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无铅焊接与覆铜板选择（二）
时间：2008-11-5 22:39:08　　 来源：pcbcity 　　文号：大 中 小

 

　　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的麻烦。必须从CCL、PCB，与PCBA等上下游领域，分别从体制内找出对策或改采其它高Tg用固化剂，进行合作性的总体解困方可过关。现分述于后：

4.1板材CCL方面的改善
　　(1)拉高Td
　　提高树脂的Td同时可获延长T288历时与降低α2 Z-CTE的好处，目前IPC-4101B对6项可耐无铅焊接板材的起码Td值，已订定为320℃。Td值不宜太高以免PCB丧失可制性，须知刚性变得太强与韧性不足下其脆性势必太大。提高Td的方法不外增加多功能树脂的用量，改采PN型固化剂或其它高Tg用的固化剂，与添加无机填料等。
　　(2)中Tg与PN固化
　　为了兼顾板材的韧性起见，常用板材之Tg以150℃左右为宜，也就是说多功能树脂不宜太多，并将固化剂改Dicy为PN，似乎已成为目前无铅板材最有效可行的途径，并已成为一般性FR-4因应无铅焊接的基本手法了。然而已用了多年的固化剂Dicy，不但价格便宜架桥能力超强，而且对树脂本身的团聚黏合力量特佳，甚至对铜箔附着力也有正面助益。一旦全数改为PN后则不但板材本身易于开裂，而且铜箔抗撕强度(Peel Strength)也为之荡然，故宜采PN与Dicy共存的方式以减少负面效应。
　　(3)掺入无机填料
　　有机树脂掺入无机填料的办法，事实上在一般塑料业界使用已久，具有降低成本与改善机械强度的好处。目前改质(大陆称改性)的FR-4以20％by wt的SiO2为主流，此等硅砂(Silica Dioxide，大陆术语称微硅粉)又以微球状的效果比不规则外形者要好，但成本却贵了10倍。在树脂之掺入动作不但要使其均匀分布，而且最好先使之完成偶合处理，以减少彼此后来容易聚集与分离的麻烦(见图10)。凡清胶水(Varnish) 加入固形填料后其黏度一定变大，于是CCL流程的含浸与上胶等参数当然需要修正。

　　(4)有机性填料(Organic Filler)
　　添加有机性Fillers(例如日本钟渊化学的Core Shell Rubber，CSR)不但可减少强热中板材的微裂，并还可强化板材的韧性，然而在成本太高的情况下此法仍难以实现。不过也可另起炉灶从降低基础环氧树脂的分子量做起，例如将丙二酚(Bisphenol A，大陆术语为双酚A)改为甲二酚(Bisphenol F，大陆术语为双酚F)，以缓冲掉为了拉高Tg而猛加多功能树脂所带来的脆性。然而双酚F的成本提高与现货供应不足，以及下游量产制程的进一步印证等，仍是短期内尚待努力的方向。
　　(5)Non-Dicy与Non-PN
　　为了减少多层板在无铅回焊中的爆板，与后续可靠度得以更好起见，部份CCL业者着眼于市场区隔而暂不考虑成本下，试采Non-Dicy、Non-Phenolic而改用其它固化剂，与加强韧性等多管齐下的手法去改善树脂，此种特级品FR-4板材之Tg已提升到200℃，Td拉高到370℃，总Z-CTE(50℃-260℃)亦降低到2.8%，以因应某些高阶市场的需求(例如封装载板)。此种代表性的E板材(见表5)目前已经上市(例如Isola的IS415)。

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