿金而言，于氮气中进行迴流焊时已出现明显的改善。而在空气者，其散锡程度与中磷化学镍金的结果相类似。不过此种皮膜在氮气中迴流焊之散锡直径，却比末焊前所印刷1000μm之锡膏面积，居然扩张了约4倍之多而达3977μm之巨大，甚至在经过三次迴流焊后，其散锡直径仍可增大2600μm 。此结果比一般化学镍金皮膜要好上两倍，也较喷锡或其替代製程好上2.6倍。