无铅焊接与覆铜板选择

无铅焊接与覆铜板选择

一、前言

欧盟RoHS法令已从2006.7开始执法，虽说禁用物质共有六项，但对PCB

与CCL所造成的影响，其实却只有无铅焊接而已。FR-4板材中所惯用的阻燃剂(Flame Retardent)四溴丙二酚(Tetra─Bromo─Bisphenol A；早期此词一向简称为TBBA，不知为何最近又流行起TBBPA了)，事实上并不属于RoHS所明文指出的多氯联苯PBB与多溴二苯醚PBDE等两项毒害物质。不过的确有某些欧盟国家(如瑞典等)与日本等仍在搅局，想要从板材中彻底废除所有的溴化物，幸好目前IPC与多数国家业界尚不认同这种陈义过高的极端做法。

无铅焊接由于热量(Thermal Mass)大增，也就是焊料熔点比有铅者上升

34~44℃(例如SAC或SCN)，且熔点以上的历时(Time Above Liquidus；TAL)也多出约50秒。此等火上浇油所加成的负面效果，使得组装过程中不但零组件遭创颇巨，且受热面积最大的板材尤其受害最深。通常小面薄形多层板所幸内外温差较少，且又在PCB制程的良好管控下，其外观可见到的爆板尚不致太多。然而厚大多层板与厚铜兼厚板者所受到的灾难则惨不忍睹矣！如此前所来见的痛苦，一时还很难从强热中毫发无伤全身而退。加以板材除了必须具备耐强热之品质外，其它如机械强度、电气特性、耐化性、与制程匹配性等亦均不可牺牲；是故不可能从树脂配方与板材的制作中全数加以改善。经验中迁就某一项性能时，一定会对其他质量带来若干负面影响。天下没有万能的CCL，只能就需求的优先程度而取决其改善的方向。

二、板材规范新增品项与Tg的影响

无铅焊接的强热一定会对CCL覆铜板的三成员(铜箔、树脂及玻纤布)分别造成影响，其中尤以树脂部份所受到的折磨最大。现将其全面性的内容要式整理成两个表格以供参考。

表1、无铅焊接对基材板的负面影响：

表2、无铅焊接基材板新增之关键品项：

表3、讨论四种常见的FR-4板材之品项比较：

事实上多年来在热量较少的有铅焊接世界中，板材的Tg较高者，通常其耐热性也表现得较好。但此种经验法则到了强热的无铅焊接时代，已经不再权威也不再管用了。下图2中的两个画面即为某高Tg树脂的四层板，经峰温260℃的无铅回焊后，切片上所出现的爆板情形。

看官们须知“峰温260℃”只是试验与研究所刻意在Worst Case下所采取的极端手段，要快也较有机会比较出孰优孰劣，正常回焊作业最高也仅250℃而

已。

由图3可知代表性B材之Tg虽只有150℃，但其α2的Z膨胀(斜率)却比高Tg175℃的C材还要小，故知强热中B材的爆板机率也就比C材要低一些了。三、Td的出台与Tg的关系

上述之Tg早已在业界显赫多年，成为有铅焊接中板材耐热性的符号，与一般机械性、耐化性，甚至耐候性的优劣指标。然而自从无铅焊接强大热量纷沓而来并于量产经验之后，发现Tg的高低已不再能表达板材是否耐得更高温度与更大的热量，于是仍有进一步更精确指标的需求；那就是Td、α2/Z-CTE与T288等板材三大品项的出台。IPC-4101B终于在2006年的7月1日经会员们正式投票通过而发行，全球业界对“似可”忍耐无铅焊接的基材板，其质量与可靠度也终于有了具体的正式书面文件了(见表四)。

表4、提高后又经IST的印证确知板材的耐热性的改善：

板材树脂在加热升温过程中，某些聚合不足的小分子、挥发物，以及某些高沸点溶剂等将逐渐逸走，此时树脂会呈现失重现象，进而造成树脂基体(Matrix)的多处小裂口。从起初的微裂到逐渐扩大而成为局部分层或外观可见的爆板。所谓热裂解温度，系指增温中的某种板材树脂，当其失重到达5%所对应的温度，即称之为Td。下图4即为两种板材在通过有铅焊接(210℃~245℃)与无铅焊接(240℃~270℃)等高温区，并先后到达失重5%之Td点之对比示意图。

提高树脂的Td，确实对多次受热的PCB可以减少其爆板机率。通常增高Td 的做法不外将固化剂由原来极性甚强容易吸水的Dicy，改为含苯环分子变大较不易吸水的Phenolic Novolac(PN)。不过，后者架桥能力并不太好，故其添加

量已由先前Dicy的5%bywt，进而大幅增加到25%bywt。其实此种多功能树脂，原本就是传统FR-4提高Tg所必须添加者(其它还会用到Cresol-NE，BisphonolA-NE与Tetrafunctional之TNE等)。此外为了有效降低α2的Z-CTE 起见，另需加入20%bywt的无机填充料(SiO2)，然而此等提高Td后耐热性变好的板材，却也无可避免的会出现负面性双脆(Brittleness)的劣化现象。

板材的刚性(Rigidity)变大之后其韧性(Toughness) 随即变差，并将会立即影响到PCB流程中的压合、钻孔、切外形、切Ｖ槽、除胶渣、化学铜等制程；PCB 业者应尽快配合改善其制程参数，或要求供货商共同采取对策，以因应无铅板材的改变。并还应拉高电镀铜的延伸率(Elongation)至20%以上，以减少厚板深孔被无铅强热拉断的机率。

事实上树脂并非失重到了5%的Td时才会出现要命的分层爆板，即使早在失重0.75%之际，其板材各处就已经陆续发生微裂(Microcracks)了，故知5%失重定义为裂解的起爆点，那只是目前业界的公决而已，并不表示失重低于5%者就不会发生内部微裂。或者说成多层板经无铅焊接后外观相安无事者，也不代表其板体结构中全未存在开裂。烦恼的是此等微裂可能会继续劣化，甚至可能会对CAF或板材绝缘质量造成后患与危机。

四、无铅焊接对板材的冲击与总体对策

无铅焊接对PCB质量与可靠度所带来的烦恼，事实上与板体的大小及厚度有着密切的关系。也就是说强热对小板薄板的负面影响较小，对于厚板大板的不良冲击较大，尤其是内层厚铜的高多层板，在CTE差异下惨遭蹂躏的内伤自必更重，更容易在多次无铅焊接后出现爆板。一般即使外观无恙但内材却可能存在着微裂