一、板材漲裂
    （一）、因積熱裂解而爆板
    由前可知，S A C無鉛焊接不但焊溫平均上升2 5-3 O℃，且熔點以上的液態(tài)歷時(TA L)，平均也由60秒拉長到了90秒。此種額外遭受到的高熱量(Therma1 Mass) 會讓板材樹脂在物性與化性上發(fā)生劣化。PCB大幅度的熱脹冷縮中，XY方向由于有了玻纖布的協(xié)力鉗制尚不致出現(xiàn)問題，但限制不多的板厚Z方向?qū)l(fā)生爆板。板子愈厚面積愈大者，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)，樹脂耐熱性能不佳者，無鉛焊接經(jīng)常會發(fā)生局部之分層爆板。
左為片狀電阻器之銲點，溫度循環(huán)中會發(fā)生多處的問題；右為CSP腹底球腳焊點，因CTE落差而造成的斷頭現(xiàn)象

    圖1、左為片狀電阻器之銲點，溫度循環(huán)中會發(fā)生多處的問題；右為CSP腹底球腳焊點，因CTE落差而造成的斷頭現(xiàn)象。
    （二）、樹脂T g的量測與說明
    現(xiàn)行有鉛焊接其板材耐熱性的好壞，都是以硬化后樹脂之T g為判斷標(biāo)準(zhǔn)；T g高的板材，其耐熱性、耐化性、耐溶劑性、與機械強度等，當(dāng)然都要比T g低者要更好。然而到了更高熱量的無鉛時代，各種樹脂的耐熱性，已不再是簡單的T g所能夠全數(shù)表達(dá)的了。
此為TMA試驗所得加溫與Z脹之關(guān)系曲線，利用外插虛接法，其延長虛交點所對應(yīng)的溫度即為T g

    圖2、此為TMA試驗所得加溫與Z脹之關(guān)系曲線，利用外插虛接法，其延長虛交點所對應(yīng)的溫度即為T g。
板厚Z脹之總值，系受T g與α2一CTE的雙重影響，C材之Tg雖高，但卻因α2一CTE太大，其品質(zhì)反不如Tg較低的A材

    圖3、板厚Z脹之總值，系受T g與α2一CTE的雙重影響，C材之Tg雖高，但卻因α2一CTE太大，其品質(zhì)反不如Tg較低的A材。
    電路板廠家中通常量測板材樹脂的丁8 有三種方法，即：熱機分析法TMA、示差掃瞄卡計法DSC、及
動態(tài)機械分析法DMA等三種。其中TMA是利用加熱增厚之原理，取得測値且較具公信力；DSC是利用升溫中熱流量變化的分析法，比TMA約高出5℃。至于DMA則會更高出15℃以上。圖8即為TMA量測樹脂Tg的說明，圖中可見到外插延伸虛接后的第一條直線，與外插虛接的第二直線，此二直線虛交點所對應(yīng)的橫軸，即為T M A 所測到的T g溫度。由此圖中還可看出第一直線的斜率(Slope)代表著T g前的熱脹系數(shù)(C T E)，第二直線的斜率代表著T g后的C T E，前者俗稱α1一C T E，后者稱α2一C T E
    圖3中有AB C三種配方樹脂，用TMA測得C樹脂的T g比A樹脂高，但C樹脂Z方向的α2．C T E卻更大于A樹脂，且亦超過相同T g的B樹脂。于是明顯可知C樹脂在無鉛焊接中，將很容易發(fā)生板厚Z方向的爆裂。故知T g高者并不全然代表耐熱性良好，α2一C T E不可太高(斜率不可太大)才是重點所在。
    （二）、高溫耐爆板T260或丁288
    所謂T260系指所取已壓合之板樣，在高溫環(huán)境中能抵抗爆板，而得以維持完整之歷時(Time to Delamination)。其測試方法系按採分析Tg用的“熱機分析法”(Therma1 Mechanic．Analysis簡稱TM A)為儀器，在密閉試皿中令試樣從底部加熱到2 6 0℃之環(huán)境溫度，測試其抵抗Z方向分層爆板所可能經(jīng)歷的分鐘數(shù)，正確表達(dá)方式是TMA2 6 0，簡寫成T260。
此為對T260與T288測試之圖示說明，當(dāng)板材在高溫中（260℃或288℃)之膨脹出現(xiàn)不可逆之上升時，即表已達(dá)裂解之終點，在橫軸所經(jīng)歷的分鐘數(shù)即為其讀值

    圖4、此為對T260與T288測試之圖示說明，當(dāng)板材在高溫中（260℃或288℃)之膨脹出現(xiàn)不可逆之上升時，即表已達(dá)裂解之終點，在橫軸所經(jīng)歷的分鐘數(shù)即為其讀值。
    採壓合后之多層板為試樣，厚度不拘，一般以1．6 mm為主，但板厚愈厚者愈容易爆板。某些背板業(yè)者經(jīng)常以5 m m以上之厚板試樣進(jìn)行材料選擇之對比，以判別出不同品牌樹脂在Z方向的耐熱本領(lǐng).
    試樣須先在1 0 5℃環(huán)境中烘烤2小時，以除去水份。然后將試樣置入T M A附屬的密閉加熱的試碟上，試樣頂部利用敏感的倒鉤玻璃棒施加5 g壓力，從室溫起以10℃／分的升溫速率加熱試碟，直到2 6 0℃為止即不再增溫。然后在2 6 0℃的恒溫中開始計時，小心觀察板厚的變化。當(dāng)熱脹到某種較穩(wěn)定厚度時，注意其起伏變化情形。直到厚度數(shù)據(jù)大幅飆升，而不再出現(xiàn)間歇起伏漲縮，到達(dá)不可逆情況為止，即已到達(dá)試驗之終點。在此2 6 0℃環(huán)境中抵抗爆板的時間，即稱為之為T260 。
    常見Tg l 4 0厚度1．6 mm之F R署4，其7 2 6 0約在4昂5分鐘之間，對于現(xiàn)行有鉛焊接者只要超過兩分鐘，該等板材于高溫中即堪稱安全了。若樹脂另為聚亞醯胺 (Po1yimide，P I)者，則試溫須再提高到2 8 8℃而升級到T 2 8 8之試驗。目前許多背板或大型板類的用戶，已多改採T 2 8 8以應(yīng)付更為困難的耐熱環(huán)境。 I P C一4 1 0 1 B全新的稿本中(2 0 0 5．2)，對無鉛焊接板材的考試，其T2 60須3 0分鐘以上，而T288也要求至少1 5分鐘為其起碼及格標(biāo)淮，唯有如此才較更為保險。
左為TMA測儀的外形圖，右為試樣放置的加熱平檯及靈敏感重的玻璃壓鉤

    圖5、左為TMA測儀的外形圖，右為試樣放置的加熱平檯及靈敏感重的玻璃壓鉤
    由于無鉛焊接之高溫高熱量的時代即將到來，對板材的Z方向耐熱性又將造成另一番嚴(yán)酷的考驗。而且高階大背板類還將受害更深，以致業(yè)者們對試樣之厚度，已不再採用常規(guī)的1.6 mm，而將要求到5 mm左右或更厚的試樣，以求得無焊接中的保險與安全。目前常規(guī)板材的IPC-4101A與HDI板材用的IPC-4101等耐熱規(guī)格，都急待修訂與發(fā)佈，以方便上下游業(yè)者在無鉛時代有所遵循，
    （三）、板材熱裂解溫度Td
    所謂T d是指板材樹脂的裂解溫度而言，當(dāng)利用“熱重分析法”(7 G A)對板材進(jìn)行加熱測試時，板材中某些較小分子等可揮發(fā)份會逐漸逸走，而呈現(xiàn)失重(We i ght L o s e)的現(xiàn)象。當(dāng)其失重到達(dá)5％時之溫度，即稱之為裂解溫度T d。由下圖1 2可見到兩種Tg相同的樹脂，其中傳統(tǒng)配方F R-4的T d為320℃，而改良后增強品質(zhì)的F R-4，其T d已提高到了350℃
此為兩種FR一4板材，利用TGA之5％失重試驗，所分別測到的裂解溫度

    圖6、此為兩種FR一4板材，利用TGA之5％失重試驗，所分別測到的裂解溫度。
    對于無鉛焊接而言，高T d已比高T g更為重要。例如Tg175／Td310之H G L D者事實上已不如T g l40／Td350之L G H D者對無鉛來得更好。當(dāng)然最好是T g與T d兩者都能保持很高，就更有把握可以無鉛三焊過關(guān)了。但T d的提高全要看樹脂的配方如何，已成為無鉛時代的關(guān)鍵所在。
左為TGA測儀之外觀，由于對重量很敏感，故放置在大理石平臺上。右為試樣之精密托盤

    圖7、左為TGA測儀之外觀，由于對重量很敏感，故放置在大理石平臺上。右為試樣之精密托盤
    目前已有許多O E M客戶，逐漸感覺到減重5％所定義的T d太鬆寬了，甚至想要改變成為失重3％的T d新定義，以應(yīng)付無鉛焊接，后勢如何還待仔細(xì)觀察。如此一來將使得樹脂配方的改進(jìn)，已臻于幾無止境的努力。
    （四）、板材Tg與Td的關(guān)系
    常見標(biāo)準(zhǔn)型F R署4不管T g高低如何，均屬低T d類之不耐高熱之板材。研究者經(jīng)過T260試驗后甚至發(fā)現(xiàn)H G L D者所測得的1 5分鐘，比起L G L D者的2 5分鐘還要差上一截。若另改用T288量測時，兩者均又迅速劣化而降到只有2分鐘及4分鐘。由此等耐爆時間的長短可知，無鉛時代T d的重要性早巳超T g了。但若將樹脂再改質(zhì)成為H D時，則兩種T g之T 260均可耐到4 5分鐘。至于更嚴(yán)的T 288試驗，其L GH D者可耐1 4分鐘，而H GH D者更可耐到4 5分鐘而未爆板。

    圖8、此為四種不同Tg與Td的FR-4板材(7628)其T260與T288方面耐爆板時間之比較。
    某些業(yè)者并利用T GA多次高溫之測試法，去模擬無鉛焊接。首先將峰溫定在235℃，發(fā)現(xiàn)9次測試后上述四種板材的區(qū)別不大。但若將峰溫提高260℃時，則可明顯看出H G L D與L G L D兩者，分別在第三次與第六次分別敗下陣來，即失重已超過5％而出局。但L G H D與H GH D兩者則仍然屹立不搖安然過關(guān)。故知可耐峰溫的高低，才是判斷板材的耐熱是否夠好而不脹裂的關(guān)鍵。但若將可耐爆板時間T d與α2一C T E兩者相比時，則前者又更為重要。
此為四種不同Tg與Td的FR-4板材(7628)其T260與T288方面耐爆板時間之比較

    圖9、當(dāng)板材進(jìn)行TGA試驗時，峰溫不同者其耐爆板性質(zhì)會出現(xiàn)很大的差異。左為模擬有鉛焊接的235℃峰溫，所測四種板了d讀值幾無差異。但當(dāng)峰溫升高到模擬無鉛的260℃時，從右圖即可見到爆板明顯的時間差。
    （五）、因應(yīng)高層厚板的對策
    以上對于Tg與Td的研究都是針對純樹脂而做，爲(wèi)了更進(jìn)一步證實于壓合完工之PCB起見，硏究者特別製作了一種厚達(dá)93mil的10層考試板，并于不同峰溫(220℃、 240℃ 、 260℃ )中，將上述Tg與Td四種組合，分別進(jìn)行6回合的TMA試驗，觀察已有內(nèi)層銅面參與后的其他變化。
    由下表1中所見到T260之耐爆時間，可看出完工高層厚板的耐爆情形，與前述單純板材之各項試驗完全吻合，也更進(jìn)一步說明了無鉛焊接之Td要比Tg更爲(wèi)重要。事實上未來的Td將會主宰板材品質(zhì)的全局。
當(dāng)板材進(jìn)行TGA試驗時，峰溫不同者其耐爆板性質(zhì)會出現(xiàn)很大的差異。左為模擬有鉛焊接的235℃峰溫，所測四種板了d讀值幾無差異。但當(dāng)峰溫升高到模擬無鉛的260℃時，從右圖即可見到爆板明顯的時間差
    表1、四種板材所壓合9 3 mil十層厚板其耐爆時間之比較

    （六）、代替溫度循環(huán)之IST與HATS試驗
    1、快速的IST做法
    IST是指化互連應(yīng)力試驗而言；大陸業(yè)者不知爲(wèi)何稱爲(wèi)"內(nèi)互連"是相當(dāng)莫名其妙的說法，須知Tnner與Inter并無關(guān)系。本試驗法已登錄于2005.1，是一種最近所興起完工板的快速可靠度試驗，可用以替代溫度循環(huán)或熱震盪的傳統(tǒng)做法。由于傳統(tǒng)熱循環(huán)做法相當(dāng)耗時，經(jīng)常需1周以上，，對急于出貨的厚大板類當(dāng)然緩不濟急。于是乃設(shè)計一種眾多通孔與眾多孔環(huán)，彼此首尾互連的試片，在刻意通過高電流迫使各銅導(dǎo)體產(chǎn)生150℃的高溫，然后又?jǐn)嚯娛怪鋮s。
    如此快速循環(huán)中，針對孔壁孔環(huán)與彼此卸接互連處，施展脹縮性的熱應(yīng)力，模擬下游的組裝焊接製程。直到某些孔銅位置產(chǎn)生裂紋，而導(dǎo)致電阻值增大10％為止，即表示已到達(dá)試驗之終點。如此一來既可檢驗板材Z膨脹的程度，而得以判斷出板材的耐熱性如何；又可比較出多種電鍍銅的延伸率品質(zhì)，有兼顧出貨品保與製程改善的雙重功能。IST試驗機組是加拿大一家PWB Interconnect Solutions公司之產(chǎn)品，臺灣代理商為德邁斯科技公司。
    于是研究者利用一種孔徑1 2 mil  板厚1 2 0 mil的1 4層I S T板樣，分別實施3次與6次的230℃與260℃之加熱預(yù)處理，然后繼續(xù)循環(huán)試驗而得到上圖1 8中的各種數(shù)據(jù)。由各數(shù)據(jù)的表現(xiàn)亦可看出，具“高裂解溫度”(HD)之板材者，要遠(yuǎn)比“高T g者”(H G)，更能通過較多熱循環(huán)的次數(shù)。也直接証明了無鉛時代板材參數(shù)中T d的重要性，早巳遠(yuǎn)超過有鉛時代的T g了。

    圖10、左為工ST試驗機組的外貌；右為機頂放置試樣的6個測位(Atotcch)。
左為工ST試驗機組的外貌；右為機頂放置試樣的6個測位

    圖11、左為兩種板材經(jīng)三種預(yù)熱狀況后(230℃)，其工ST失效前之冷熱循環(huán)次數(shù)比較；右為另三種預(yù)熱狀況后(255℃)的循環(huán)次數(shù)比較。
左為兩種板材經(jīng)三種預(yù)熱狀況后(230℃)，其工ST失效前之冷熱循環(huán)次數(shù)比較；右為另三種預(yù)熱狀況后(255℃)的循環(huán)次數(shù)比較

    圖12、此二圖均為IST試驗后電阻增大1 0％不良者，再經(jīng)微切片而看到的情形，左圖為孔銅微裂，右圖為孔銅大裂之對比。
    2、快速大量的H AT S做法
    是另一種較后推出的類似做法，機器商名稱為HATS。此種新型試驗機，號稱可符合M I L一STD一202之107法之精神。此機不但高低溫可拉大到一6 O℃到+1 6 O℃，且一次環(huán)形排 列可做3 6個試樣，遠(yuǎn)比上述IST的一次6樣更為有利，能大幅提高試驗效率。此機出品商IRTS公司，已與著名的PCB品質(zhì)顧問公司Microtek及CAT兩公司結(jié)盟，并為PCQR2資料庫所採用，可做為無鉛焊接時代PCB出貨的一種品檢方法，該機的銷售目前由港建公司代理。
此為HATS機組的外形及36個環(huán)形排列的式樣畫面

    圖13、此為TS機組的外形及36個環(huán)形排列的式樣畫面
    （七）、無鉛焊接板材失效的實例說明
    目前H D I手機板為方便雷射成孔起見，乃多採用背膠銅箔(R C C)為增層 (B u i l d Up)的板材。然而此種背膠樹脂為了要通過貼合加工的持取動作，盡量避免B-stag e樹脂發(fā)生裂痕起見，其RCC必須具備柔軟性。于是在純環(huán)氧樹脂中又不得不加入各種助劑，造成壓合后增層，以致下游無鉛焊接中頻頻發(fā)生爆板分層的苦惱。
此二圖為RCC所增層的手機板，由于背膠本身之Td之不足，致使無鉛焊接后造成增層的開裂，左為50倍放大，右為400倍所見情形

    圖14、此二圖為RCC所增層的手機板，由于背膠本身之Td之不足，致使無鉛焊接后造成增層的開裂，左為50倍放大，右為400倍所見情形。
    事實IPC-4101的B版的最后稿本，到了2005.2才將T d項目列入規(guī)范主文中()，而且還很客氣的只規(guī)定為選做試驗，對于要命的無鉛焊接而言，實在有點老夫子式的過份迂腐。幸好在多功能環(huán)氧樹脂板材的 “規(guī)格單”中，于其第1 5項內(nèi)，已列入T d允收的起碼溫度為3 4 O℃。面對．全面無鉛焊接的到來，至少對P C B業(yè)者們已提供了某些保障?？蓢@的是，忙碌的基材板業(yè)與電路板業(yè)，至今仍然彼此渾然無知，一直要等。到災(zāi)禍臨頭時，才手忙腳亂利用開會方式來解決問題。業(yè)者們不從根源Root Cause上著手解困，而只求分?jǐn)傌?zé)任找人賠償者，真相將永遠(yuǎn)難明。
    海峽兩岸的PCB業(yè)者們，曰以繼夜終年累月的忙碌，也只是不斷的傻干蠻干與苦干而已。這種不求真知的石器時代工作邏輯，面對內(nèi)容複雜的電子工業(yè)實在不敢恭維!唯有大量吸取最新知識，才是根除全新困難的最佳捷徑。

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