一、試驗之目的

電路板無(wú)鉛回焊對厚高多層板除了會(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)，都遠遠超過(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（TCT） 試圖找出三件事，即

(1)回焊峰溫對板材與通孔的影響何在？

(2)回焊的次數可達幾次？

(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低于兩種板材的變化。

二、電路板製做

某電路板生產(chǎn)廠(chǎng)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，然后執行air to air溫度循環(huán)試驗(TCT)，以觀(guān)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(cháng)的原因是讓厚板的內外溫度能夠趨于一致，以減少應力的作崇。

●高溫125℃放置5分鐘。

●再以14分鐘轉移到低溫如此即完成一次循環(huán)

經(jīng)由長(cháng)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)等銅材結晶變得較為鬆弛，以致直流測試時(shí)的電阻也為之逐漸升高，一旦所測之電阻値超出測試前的10%時(shí)，即表電路板已經(jīng)到達失效的地步了 。然后即可進(jìn)行微切片之失效分析。

圖2、此為檢測電鍍銅可靠度用的菊鏈式電路板

表1、通孔可靠度TCT試驗所用電路板之熱機性質(zhì)

三、回焊峰溫對通孔可靠度影審

當回焊之峰溫拉高時(shí)，將會(huì )對板材與銅孔壁造成強大的熱應力。故在對板材與通孔進(jìn)行TCT可靠度試驗之前，刻意先將電路板模擬回焊2次到6次，以觀(guān)察回焊對于后續可靠度的影響何在？過(guò)程中發(fā)現當回焊峰溫拉高25℃時(shí)，其失效前之溫度循環(huán)次數竟然會(huì )減少達25%之多，實(shí)在令人不得不對回焊曲線(xiàn)確應小心處理謹愼取捨，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次回焊的預先考驗，再進(jìn)行TCT試驗，

圖中趨勢線(xiàn)即其失效百分比與所對應的循環(huán)次數，可明顯看出無(wú)鉛回焊250℃，

要比有鉛回焊224℃在可循環(huán)的次數上減少了很多。

四、回焊次數對通孔可靠度的影審

事實(shí)上不但回焊峰溫會(huì )帶來(lái)強大應力，多次回焊的每次強熱也照樣會(huì )在銅孔壁與基材中累積應力，此種回焊次數必然會(huì )對可靠度造成劣化效應。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，然后再進(jìn)行有關(guān)可靠度的TCT試驗，以觀(guān)察彼此間的對應關(guān)系。下圖 ，即為其等所得之結果。

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，從所得對數失效率之分佈情形，

也可看出相同循環(huán)次數下無(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)鉛回焊之預先折磨，再進(jìn)可靠度之TCT試驗。

由圖中針對TCT次數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。

圖示者即為其到達失效之次數與事先多次回焊所對應失效比例之循環(huán)對照圖，

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，所得失效次循環(huán)次數與回焊之數，

以及再對應失效比率三者之對照圖，其回焊次數間的失效分佈要比有鉛者拉開(kāi)得更遠。

五、討論

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

●發(fā)現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的多少，且首次回焊的影響力又大于其他后續之回焊次數。

●當孔銅延伸率十分良好時(shí)（例如20z%冗以上），通孔耐強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。