PCB 耐温与无铅标准

RoHS & Lead Free对PCB之冲击

于2006年7月1日起欧盟开始实施之RoHS立法，虽然欧洲与j本PCB厂商已展开各项Lead Free制程与材料切换，并如火如荼的进行测试。但若干本土的PCB厂因主要订单在美商，基于成本的考量，仍采取观望的态度。但如果不正视此问题，一旦美系OEM、EMS大厂决定跟进，必将措手不及衍生出诸多问题，可能的冲击不可等闲视之。

▲FR-4树脂、铜箔、焊料与背动元件彼此存在热胀系数之差异，其中树脂Z方向的热胀系数高达60ppm/℃，与其它三者差异甚大。

由于锡铅焊接之组装方式已沿用40年以上，不但可靠度佳且上至材料下至制程参数与设备均十分成熟，且过去发生的信赖性问题与因应对策已建立完整的资料库，故发生客诉时，可迅速厘清责任归属。但进入Lead Free时代，从上游材料、PCB表面处理、组装之焊料、设备等与以往大相迳庭，且大家均无使用的经验值，一旦产生问题，除责任不易归属外，后续衍生丢失订单、天价索赔的问题可能层出不穷，故不可不慎。

Lead Free组装通用的焊料锡银铜合金（SAC），其熔点、熔焊（Reflow）温度、波焊（Wave Soldering）温度分别较锡铅合金高15℃35℃以上，几乎是目前 FR-4板材耐热的极限。再加上重工的考量，以现有板材因应无铅制程存在相当的风险。

有监于此，美国电路板协会（IPC）乃成立基板材料之委员会，针对无铅制程的要求订定新规范。然而，无铅时代面临产业上、下游供应链的重新洗牌，委员会各成员基于其所代表公司利益的考量，不得不作若干妥协。最后协调出的版本，似乎尽能达到最低标准。因此，即使通过 IPC规范，并不代表实务面不会发生问题，使用者仍需根据自身的需求仔细研判。

以新版IPC-4101B而言，有几个重要参数：

Tg（板材玻璃转化温度）：可分一般Tg（110℃150℃），中等Tg（150℃170℃），High Tg（＞170℃）以上三大类。

Td（裂解温度）：乃以「热重分析法」（Thermal Gravity Analysis）将树脂加热中失重5％（Weight Loss）之温度点定义为Td。Td可判断板材之耐热性，作为是否可能产生爆板的间接指标。IPC新规范建议因应无铅焊接，一般Tg之Td ＞310℃，Mid Tg之Td＞325℃，High Tg之Td＞340℃。

▲在组装之波焊过程，无铅焊料因过于僵硬，容易产生局部龟裂或将铜环从板面拉起造成局部扯裂的状态。

■Z轴CTE，α1、α2

CTE为热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）的简称。PCB在X.Y.方向受到有玻纤布的钳制，以致CTE不大，约在1215ppm/℃左右。但板厚Z 方向在无拘束下将扩大为5560ppm/℃。Z轴CTE采「热机分析法」（Thermal Mechanical Analysis简称TMA）量测板材Tg以内的热膨胀系数（α1-CTE），及Tg以上的热膨胀系数（α2-CTE）。目前α1-CTE之上限为60ppm/℃，而α2-CTE之上限为300ppm/℃。其中α2-CTE更受重视。

因为PCB通孔及焊垫中铜的CTE约为1618ppm/℃，与α2-CTE的差距过大容易引起通孔中孔环的断裂（Crack）、铜环自板材拉起、局部扯裂或爆板分层（De-lamination）的情况。另外，50℃260℃之Z轴整体CTE亦很重要。以IPC 4101新规范，一般Tg之Z轴CTE上限为 4％、Mid Tg为3.5％、High Tg则为3％。

■耐热裂时间（T260、T288、T300）

乃是以TMA法将板材逐步加热到260℃、288℃，或300℃之定点温度，然后观察板材在此强热环境中，能够抵抗Z轴膨胀多久而不致裂开，此种忍耐时间即定义为「耐裂时间」。目前新版IPC暂定一般Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，Mid Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，High Tg：T260为30分钟、T288为15分钟、T300为2分钟。

过去一般人的认知，材料的耐热性往往以Tg为指标，Tg愈高则耐热性愈佳。不少OEM、ODM的设计工程师亦陷入此迷思。事实上，此观念不尽正确。因为传统的FR-4基材乃以Dicy当硬化剂，而Dicy因含极性，其吸湿性高，虽然Tg高其耐热性未必良好。

▲由传统FR-4板材制作的多层板，因不耐高温热冲击，产生树脂与铜箔分离的现象，俗称分层或爆板。

而针对无铅制程开发的基材，因不使用Dicy作硬化剂，虽然一般或中等Tg 亦可达到甚佳的耐热效果。因此，研判耐热性的好坏，以Td及耐热裂时间

（T260、T288、T300）较Tg更为贴切。

除此之外，由于PCB及铜箔基板之绝缘层由树脂与玻璃布所构成，当在高电压状态，通孔与通孔、线路与线路、线路与通孔间形成一个电场。而PCB湿制程甚多，水分中或板面因清洁不良残留的电解质可能经由钻孔产生之微裂缝（Micro-crack）顺著玻璃纱（Filament）的方向迁移产生短路，造成绝缘失效，

此现像称为CAF（Conductive Anodic Filament）。如果板材的吸湿性低，可降低CAF发生的机率。

总之，在无铅焊组装的冲击下，PCB业面临严苛的挑战。使用传统FR-4基材，因已达材料特性的极限，非常可能发生板弯翘、爆板（De-lamination）、孔环断裂、孔壁树脂内缩、微短路、CAF等信赖性问题。宜慎选技术、质量与商誉佳的基材供应商，及早共同研拟Lead Free解决方案，才不致落入穷于应付的窘境。

▲以TGA法将树脂加热失重5%，测得之温度即为裂解温度 Td。Td为基材是否能通过无铅焊接之重要指标。

▲以TMA法将基材加热至特定温度，能抵抗Z轴热胀不致裂开的时间，亦为基材能否通过无铅焊接的重要指标。

▲基材在吸水后，产生CAF绝缘失效的现象。

▲通孔与通孔、通孔与线路、线路与线路三种典型CAF绝缘失效的现象。

无铅标准的进展

Thomas Newton, David Bergman, Jack Crawford - IPC

欧盟（EU）的RoHS指令（禁止在电子和电气设备中使用六种有害物质的指令）已经生效，然而故事远没有到结束的时候。铅金属是受 RoHS指令禁止的六种材料中最基本和研究最透彻的一种物质。在电子组装中，铅可能出现在器件的引脚表面，也可能出现在印制板的焊盘上，或者用于形成焊点的合金材料中。更改一种焊料合金成分往往需要对器件材料和工艺同时进行修改，以保证电子产品制造的可靠性。电子互连行业承认标准（规范）是实施RoHS的基础，其他相关材料限制规范也已经在世界各地广

为生效。

电子行业已经从他们的经历中学到了很多，这能够帮助带动面向巨大变革的标准化进程。即便是积累了

多年的经验，挑战依然存在。

有些挑战是来自立法上的。欧盟成员依然在对这个指令的实施进行不屈的抗争。在试图回答由法规引起的一系列问题，以及之后需要提供各种指导性文字（不同的语言）去回答这些问题方面，依然还存在着理解上的分歧……多轮豁免项目已经得到认可，相关的讨论也在继续中。欧盟RoHS指令对全球电子互连供应链的影响比预期的要大得多。可用性信息在继续增多，然而许多企业仍然不清楚法规对他们是否

有效。

帮助全行业了解标准化信息是IPC使命的一部分。以下提供了一些新的标准和修订的标准的信息，目的在于帮助行业达到RoHS的要求，更有效地在全球市场竞争中取得有利的地位。

器件标准

器件和工艺兼容性是一个首要的关注点，因为无铅合金往往需要更高的熔点温度。铅锡合金在183°C 就能熔化，典型工艺温度窗口在205-220°C；而通常无铅合金，如SnAgCu (SAC 305)，需要在21