一、模擬回焊

通常下游的PCBA組裝流程約有五次受熱的經(jīng)歷，即：

(1)正面印刷錫膏及點(diǎn)膠并熱風(fēng)回焊。

(2)反面經(jīng)翻面后再次進(jìn)行錫膏回焊。

(3)插腳零件進(jìn)行波焊。

(4)可能再經(jīng)1-2次之重工補焊等。

因而組裝業(yè)者多半要求PCB廠(chǎng)家的空板，也要按特定的回焊曲線(xiàn)模擬五次以上的回焊，做為是否可耐強熱的出貨參考標淮。 

圖1、左圖為美商IBM針對無(wú)鉛焊接空板考試用的回焊曲線(xiàn)，右為板面感測熱偶線(xiàn)焊牢的三個(gè)位置。

考試板一共要經(jīng)過(guò)5次試焊，不可出現任何爆板與起泡等缺點(diǎn)時(shí)，該空板才算及格。

事實(shí)上即使空白多層板能夠通過(guò)五次模擬回焊的考驗，也難以保証組裝者在回焊作業(yè)上的安全無(wú)羔，仍然會(huì )在實(shí)裝中出現某些比率的爆板。主要原因是板面上多了零組件的額外應力影響所致。

圖2、左上及左下兩圖均說(shuō)明，回焊中的上風(fēng)溫度要比下風(fēng)高出約50-60℃，

由于熱脹不均使得PCB會(huì )出現隆起狀態(tài)，進(jìn)而對形成拉伸應力，

以致最角落的球腳銲點(diǎn)呈現應力危機，右圖即為回焊后已拉裂的眞相。

熱風(fēng)回焊爐的上風(fēng)通常會(huì )比板面的下風(fēng)高出約50-60℃ ，下風(fēng)的目的只是在維持板體的基本熱量，根本無(wú)需與上風(fēng)保持同熱，如此將可避免不必要的能源浪費與對板材的傷害。而且當翻面二次回焊時(shí)，還可減少對第一面已焊妥者的強熱傷害與可能掉件。然而此等上下板面熱量的不同，也必然會(huì )導致PCB兩面熱脹的差異，在回焊中出現板面輕度駝背式的弧形隆起，進(jìn)而引發(fā)致密裝零組與PCB之間的拉扯應力。尤其當回焊溫度與時(shí)間所積分而得到的龐大熱量，不但早已遠遠超板材的Tg ，早已讓板材從低于Tg的α-1玻璃態(tài)， 轉變?yōu)門(mén)g以上α-2的柔軟橡膠態(tài)，此時(shí)一旦又出現頗多局部應力的作用下，造成厚多層板從表層發(fā)生的起泡與迸裂。

圖3、回焊中的PCB早已超過(guò)Tg進(jìn)入軟弱的α-2的橡膠態(tài)，一旦所貼裝零件的CTE與PCB的Z-XTE相差很大，

則其拉扯應力經(jīng)常會(huì )將銲點(diǎn)或板體兩者局部拉裂。

二、板材橡膝態(tài)的軟弱

凡當板面裝有多顆大型BGA或QFN前寺，由于其等封裝載板內部之晶片〈芯片），所呈現的熱脹率（CTE)只有3-4ppm/℃ ，因而會(huì )迫使X與Y軸熱脹率15ppm/℃。的載板，回焊中不得不朝上被拉起而凹翹。此等載板之朝上翹起與PCB母板之向下彎曲，背道而馳相互拉扯下必然會(huì )傷及銲點(diǎn)與脹裂板材。曾有一種對板材的不成文加熱原則，那就是每升溫10℃時(shí)其樹(shù)脂將加倍獲取反應的能量，而且熱風(fēng)回焊過(guò)程中體積與質(zhì)量均屬最大的？其所受熱的程度也遠高于板面的各種零組件。

圖4、此為日本千住金屬9熱2式之回焊曲線(xiàn)，可見(jiàn)到多層板之受熱要超過(guò)零組件，此即爆板隱憂(yōu)之所在。

上圖即為著(zhù)名日本銲料供應商千住金屬所提供的無(wú)鉛回焊曲線(xiàn)，說(shuō)明板材與零組件受熱的比較。由此圖可知，超過(guò)Tg170℃以上的時(shí)間竟達85秒之多，使得處于橡膠態(tài)的板材早已變得軟弱不堪， 只要少許局部外來(lái)的力量即將造成Z方向板材的迸裂。手機板若採背膠銅箔RCC增層者，其可逃過(guò)此劫之機會(huì )的確不多。

事實(shí)上FR-4板材處于Tg以下的α1玻璃態(tài)時(shí)，其Z軸的CTE即已多達55 -60 ppm/℃，并遠超過(guò)有玻纖布所箝制X與Y方向的14 -15pm/℃甚多。一旦進(jìn)入α 2橡膠態(tài)時(shí)，其Z軸的CTE更高達250pm/℃以上，任何局部不平行于板面的應力，都有可能造成外層的起泡或脹裂。

 圖5、左圖為回焊中由于元器件之應力而造成球腳銲點(diǎn)的斷頭，斷腳甚至連多層板也從RCC膠層中強力開(kāi)裂，

右圖中還可見(jiàn)到BGA球腳竟然把PCB上的銅墊也拉斷的眞相。

圖6、此為JEDEC協(xié)會(huì )針對封裝元件耐熱性之考試曲線(xiàn)，其中綠色者為無(wú)鉛焊接所用者，橘色者為有鉛曲線(xiàn)。

可見(jiàn)到兩曲線(xiàn)下含面積（即熱量）相差之大了。事實(shí)上對一般板子無(wú)鉛焊接而言，

這條曲線(xiàn)還是太燙了 ，可視情沉而向下修正。

三、容易爆板的位置與原因

（一）、內層大銅面區域

由于銅材（CTE僅17pm/℃)與樹(shù)脂Z方向的熱脹系數（CTE)相差太遠，因而大銅面區在強大熱量（指溫度對時(shí)間的積分）中很容易爆板。解決的辦法是刻意在大銅面區，佈局少許無(wú)功能的通孔當成鉚釘用，不但能夠協(xié)助散熱還可減少多層厚板的爆板災難。然而前題是PTH孔銅的品質(zhì)一定要夠好，其延伸率應控制在20%以上才有意義。事實(shí)上由于目前電鍍銅製程的長(cháng)足進(jìn)步，使得優(yōu)良藥水供應商在鍍銅層延伸率方面早已超過(guò)30%而非難事?，F行背板業(yè)者與下游客戶(hù)最新協(xié)商的結果，暫定以18%為製程之下限，將來(lái)在無(wú)鉛回焊盛行的壓力下，遲早一定會(huì )攀升到20%的起碼規格。

圖7、對高多層而言，其大銅面區的各內層就很容易發(fā)生多處爆板（見(jiàn)左圖），

但若通孔鍍銅的延伸率良好時(shí)（例如20%以上），即將發(fā)揮鉚釘作用而減少爆板(見(jiàn)中圖），

否則即使層數較少厚度較薄的大銅面區仍可能出現多處爆

話(huà)雖如此，然而仍有很多二線(xiàn)三線(xiàn)的鍍銅製程供應商，其品質(zhì)尚遠遠落后現行厚板要求的18% ，其至連一般多層板所要求的15%也到不了 。當然PCB現場(chǎng)鍍銅槽液的管理與孔銅品質(zhì)的檢查，也都不可馬虎，以減少無(wú)鉛回焊中板材的脹裂。

一旦發(fā)生大銅面區的爆板，很多人直覺(jué)反應就內層的黑棕化皮膜不良，附著(zhù)力不足所致。然而當微切片製做精美，且在裂溝中又做了二次塡膠與進(jìn)一步細磨者，其開(kāi)裂是否從銅箔的黑化層所引發(fā)，即可一清二楚根本無(wú)需浪費口舌了。

圖8、此為14層達2.5mm的多層板，其中一枚經(jīng)由綠漆塞孔無(wú)需填錫的深孔，

經(jīng)波焊后發(fā)生無(wú)法導通的斷孔切片斷（50x)，以及局部拉斷之細部情形(500x)。

雖然板材己出現紋，但主要原因還是電鍍銅品質(zhì)不佳。

（二）、通孔密集區

例如大型BGA的腹底密腳區，其球墊與內層互連的眾多密集通孔，回焊前若未加堵塞時(shí)，則下風(fēng)大量熱能的趁虛而入，造成上下熱量交加又難以散熱之下，加倍煎熬中當然就很容易出現局部爆板，甚至連^八球腳焊點(diǎn)也會(huì )出現過(guò)熱問(wèn)題。且當板子翻面進(jìn)行二次回焊時(shí)，還可能會(huì )造成先前銲點(diǎn)的再熔或強度的減弱。至于多針腳之連接器，不管是採用傳統波焊，或PIH的鍚膏進(jìn)孔回焊， 都會(huì )帶來(lái)額外的應力而容易爆板，亦為相當棘手的問(wèn)題。

然而完工板欲對此等通孔採用綠漆堵塞以隔絕熱風(fēng)時(shí)，可謂工程艱巨困難重重，任誰(shuí)也沒(méi)有把握徹底塞滿(mǎn)而毫無(wú)破綻。至于改用良好品質(zhì)的特定樹(shù)脂塡塞者，其成本之昂貴又非一般電路板廠(chǎng)家所能負擔。堵塞不牢的通孔其后續銲墊之溼式表面處理中，將難以杜絕藥液的滲入。甚至噴錫過(guò)程中還可能發(fā)生錫渣被擠入而形成內藏等煩惱。任何PCB流程的瑕疵，都將會(huì )造成后續致命的傷害。

圖9、此二圖均為無(wú)鉛焊接BGA腹底球墊的佈局情形，左圖可焊面積較大者為小型CSP所用，

右圖為一般常規BGA所用。兩者綠漆均未上墊均屬NSMD〈非綠漆設限）之設計，

因而印刷錫膏的鋼板開(kāi)口也應採Overprint (開(kāi)口比墊面還大）的理念才對。

至于連接器的多腳插裝區，雖然也是多孔密孔地帶，但由于泰半是採用單面暫短強熱的波焊或選焊〈強熱時(shí)間只有4-5秒鐘而已），其災難與痛苦遠不及熱風(fēng)回焊"熔點(diǎn)以上歷時(shí)"長(cháng)達90秒的可怕。加以零件腳本身也能協(xié)助吸熱散熱，因而爆板機率也可為之降低。

圖10、左圖為新式HDI設計之BGA球墊，是以微盲孔直接與內層互連。

中圖為傳統式球墊，仍以PTH全通孔與內層進(jìn)行互連，使得板面佈局顯得非常擁擠，而且無(wú)鉛焊接也容易爆板。

右圖為焊后容易斷頭的畫(huà)面。

（三）、外層局部起泡

多層板早已跳脫一次性的傳統壓合法，不管是採用RCC或膠片的增層，或非HDI逐次壓合的高階多層板類(lèi)，在回焊中其外貼層次受熱的速率與熱量，自必超過(guò)內在的核心板甚多。故一旦下游組裝者的回焊爐不夠理想， 或其回焊曲線(xiàn)仍然延續老舊不當的有鉛做法，甚至對于無(wú)鉛回焊之緩升溫、長(cháng)吸熱、與平頂峰溫之全新觀(guān)念毫無(wú)所悉者，勢必將因組裝者的無(wú)知， 而造成為數可觀(guān)的冤枉爆板。

一般PCB業(yè)者對下游之回焊原理較少深入，而組裝業(yè)者普遍對無(wú)鉛回焊的可怕不但所知有限瞭解太少，而且一向站在買(mǎi)方立場(chǎng)的強勢心態(tài)，一旦爆板則必定怪罪PCB廠(chǎng)。于是割地賠款無(wú)過(guò)認錯的鏡頭也就不斷上演了 ！此等局部外層起泡以大型BGA或QFN附近之板面居多，尤以后者之低矮無(wú)腳QFN最容易出問(wèn)題。至于內層PTH的埋孔孔環(huán)附近，其于外層壓合之前是否做過(guò)良好的黑氧化處理？即使做過(guò)卻又因孔環(huán)面積太少抓地力不足下，是否能順利闖關(guān)？亦為問(wèn)題之所在。其他板邊板角等通孔密集地帶也是高危險區，熱量太大時(shí)出問(wèn)題的機率也不在少數。

圖11、左上圖及右上圖分別為QFN的側視及俯視結構情形，

其外圍焊墊由于強熱中亳無(wú)緩衝的馀地致使板材及銲點(diǎn)都容易拉裂，

故中央區域刻意加設只有散熱用的大銅墊，以加強元件整體性的強度。

但卻會(huì )對PCB造成爆板，左下及右下圖為銲點(diǎn)強度被拉裂，及其試驗過(guò)程的說(shuō)明。

（四）、多次強熱造成多處爆板

無(wú)鉛焊接的PCB仍將延續先前的做法，仍以雙面SMT錫膏回焊為主，外加一次輸送波焊或局部選擇性涌焊。倘若PCB的銲墊表面處理是採用無(wú)鉛噴錫者，等于又多了一次波焊。如此3-4次之強熱折磨下，多層板早已經(jīng)岌岌可危安全不保。一旦板子放置太久以致應力能量之累積，或壓合后未做后烘烤以消除應力者，則板材成員（玻纖、樹(shù)脂、銅層）等彼此間CTE的差異，將逐漸浮出而出現釋放應力的行為，或完工板又已吸入水份時(shí)則更是雪上加霜；一旦獲致強熱而得以舒發(fā)與氣化的機會(huì )，當然就各自展露本性對結合力造成瞬間的傷害了 。此刻若于回焊前能夠執行妥善的烘烤，則可減少爆板的發(fā)生。

凡經(jīng)上述三次常規焊接之外尚有其他強熱者，例如利用回焊或波焊進(jìn)行補焊，或更換主動(dòng)元件之重工修焊者，都有可能造成爆板，業(yè)者不可不小心處理。根據生產(chǎn)線(xiàn)長(cháng)期的經(jīng)驗可知，無(wú)鉛回焊對多層板的傷害，約等于無(wú)鉛波焊的2-3 次以上，故一旦發(fā)現某些局部焊接瑕庇時(shí)，應儘量以手焊的做法，取代原本大動(dòng)作再次上線(xiàn)的回焊與波焊。

 圖12、此二圖均為電流用的厚銅多層板，經(jīng)無(wú)鉛焊接一次即爆的切片圖，

主因是板材的樹(shù)脂系統不耐強熱長(cháng)時(shí)間的折磨，下游組裝的回焊曲線(xiàn)也有問(wèn)題。

本頁(yè)所附錄者，即為六項可耐無(wú)鉛焊接板材第一份/之99之全部?jì)热?