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、α2CTE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217°C才能熔化，典型工艺温度窗口在230-250°C。

更好的工艺温度要求器件供应商对潮敏器件（MSD）的等级进行调整。

IPC/JEDEC J-STD-020标准“Moisture/ Reflow Classification for Non-hermetic Solid State Surface Mount Devices”，已经就无铅工艺带来的需求变更做了相应的修订。

目前修订的文件J-STD-020中，特别规定了潮敏等级（MSL）测试是根据器件的厚度和数量来进行的，并且将某些器件的MSL测试温度调高到260°C。

相关的 IPC/JEDEC J-STD-033 标准文件“Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Re flow Sensitive Surface Mount Devices”，提供给器件制造商和用户有关使用、包装、运输的标准化方法，以及如何根据J-STD- 020标准规定的潮敏等级MSL来使用潮敏SMD元器件。

这些提供的方法能够避免因回流焊温度给潮敏器件可能带来的损害，而这些损害会导致产品的质量和可靠性问题。

它还提供了对超过规定存放时间的器件如何进行烘烤处理的建议。

同时它规定，从封装之日起，在真空干包装袋中的器件最多只能存放12个月，超过时限必须进行相关处理。

IPC/JEDEC J-STD-033 中相关标准的使用将为用户提供更多的安全无损的回流焊效果。

IPC/EIA J-STD-002 标准文件“Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires”，已经进行了更新，包括针对无铅器件引脚镀层的新的可焊性测试规定。

很多器件制造商已经将器件引脚镀层从铅锡合金转为纯锡或高纯度锡（>95％锡含量）的无铅镀层。

这些镀层引发了关于锡须问题。

关于锡须的存在，很多研究机构都进行了积极地研究。

然而，为了对各种研究进行可行的比较，急需建立一个加速锡须生成的标准测试方法。

同时，制造商们需要标准的测试方法去评估采用锡镀层器件的效果。

IPC和JEDEC已经开发出对锡须进行测试的标准化方法。

JEDEC已经发布了JESD22A121标准文件“Test Methods for Measuring Tin Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes”，其中对锡须加速测试和定义如何检查锡须的测试条件进行了规定。

得益于IPC的成果，JEDEC出版了第二份标准——JESD 201“Environmental Acceptance Requir ementsfor Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes”。