一、試驗(yàn)之目的

電路板無(wú)鉛回焊對(duì)厚高多層板除了會(huì)造成板材的爆裂外，其次就是會(huì)將鍍通孔的銅孔壁拉斷，主要原因當(dāng)然是板材在Z軸的CTE不管是α1 (55-60ppm/℃)或是α2(250ppm/℃)兩者的Z軸熱脹率（Z-CTE)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅壁的17 ppm/℃。也就是處于Tg以下者其板材約為銅壁的3倍，Tg以上時(shí)更將拉高到12-20倍之多。為了多層板的通孔在多次回焊中不致被拉斷失效起見(jiàn)，刻意利用溫度循環(huán)試驗(yàn)（TCT） 試圖找出三件事，即

(1)回焊峰溫對(duì)板材與通孔的影響何在？

(2)回焊的次數(shù)可達(dá)幾次？

(3)基材的可靠度又如何？

圖1、此圖為兩種板材與銅層，在不同溫度中其CTE的比較，可清楚見(jiàn)到銅層變化的斜率遠(yuǎn)低于兩種板材的變化。

二、電路板製做

某電路板生產(chǎn)廠家再利用四種板材，分別又製做了共含880個(gè)互連通孔與30mm厚的8層電路板，其孔銅厚度約20 μm 。TCT試驗(yàn)前首先模擬峰溫分別是224℃及250℃之有鉛與無(wú)鉛回焊，然后執(zhí)行air to air溫度循環(huán)試驗(yàn)(TCT)，以觀察板材與鍍通孔的可靠度。該TCT的條件為：

●低溫- 55℃放置5分鐘。

●以14分鐘做為飆升高溫的過(guò)渡時(shí)間，刻意拉長(zhǎng)的原因是讓厚板的內(nèi)外溫度能夠趨于一致，以減少應(yīng)力的作崇。

●高溫125℃放置5分鐘。

●再以14分鐘轉(zhuǎn)移到低溫如此即完成一次循環(huán)

經(jīng)由長(zhǎng)時(shí)間不斷熱脹冷縮的拉扯下，將使得銅孔壁與互連孔環(huán)等銅材結(jié)晶變得較為鬆弛，以致直流測(cè)試時(shí)的電阻也為之逐漸升高，一旦所測(cè)之電阻値超出測(cè)試前的10%時(shí)，即表電路板已經(jīng)到達(dá)失效的地步了 。然后即可進(jìn)行微切片之失效分析。

圖2、此為檢測(cè)電鍍銅可靠度用的菊鏈?zhǔn)诫娐钒?

表1、通孔可靠度TCT試驗(yàn)所用電路板之熱機(jī)性質(zhì)

三、回焊峰溫對(duì)通孔可靠度影審

當(dāng)回焊之峰溫拉高時(shí)，將會(huì)對(duì)板材與銅孔壁造成強(qiáng)大的熱應(yīng)力。故在對(duì)板材與通孔進(jìn)行TCT可靠度試驗(yàn)之前，刻意先將電路板模擬回焊2次到6次，以觀察回焊對(duì)于后續(xù)可靠度的影響何在？過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)回焊峰溫拉高25℃時(shí)，其失效前之溫度循環(huán)次數(shù)竟然會(huì)減少達(dá)25%之多，實(shí)在令人不得不對(duì)回焊曲線(xiàn)確應(yīng)小心處理謹(jǐn)愼取捨，儘量避免峰溫的過(guò)高，以免造成諸多的后患。

圖3、此為HN板材所製的電路板，先經(jīng)5次回焊的預(yù)先考驗(yàn)，再進(jìn)行TCT試驗(yàn)，

圖中趨勢(shì)線(xiàn)即其失效百分比與所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，可明顯看出無(wú)鉛回焊250℃，

要比有鉛回焊224℃在可循環(huán)的次數(shù)上減少了很多。

四、回焊次數(shù)對(duì)通孔可靠度的影審

事實(shí)上不但回焊峰溫會(huì)帶來(lái)強(qiáng)大應(yīng)力，多次回焊的每次強(qiáng)熱也照樣會(huì)在銅孔壁與基材中累積應(yīng)力，此種回焊次數(shù)必然會(huì)對(duì)可靠度造成劣化效應(yīng)。于是德商的硏究者，又將電路板刻意先經(jīng)有鉛無(wú)鉛多次回焊的考驗(yàn)，然后再進(jìn)行有關(guān)可靠度的TCT試驗(yàn)，以觀察彼此間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。下圖 ，即為其等所得之結(jié)果。

圖4、此為全部四種板材製做的電路板，先經(jīng)兩種各5次之回焊，

然后再進(jìn)行TCT試驗(yàn)，從所得對(duì)數(shù)失效率之分佈情形，

也可看出相同循環(huán)次數(shù)下無(wú)鉛回焊的失效百分比，要比有鉛回焊者多出約25-30% 。

圖5、此為HN板材所做之電路板，先經(jīng)多次無(wú)鉛回焊之預(yù)先折磨，再進(jìn)可靠度之TCT試驗(yàn)。

由圖中針對(duì)TCT次數(shù)與失效百分比的四條斜線(xiàn)可知，

先經(jīng)6次回焊者要比2次回焊者，不但在失效上要提早而且比例上也增多。

圖6、此為四種板材所製作的電路板，首先模擬多次有鉛回焊，然后再進(jìn)行TCT試驗(yàn)。

圖示者即為其到達(dá)失效之次數(shù)與事先多次回焊所對(duì)應(yīng)失效比例之循環(huán)對(duì)照?qǐng)D，

亦可見(jiàn)到6次回焊者要比2次者，不但提前失效且比例亦較高。但其間的差距已較下圖中之無(wú)鉛者更為拉近。

圖7、此為四種板材所製做之電路板，先經(jīng)多次之模擬無(wú)鉛回焊，

然后再進(jìn)行TCT試驗(yàn)，所得失效次循環(huán)次數(shù)與回焊之?dāng)?shù)，

以及再對(duì)應(yīng)失效比率三者之對(duì)照?qǐng)D，其回焊次數(shù)間的失效分佈要比有鉛者拉開(kāi)得更遠(yuǎn)。

五、討論

●銅箔或銅壁與基材兩者在CTE上的差異，將成為強(qiáng)熱折磨后的開(kāi)裂與斷孔的直接原因，增加回焊次數(shù)當(dāng)然會(huì)縮短通孔壽命。

●發(fā)現(xiàn)斷孔的主要兇手是回焊峰溫的過(guò)高（例如250℃以上），影響通孔可靠度的次要因素才是回焊次數(shù)的多少，且首次回焊的影響力又大于其他后續(xù)之回焊次數(shù)。

●當(dāng)孔銅延伸率十分良好時(shí)（例如20z%冗以上），通孔耐強(qiáng)熱的可靠度自然也會(huì)好，不過(guò)多次回焊后其延伸率亦將逐漸變差。