电路板无铅焊接的隐忧（四）板材热裂

一、板材涨裂
    （一）、因积热裂解而爆板
    由前可知，S A C无铅焊接不但焊温平均上升2 5-3 O℃，且熔点以上的液态历时(TA L)，平均也由60秒拉长到了90秒。此种额外遭受到的高热量(Therma1 Mass) 会让板材树脂在物性与化性上发生劣化。PCB大幅度的热胀冷缩中，XY方向由于有了玻纤布的协力钳制尚不致出现问题，但限制不多的板厚Z方向将会发生爆板。板子愈厚面积愈大者，愈容易爆板。通常一片P C B可能要焊到三次以上(熔焊、波焊、重工手焊)，树脂耐热性能不佳者，无铅焊接经常会发生局部之分层爆板。
左为片状电阻器之銲点，温度循环中会发生多处的问题；右为CSP腹底球脚焊点，因CTE落差而造成的断头现象

    图1、左为片状电阻器之銲点，温度循环中会发生多处的问题；右为CSP腹底球脚焊点，因CTE落差而造成的断头现象。
    （二）、树脂T g的量测与说明
    现行有铅焊接其板材耐热性的好坏，都是以硬化后树脂之T g为判断标准；T g高的板材，其耐热性、耐化性、耐溶剂性、与机械强度等，当然都要比T g低者要更好。然而到了更高热量的无铅时代，各种树脂的耐热性，已不再是简单的T g所能够全数表达的了。
此为TMA试验所得加温与Z胀之关系曲线，利用外插虚接法，其延长虚交点所对应的温度即为T g

    图2、此为TMA试验所得加温与Z胀之关系曲线，利用外插虚接法，其延长虚交点所对应的温度即为T g。
板厚Z胀之总值，系受T g与α2一CTE的双重影响，C材之Tg虽高，但却因α2一CTE太大，其品质反不如Tg较低的A材

    图3、板厚Z胀之总值，系受T g与α2一CTE的双重影响，C材之Tg虽高，但却因α2一CTE太大，其品质反不如Tg较低的A材。
    电路板厂家中通常量测板材树脂的丁8 有三种方法，即：热机分析法TMA、示差扫瞄卡计法DSC、及
动态机械分析法DMA等三种。其中TMA是利用加热增厚之原理，取得测値且较具公信力；DSC是利用升温中热流量变化的分析法，比TMA约高出5℃。至于DMA则会更高出15℃以上。图8即为TMA量测树脂Tg的说明，图中可见到外插延伸虚接后的第一条直线，与外插虚接的第二直线，此二直线虚交点所对应的横轴，即为T M A 所测到的T g温度。由此图中还可看出第一直线的斜率(Slope)代表著T g前的热胀系数(C T E)，第二直线的斜率代表著T g后的C T E，前者俗称α1一C T E，后者称α2一C T E
    图3中有AB C三种配方树脂，用TMA测得C树脂的T g比A树脂高，但C树脂Z方向的α2．C T E却更大于A树脂，且亦超过相同T g的B树脂。于是明显可知C树脂在无铅焊接中，将很容易发生板厚Z方向的爆裂。故知T g高者并不全然代表耐热性良好，α2一C T E不可太高(斜率不可太大)才是重点所在。
    （二）、高温耐爆板T260或丁288
    所谓T260系指所取已压合之板样，在高温环境中能抵抗爆板，而得以维持完整之历时(Time to Delamination)。其测试方法系按採分析Tg用的“热机分析法”(Therma1 Mechanic．Analysis简称TM A)为仪器，在密闭试皿中令试样从底部加热到2 6 0℃之环境温度，测试其抵抗Z方向分层爆板所可能经历的分钟数，正确表达方式是TMA2 6 0，简写成T260。
此为对T260与T288测试之图示说明，当板材在高温中（260℃或288℃)之膨胀出现不可逆之上升时，即表已达裂解之终点，在横轴所经历的分钟数即为其读值

    图4、此为对T260与T288测试之图示说明，当板材在高温中（260℃或288℃)之膨胀出现不可逆之上升时，即表已达裂解之终点，在横轴所经历的分钟数即为其读值。
    採压合后之多层板为试样，厚度不拘，一般以1．6 mm为主，但板厚愈厚者愈容易爆板。某些背板业者经常以5 m m以上之厚板试样进行材料选择之对比，以判别出不同品牌树脂在Z方向的耐热本领.
    试样须先在1 0 5℃环境中烘烤2小时，以除去水份。然后将试样置入T M A附属的密闭加热的试碟上，试样顶部利用敏感的倒钩玻璃棒施加5 g压力，从室温起以10℃／分的升温速率加热试碟，直到2 6 0℃为止即不再增温。然后在2 6 0℃的恒温中开始计时，小心观察板厚的变化。当热胀到某种较稳定厚度时，注意其起伏变化情形。直到厚度数据大幅飙升，而不再出现间歇起伏涨缩，到达不可逆情况为止，即已到达试验之终点。在此2 6 0℃环境中抵抗爆板的时间，即称为之为T260 。
    常见Tg l 4 0厚度1．6 mm之F R署4，其7 2 6 0约在4昂5分钟之间，对于现行有铅焊接者只要超过两分钟，该等板材于高温中即堪称安全了。若树脂另为聚亚醯胺 (Po1yimide，P I)者，则试温须再提高到2 8 8℃而升级到T 2 8 8之试验。目前许多背板或大型板类的用户，已多改採T 2 8 8以应付更为困难的耐热环境。 I P C一4 1 0 1 B全新的稿本中(2 0 0 5．2)，对无铅焊接板材的考试，其T2 60须3 0分钟以上，而T288也要求至少1 5分钟为其起码及格标淮，唯有如此才较更为保险。
左为TMA测仪的外形图，右为试样放置的加热平檯及灵敏感重的玻璃压钩

    图5、左为TMA测仪的外形图，右为试样放置的加热平檯及灵敏感重的玻璃压钩
    由于无铅焊接之高温高热量的时代即将到来，对板材的Z方向耐热性又将造成另一番严酷的考验。而且高阶大背板类还将受害更深，以致业者们对试样之厚度，已不再採用常规的1.6 mm，而将要求到5 mm左右或更厚的试样，以求得无焊接中的保险与安全。目前常规板材的IPC-4101A与HDI板材用的IPC-4101等耐热规格，都急待修订与发佈，以方便上下游业者在无铅时代有所遵循，
    （三）、板材热裂解温度Td
    所谓T d是指板材树脂的裂解温度而言，当利用“热重分析法”(7 G A)对板材进行加热测试时，板材中某些较小分子等可挥发份会逐渐逸走，而呈现失重(We i ght L o s e)的现象。当其失重到达5％时之温度，即称之为裂解温度T d。由下图1 2可见到两种Tg相同的树脂，其中传统配方F R-4的T d为320℃，而改良后增强品质的F R-4，其T d已提高到了350℃
此为两种FR一4板材，利用TGA之5％失重试验，所分别测到的裂解温度

    图6、此为两种FR一4板材，利用TGA之5％失重试验，所分别测到的裂解温度。
    对于无铅焊接而言，高T d已比高T g更为重要。例如Tg175／Td310之H G L D者事实上已不如T g l40／Td350之L G H D者对无铅来得更好。当然最好是T g与T d两者都能保持很高，就更有把握可以无铅三焊过关了。但T d的提高全要看树脂的配方如何，已成为无铅时代的关键所在。
左为TGA测仪之外观，由于对重量很敏感，故放置在大理石平台上。右为试样之精密托盘

    图7、左为TGA测仪之外观，由于对重量很敏感，故放置在大理石平台上。右为试样之精密托盘
    目前已有许多O E M客户，逐渐感觉到减重5％所定义的T d太鬆宽了，甚至想要改变成为失重3％的T d新定义，以应付无铅焊接，后势如何还待仔细观察。如此一来将使得树脂配方的改进，已臻于几无止境的努力。
    （四）、板材Tg与Td的关系
    常见标准型F R署4不管T g高低如何，均属低T d类之不耐高热之板材。研究者经过T260试验后甚至发现H G L D者所测得的1 5分钟，比起L G L D者的2 5分钟还要差上一截。若另改用T288量测时，两者均又迅速劣化而降到只有2分钟及4分钟。由此等耐爆时间的长短可知，无铅时代T d的重要性早巳超T g了。但若将树脂再改质成为H D时，则两种T g之T 260均可耐到4 5分钟。至于更严的T 288试验，其L GH D者可耐1 4分钟，而H GH D者更可耐到4 5分钟而未爆板。

    图8、此为四种不同Tg与Td的FR-4板材(7628)其T260与T288方面耐爆板时间之比较。
    某些业者并利用T GA多次高温之测试法，去模拟无铅焊接。首先将峰温定在235℃，发现9次测试后上述四种板材的区别不大。但若将峰温提高260℃时，则可明显看出H G L D与L G L D两者，分别在第三次与第六次分别败下阵来，即失重已超过5％而出局。但L G H D与H GH D两者则仍然屹立不摇安然过关。故知可耐峰温的高低，才是判断板材的耐热是否够好而不胀裂的关键。但若将可耐爆板时间T d与α2一C T E两者相比时，则前者又更为重要。
此为四种不同Tg与Td的FR-4板材(7628)其T260与T288方面耐爆板时间之比较

    图9、当板材进行TGA试验时，峰温不同者其耐爆板性质会出现很大的差异。左为模拟有铅焊接的235℃峰温，所测四种板了d读值几无差异。但当峰温升高到模拟无铅的260℃时，从右图即可见到爆板明显的时间差。
    （五）、因应高层厚板的对策
    以上对于Tg与Td的研究都是针对纯树脂而做，爲了更进一步证实于压合完工之PCB起见，硏究者特别製作了一种厚达93mil的10层考试板，并于不同峰温(220℃、 240℃ 、 260℃ )中，将上述Tg与Td四种组合，分别进行6回合的TMA试验，观察已有内层铜面参与后的其他变化。
    由下表1中所见到T260之耐爆时间，可看出完工高层厚板的耐爆情形，与前述单纯板材之各项试验完全吻合，也更进一步说明了无铅焊接之Td要比Tg更爲重要。事实上未来的Td将会主宰板材品质的全局。
当板材进行TGA试验时，峰温不同者其耐爆板性质会出现很大的差异。左为模拟有铅焊接的235℃峰温，所测四种板了d读值几无差异。但当峰温升高到模拟无铅的260℃时，从右图即可见到爆板明显的时间差
    表1、四种板材所压合9 3 mil十层厚板其耐爆时间之比较

    （六）、代替温度循环之IST与HATS试验
    1、快速的IST做法
    IST是指化互连应力试验而言；大陆业者不知爲何称爲"内互连"是相当莫名其妙的说法，须知Tnner与Inter并无关系。本试验法已登录于2005.1，是一种最近所兴起完工板的快速可靠度试验，可用以替代温度循环或热震盪的传统做法。由于传统热循环做法相当耗时，经常需1周以上，，对急于出货的厚大板类当然缓不济急。于是乃设计一种众多通孔与众多孔环，彼此首尾互连的试片，在刻意通过高电流迫使各铜导体产生150℃的高温，然后又断电使之冷却。
    如此快速循环中，针对孔壁孔环与彼此卸接互连处，施展胀缩性的热应力，模拟下游的组装焊接製程。直到某些孔铜位置产生裂纹，而导致电阻值增大10％为止，即表示已到达试验之终点。如此一来既可检验板材Z膨胀的程度，而得以判断出板材的耐热性如何；又可比较出多种电镀铜的延伸率品质，有兼顾出货品保与製程改善的双重功能。IST试验机组是加拿大一家PWB Interconnect Solutions公司之产品，台湾代理商为德迈斯科技公司。
    于是研究者利用一种孔径1 2 mil  板厚1 2 0 mil的1 4层I S T板样，分别实施3次与6次的230℃与260℃之加热预处理，然后继续循环试验而得到上图1 8中的各种数据。由各数据的表现亦可看出，具“高裂解温度”(HD)之板材者，要远比“高T g者”(H G)，更能通过较多热循环的次数。也直接証明了无铅时代板材参数中T d的重要性，早巳远超过有铅时代的T g了。

    图10、左为工ST试验机组的外貌；右为机顶放置试样的6个测位(Atotcch)。
左为工ST试验机组的外貌；右为机顶放置试样的6个测位

    图11、左为两种板材经三种预热状况后(230℃)，其工ST失效前之冷热循环次数比较；右为另三种预热状况后(255℃)的循环次数比较。
左为两种板材经三种预热状况后(230℃)，其工ST失效前之冷热循环次数比较；右为另三种预热状况后(255℃)的循环次数比较

    图12、此二图均为IST试验后电阻增大1 0％不良者，再经微切片而看到的情形，左图为孔铜微裂，右图为孔铜大裂之对比。
    2、快速大量的H AT S做法
    是另一种较后推出的类似做法，机器商名称为HATS。此种新型试验机，号称可符合M I L一STD一202之107法之精神。此机不但高低温可拉大到一6 O℃到+1 6 O℃，且一次环形排 列可做3 6个试样，远比上述IST的一次6样更为有利，能大幅提高试验效率。此机出品商IRTS公司，已与著名的PCB品质顾问公司Microtek及CAT两公司结盟，并为PCQR2资料库所採用，可做为无铅焊接时代PCB出货的一种品检方法，该机的销售目前由港建公司代理。
此为HATS机组的外形及36个环形排列的式样画面

    图13、此为HATS机组的外形及36个环形排列的式样画面
    （七）、无铅焊接板材失效的实例说明
    目前H D I手机板为方便雷射成孔起见，乃多採用背胶铜箔(R C C)为增层 (B u i l d Up)的板材。然而此种背胶树脂为了要通过贴合加工的持取动作，尽量避免B-stag e树脂发生裂痕起见，其RCC必须具备柔软性。于是在纯环氧树脂中又不得不加入各种助剂，造成压合后增层，以致下游无铅焊接中频频发生爆板分层的苦恼。
此二图为RCC所增层的手机板，由于背胶本身之Td之不足，致使无铅焊接后造成增层的开裂，左为50倍放大，右为400倍所见情形

    图14、此二图为RCC所增层的手机板，由于背胶本身之Td之不足，致使无铅焊接后造成增层的开裂，左为50倍放大，右为400倍所见情形。
    事实IPC-4101的B版的最后稿本，到了2005.2才将T d项目列入规范主文中()，而且还很客气的只规定为选做试验，对于要命的无铅焊接而言，实在有点老夫子式的过份迂腐。幸好在多功能环氧树脂板材的 “规格单”中，于其第1 5项内，已列入T d允收的起码温度为3 4 O℃。面对．全面无铅焊接的到来，至少对P C B业者们已提供了某些保障。可叹的是，忙碌的基材板业与电路板业，至今仍然彼此浑然无知，一直要等。到灾祸临头时，才手忙脚乱利用开会方式来解决问题。业者们不从根源Root Cause上著手解困，而只求分摊责任找人赔偿者，真相将永远难明。
    海峡两岸的PCB业者们，曰以继夜终年累月的忙碌，也只是不断的傻干蛮干与苦干而已。这种不求真知的石器时代工作逻辑，面对内容複杂的电子工业实在不敢恭维!唯有大量吸取最新知识，才是根除全新困难的最佳捷径。