《强热爆板与承垫坑裂的不同》由会员分享，可在线阅读，更多相关《强热爆板与承垫坑裂的不同（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、强热爆板与承垫坑裂的不同一、无铅强热与爆板无铅化以来一般人的口头禅，总是说无铅焊料的熔点较高，因而会造成板材与零组件较多的伤害，这 种似是而非的欧巴桑式说法其实只对了一半。由于无铅焊料（例如 SAC 305 式锡膏）的焊锡性较差，再加 上表面张力又较大（亦即内聚力较大，约比 63/37者大了20），故其向外向上扩张的焊锡性已无法与 63/37者同日而语。为了使无铅焊接的质量与可靠度较好起见，不得不延长其与基地金属（PCB板面为电 镀铜与化学镍）的反应时间，于是不但迫使操作温度上升，且所必须形成IMC （Cu6Sn5与NiSn4）的反应 时间亦须延长。换句话说应该是所需热量（Thermal Ma
2、ss）早已超过有铅焊接甚多才是正确的叙述。工13占 &16 iW皿 iU 1U AM3*93K St 3 牠打图 1 此图为有铅回焊与无铅回焊两者 Profile 的比较。绿色线涵盖面积（热量）较大者，即为现行 SAC305 的 曲型曲线。所辖面积（热量）较小则为先前之有铅回焊。在避免过度高温强热所造成爆板的前题下，无铅回焊Profile之峰温不宜超过250 C。为了维持热量相同而又不伤及PCB与零组件起见，可将较低峰温的时间予以延 长，也就是延长其平顶式峰温（240-245 C）至10-25秒（视板面大小而定）。此种选择较低温的安全的热 量， 以躲开冲高峰温的危险热量才是智者所应为。此种避险
3、术对无铅焊接而言将至为重要。事实上从上图1所显示的回焊曲线Profile可知，无铅SMT焊接处于熔点（SAC305者约为217C ）以 上的历经时间约在50秒（小板与简单零件）到90秒（大板与复杂零件）之谱，此等温度与热量当然已超过了各种板材的Tg甚多。就已经置身于此种酷热环境中的组装板而言，早已变成刚性不足软弱有加的a 2 橡胶态了(Elas tic St age)，当然对任何Z方向的外来拉扯力量也就毫无招架之功矣。55Q1009Q0TEmpasture-CT = 22OC2 DO煞60-245 g 2.6 %痰60-220 -2.4%LF-150LF-150 filledLF-17U円pp
4、mVKeoJ5ppm/K250LF1 5Dlfi ruedl M 7CI -丄斗台G图 2. 此图为 Dow Chemical 魏天伦先生在 2006.3.CPCA 论坛中所发表者，主旨在说明 a 2 的 Z-CTE 太大才是爆 板的主因。三条 TMA 所绘曲线左端斜率较小者为 a 1 玻璃态，右端斜率变大者则已进入 a 2 之橡胶态。注意 Tg150 的蓝线与Tgl70的红线，两者在有铅回焊的220 C时Z-CTE相同，所面临的危险度也彼此相似。但在无铅回焊 时，高Tg红线的Z-CTE反高于较Tg的蓝线，亦即红线爆板的机会已大于蓝线，故知高Tg的板材并不一定就能 耐强热。图3.此二图均为最新
5、的手机板所呈现，用以代替PTH通孔的ELIC堆叠盲孔，左图共7个盲孔之精度堆叠，而 使得8层铜面完成互连。右图说明其细部做法是先从双面板开始，也就是先在其单面铜箔上蚀刻出铜窗(Window ), 再用雷射烧出盲孔并经电镀铜填平盲孔。然后再利用胶片进行双面压合，并继续烧出盲孔与镀铜完成多次增层， 如此重复流程完成增层式手机板。不过，此种ELIC做法虽然好处颇多，但却在无通孔铆钉效应之协力下，无铅 焊接中之容易爆板也是无可奈何的事。单就FR-4板材而言，其XY热胀率（CTE）约在14-16ppm/C之间，此种胀缩不大的优良质量，实乃拜 玻纤布钳制补强之所赐！然而板材在Z方向的热胀则已全无任何助力可
6、持，幸而完工PCB上若尚设有众多 通孔时，则在孔壁铜材本身的热胀率为17ppm/C，以及良好通孔之铜厚（1mil以上）与优异延伸率（Elongation,此词常听到下里巴人说成为延展性）到达20%者，则亦将会呈现一种铆钉式之钳制效应（Rivet Effect）,而有助于压抑板材Z热胀与减少其迸裂的危机。现行手机板（例如3+2+3者）在填充 盲孔之镀铜技术成熟下，渐以任意层间堆叠盲孔法（Every Layer Interconnection； ELIC）代替一般镀 通孔。一则可降低成本与避免树脂填塞通孔的困难，再则可减少机钻而缩短流程。然而却在全无铆钉效应 下，其特别容易爆板的现象也就不言而喻了
7、。从众多最新文献与笔者近日大量制作爆板的切片看来，真正造成分层爆板的主要原因应该是：板材a 2 橡胶态的Z-CTE太大所致！ IPC-4101B对全新六项“似可适用于无铅焊接（May be suitable for use in lead-free soldering）的板材”（即/99、/101、/121、/124、/126 与/129 等六项全新编号的板材）， 系以全新规定的四项办法做为解决方案，亦即：1. 树脂中添加无机填充料（Fillers）2. 规定热裂温度Td的起码门槛（例如/99为325C）3. 订定六项板材a 2的Z-CTE上限为300ppm/C4. 订定最起码之耐热裂时间，例
8、如TMA288 （T288）之下限为5分钟等。不过即使六项规格之商品板材全数达到此等最新要求，也无法保证其PCB在下游组装的回焊制程中就不致 发生爆板。当然其中还另牵涉到PCB本身制程的影响（例如压合管理与PTH以及电镀铜等制程的因应）， 以下游回焊炉与回焊曲线（Profile）的好坏与优劣，甚至零组件在强热中与板材CTE的差异等。而后者 所造成软弱的板材被零组件所拉裂者，则尚非CCL或PCB业者所能掌控。二、自我胀爆与外力拉裂的差异2.1 自我胀爆的原因与现象各式多层板爆板的主要原因，是树脂本身在强热a 2橡胶态中其Z-CTE太大所致。此种厚度方向的胀 裂，将出自于玻纤与树脂之亲合力欠佳、树
9、脂与铜箔黑化皮膜之附着力差强，或树脂本身硬化度（ Degree of Cure）不足而自我开裂等不同失效模式。再加上其它多项内在与外在因素的推波助澜下，欲使无铅焊 接全身而退彻底免于爆板者几不可能，此等额外火上加油等因素案例约有：1. 多层板众多 PTH 密聚的热量集中区。2. 全无PTH协助钳制的大铜面区域也容易爆板。因PCB其Z方向热胀含a 1与a 2两者的总Z-CTE约为3.5%，而铜孔壁的CTE为17ppm/C，且当铜厚超过lmil以及延伸率可达20%时，则该等PTH铜壁应已 具有抗爆的铆钉效应。3. 新式任意层互连（ELIC）之HDI手机板已无正统之PTH，而代之以多枚填铜式堆叠盲孔
10、的做法，此全无 铆钉加持之多层板也容易发生爆板。4. 多层板受到机械外力冲击，以致结构受损区域也容易爆板，例如加工粗糙的V型切口（V-cut）或冲切 外形（Punch）等。5. 至于下游组装客户回焊炉的质量不佳，与无铅回焊曲线（Profile）量测的手法欠妥与管理不善等，也 会造成某些爆板。例如：回焊曲线起步阶段的升温速率（亦称斜率）太快，导致 PCB 板面过热而板内还来 不及升温时，在彼此热胀不均的剪力下，结构较弱处容易发生起泡现象，此升温段（Ramp up）的斜率须 按板面大小与零件多少而有 1C-3C/sec 的调节范围。6. 良好回焊炉应保持PCB板温差不超过5C，空炉之待焊区（可利用
11、铝板或特殊的测温板搭配测温仪去量 测）其温差不宜超过2C。且长方型的板子应采横向行走的模式，以拉近前后板面的温差。如此方可减少 板面热量的落差与爆板。7. 大型厚板或多颗BGA之组件者，宜采用鞍部（150C-190C ）较长的回焊曲线，尽量达到全板面与板体 内外的均温性（注意树脂与玻纤均为不良导体），以减少爆板。峰温前的斜率也应视板子大小而控制在 l-3C/sec左右，一般组装板其峰温也不宜超过245C。需求热量较多之大板者可采延长峰温的做法，也 就是平顶型的Profile，且峰温时间可延长到20秒，如此将可避使用危险高温区（250C以上）的不良热 量。图 4 左图为 12 层板叠构之内层大铜
12、面区，无铅焊接强热中经常会造成各内层间的多处微裂。通常多层板只要 外层未出现起泡或分层隆起者，众多内层间之多处微裂将永不为人知，但可靠度方面（例如CAF）却不免隐优重重。右图为更高多之 22层板，因为有了厚度已够（ 1mil 以上）延伸率也颇良好（ 20%以上）之优异通孔铜壁 在所形成铆钉效应的协力下，已大幅减少板内微裂的缺失了。然而一旦厚铜多层板者则又另当别论矣！图5即使有了良好品质PTH的铆钉效应，但在板材a 2的Z-CTE太大之际，下游多次不良Profile的回焊后， 多层板或厚铜多层板仍难逃爆板与微裂的宿命。高厚多层大板的无铅回焊，其板材宜采高 Tg（ 一般商用板则可 采中Tg韧性较佳
13、者），PN硬化与添加Filler之做法才是无铅的正途。（以上三图取材自2005年德国Multek 公司 EIPC 发表之论文）。图6此为具多枚BGA大板类于有铅回焊之长鞍型Profile，长鞍的目的就是让厚大板的板面与板内尽可能的取 得均温，且还可让多枚BGA的腹底也在获取足够热量后，才开始往强热的峰温攀升，以减少爆板与 BGA内球的 冷焊。无铅回焊的 Profile 虽在温度方面有所拉高，但传热的原理却仍然未变。2.2 板材遭斜向拉裂的 Pad Crater上述者均为强热中板材自身 Z 膨胀所呈现的各种迸裂现象，然而组焊中还将由于零组件在 X、Y 或 Z方向的热膨胀与PCB板材之间差距太大时
14、，其橡胶态已软化的板材树脂，还可能另被零组件（元器件）-并将铜垫与垫底基材连根带土的拔起。此种斜向的拉断与板材的水平开裂者完全不同，特称为PadCrater承垫坑裂。例如BGA所具刚性较大之无铅锡球，与大型陶瓷电容器较僵硬者，其无铅焊接中不时会将铜垫 与底部树脂基材连根拔起。刚性较弱熔点较低的有铅锡球，在强热中受到拉扯时经常会被拉长变形而消除 其应力；至于刚性较大（即模量Modulus较大）的无铅锡球，在BGA角球不易拉长下经常会将铜垫与下面 的基材一并拽起。事实上此等斜向拉扯开裂的基材，倘若尚未造成导线断路时，其等局部之浮裂将永不为 人知，也很少会酿成什么灾害。正如多层板焊后内部的各种微裂若
15、尚未拉断通孔铜壁时，也从不会被认定 为是什么质量缺点。然而一旦断线或断孔时，则势必代志大条了。p 生 L5EuJolEUHwcotEb-t-aringnim3in& constant图 7 由左示意图可见到无铅球甚为僵硬， 而有铅球脚则比较柔软，因而一旦受到外力时（热应力或机械应力）， 僵硬的锡球会直接将应力转移给顶部 BGA 载板的焊点，进而造成颇多不为电测所得知的内伤。右图说明无铅与 有铅两者在应力与应变所组成杨氏模具线（Youngs Modulus，或称模数）之比较，当模具较大（即斜率较大或 刚性较大）的无铅球，受到一定外力冲击下其应变显然不足。但有铅球却因斜率较小下（刚性减少挠性增多） 其应变已显然增大，也就是说受到外力时，容易变形的有铅球反而能够吸收冲击减少焊点的故障。图 8 左为无铅球回焊强度中所呈现的 Pad Crater ，由于未造成任何断路，故电测法将永难侦知。然而在已开裂而出现通路下， CAF 将有机可趁而为害产品了。右图发生的坑裂已将导线扯断，当然也就难逃法网了。三、BGA焊点失效与承垫坑裂由于无铅焊接的强热造成板材树脂已处于a 2软弱的橡胶态，再加上BGA封装载板顶部内硅晶片的CTE 只有3-4Pppm/C，且在强热中载板本身XY的CTE达15ppm/C之际，其两者之差异会迫使BGA载板会发生 凹形上翘(Concave Warpage)。于是此种BGA
