一、簡介
電路板焊接一向使用者即為含鉛焊料。過去數(shù)十年間，此種技術早巳廣用于無數(shù)組裝與封裝產(chǎn)品中，所有電路板也都能適應此種成熟的焊接技術。各式品質(zhì)與可靠度之標準、測試方法與規(guī)范等全都根據(jù)此種含鉛焊接技術而訂定。
由于ROHS(歐盟限制有害物質(zhì)使用之指令)主導之禁止鉛，已為整個電路板在板材與制程方面帶來了很大的影響，主要重點即在焊接技術的改變。此種限制所造成的衝擊除了焊接技術以外，還更牽涉到電路板材料之丕變。換言之，即便電路板材料中不含鉛，但卻并不表示與無鉛技術得以相容。新式焊接多已偏好所謂的SAC305合金(錫、銀、銅)，其熔點較現(xiàn)行錫鉛共熔焊料約高出34℃。當前的任務就是如何利用此種無鉛銲料，而能達到舊式有鉛合金之焊接成績。為達此目的，通常其板類必須改採可耐強熱之樹脂與抗?jié)裥粤己玫陌宀摹?br /> 為了跟得上電路板在板材、回焊、與助焊劑方面的最新發(fā)展，業(yè)者們必需投入大量的人力與物力方不致在轉型中出現(xiàn)落差。關鍵知識與可靠度資料的收集，將可讓已充分準備的供應商，在全新焊接市場中爭取到勝利的寶貴一席。
二、電路板無鉛焊接之多層板
綠色產(chǎn)品對高T g與無鹵材料已出現(xiàn)高度的需求。無鉛焊溫將導致板材Z方向膨脹的變大，進而將對鍍通孔的可靠度與內(nèi)層結合的完整性造成負面影響。然而，組裝焊溫的提高對于內(nèi)層壓合制程有何影響，目前所做研究仍然不多，尚待業(yè)者們繼續(xù)深入。本文對于內(nèi)層銅面全新的晶界蝕刻(Intergrain Etc h簡稱IGE)，再搭配替代性處理(即沉錫處理)，使得此種革命性的改進對于多層板結構具有更強之協(xié)同作用，后文中亦將深入說明。
此等廠界蝕與沉錫之雙重混合(Hybrid)處理(商品名為Secure HTg)，在其彼此輔佐下完成了兼具多項優(yōu)點的內(nèi)層表面處理；例如抗撕強度提高、耐熱可靠度增強排除粉紅圈、避免楔形破口、以及便于大面積薄板之水平制程等，均將詳加介紹。
（一）、內(nèi)層銅面全新混合制程(Secure HTg)的說明
此種內(nèi)層在銅面刻意沉積金屬錫層之附著力處理，已證實確可抵抗無鉛焊接之強熱考驗，此新式制程之流程如下：
（1）清潔處理
在銅面進行微蝕之前，需先完成強效之清潔處理，以除去乾膜蝕刻阻劑之殘渣，以及重度污染指紋等。
（2）、啓始處理
本站可保護下一站微蝕液免遭污染物的傷害，并可提供適宜的表面蝕刻電位，使后續(xù)之微蝕效果得以改善。
（3）、微蝕
採用改良式"硫酸/雙氧水"之微蝕液，可針對銅材之晶界進行攻擊，以得到強勁附著力所需的表面地形。此種超級深入性微蝕可得到所需的表面粗糙度，而令其后續(xù)機械鍵結強度更好。相較于傳統(tǒng)黑氧化絨毛抗剪強度之不佳而言，此處銅材所產(chǎn)生之結構已展現(xiàn)了更好的抗剪強度。
（4）、增強處理
完成微蝕后的內(nèi)層銅面，隨即就會沉積一種灰色的金屬錫層，之后即完成可耐無鉛焊接的MLB壓合工序。
（二）、考試板與成績
此種替代性氧化處理的考試板，系選用了一種六層板與十二層板。全板是由多種不同基材組成，并搭配上35μm的銅箔，此等考試板能用于多種可靠度試驗。每一批考試板皆須進行抗撕強度試驗，做為后續(xù)其他試驗的參考值。經(jīng)此初始抗撕強度之測驗后，同批樣品還要進行多次紅外線無鉛回焊流程。之后再另外進行抗撕強度試驗，以比較回焊對板材結合強度可能造成的劣變。通常從這類資料中可看出無鉛組裝對于電路板的負面影響。

圖1、壓合后各類基板材料與三種內(nèi)層銅面處理所得考試板經(jīng)立即測試之附著力  (1b／in)  比較。

圖2、壓合完工又經(jīng)過3次回焊后各種品牌基板其內(nèi)層銅面處理與膠片之附著力(1b／in)比較
此外，為了模擬無鉛回焊過程起見，各樣品皆刻意經(jīng)歷無鉛回焊升溫曲線的考驗，然后再進行T-260與T-288耐熱裂時間的試驗。所選擇之回焊條件為”標淮”無鉛之升溫曲線，經(jīng)歷十次操作后，再對試樣進行T-260與T-288的耐熱試驗。

圖3、利用熱機械分析的結果以比較各品牌在耐熱裂時間方面的長短優(yōu)劣。
（三）、試驗結果與討論
上述內(nèi)層銅面之錫銅混合制程 (Secure HTg)經(jīng)多次試驗后，已證明相當堅強實用。各DOE樣品是在混合制程之“穩(wěn)定狀態(tài)”槽液中進行操作，以模擬標淮生產(chǎn)流程。
從預回焊表現(xiàn)中，已得知傳統(tǒng)黑化反應在標淮FR4與無鹵材料雖已顯示出良好的成績；然而，其預先熱應力試驗之結果不太好，而且此種熱應力試驗后的附著力卻更為重要。以致無法撐過多次無鉛回焊之操作，事實上已發(fā)現(xiàn)附著強度之減損已超過50％。同時也發(fā)現(xiàn)內(nèi)層銅面之替代性黑化法(AO)，晶界蝕刻(IGE)，與AO另加增強劑，以及全新混合制程(SecureHtg)等，其完工多層板試焊后都會出現(xiàn)黏著強度之減損。然而，混合制程的減損卻比其他方法都要來的少。當混合制程應用在無鹵材料時僅出現(xiàn)6％黏著強度的減損，相較于標淮替代性黑化以及正統(tǒng)黑化的28％與54％來都還更好。
而且還發(fā)現(xiàn)混合制程在多種電路板基板材料中均可通過無鉛之回焊，甚至是T260的耐熱試驗也能過關。至于在T288試驗未能過關的某些樣品中，發(fā)現(xiàn)其故障是出自于基材本身的問題，全然與銅面處理無關。由于處于極端強熱條件與隨之而來的膠片失效，T288可能還算不上值得信賴的測試方法。而混合制程成績之優(yōu)異，應出自于錫與銅之間所形成介面共金化合的錫層，在高溫壓合過程中已完全轉變?yōu)榻槊婀步鸹衔飳恿?。但強熱卻會造成銅與錫之間微結構的改變。錫層密度隨介面共金化合物增厚而減少，難免會造成銅與錫兩者晶界附近，經(jīng)常形成不定點的微洞。所有結果均顯示出錫原子會往銅層中去遷移，導致介面共金化合物的成長，且在銅與IMC之間還會另外產(chǎn)生了種”突出性指狀結構物”(ProfiliCfingerlikestructure)，如此一來又將使機械結合力大為增加。

圖4、從FIB所見到內(nèi)層銅面混合處理后在界面間所長出的I MC手指
銅面與環(huán)氧樹脂間的化學鍵結，其特性如何17t前仍很難深入了解。過去曾出現(xiàn)許多相關的理論，但首先應確知銅面形成的是何種皮膜?是早先的黑氧化?或后來還原性的黑氧化?抑或是取代性黑氧化?除尋尸該氧化皮膜是在真空中生成與保存，否則部分氧化銅難免會在環(huán)境中因吸潮而水解，并進一步形成氫氧宮能基 (Hydroxyl Group)，這些氫氧宮能基會繼續(xù)跟環(huán)氧樹脂在微酸中會進行反應，進而形成相互間的化學鍵。 
不同氧化處裡表面所具有黏著強度的差異，是由其表面電荷所決定，也就是取決于“表面等電點”(ISO—electric point of Thesurface；IEPS)。當使用無鹵或標準FR4板材時，新式混合氧化制程所提供的黏著強度將更為優(yōu)越。此種壓合后所出現(xiàn)的高黏著強度，經(jīng)過多次無鉛回焊后，其強度數(shù)值仍可維持在41b／in以上。因此，混合制程在未來的無鉛需求上，將可提供較好的制程穩(wěn)定性。