一、板材漲裂
    （一）、因積熱裂解而爆板
    由前可知，S A C無(wú)鉛焊接不但焊溫平均上升2 5-3 O℃，且熔點(diǎn)以上的液態(tài)歷時(shí)(TA L)，平均也由60秒拉長(cháng)到了90秒。此種額外遭受到的高熱量(Therma1 Mass) 會(huì )讓板材樹(shù)脂在物性與化性上發(fā)生劣化。PCB大幅度的熱脹冷縮中，XY方向由于有了玻纖布的協(xié)力鉗制尚不致出現問(wèn)題，但限制不多的板厚Z方向將會(huì )發(fā)生爆板。板子愈厚面積愈大者，愈容易爆板。通常一片P C B可能要焊到三次以上(熔焊、波焊、重工手焊)，樹(shù)脂耐熱性能不佳者，無(wú)鉛焊接經(jīng)常會(huì )發(fā)生局部之分層爆板。
左為片狀電阻器之銲點(diǎn)，溫度循環(huán)中會(huì )發(fā)生多處的問(wèn)題；右為CSP腹底球腳焊點(diǎn)，因CTE落差而造成的斷頭現象

    圖1、左為片狀電阻器之銲點(diǎn)，溫度循環(huán)中會(huì )發(fā)生多處的問(wèn)題；右為CSP腹底球腳焊點(diǎn)，因CTE落差而造成的斷頭現象。
    （二）、樹(shù)脂T g的量測與說(shuō)明
    現行有鉛焊接其板材耐熱性的好壞，都是以硬化后樹(shù)脂之T g為判斷標準；T g高的板材，其耐熱性、耐化性、耐溶劑性、與機械強度等，當然都要比T g低者要更好。然而到了更高熱量的無(wú)鉛時(shí)代，各種樹(shù)脂的耐熱性，已不再是簡(jiǎn)單的T g所能夠全數表達的了。
此為T(mén)MA試驗所得加溫與Z脹之關(guān)系曲線(xiàn)，利用外插虛接法，其延長(cháng)虛交點(diǎn)所對應的溫度即為T(mén) g

    圖2、此為T(mén)MA試驗所得加溫與Z脹之關(guān)系曲線(xiàn)，利用外插虛接法，其延長(cháng)虛交點(diǎn)所對應的溫度即為T(mén) g。
板厚Z脹之總值，系受T g與α2一CTE的雙重影響，C材之Tg雖高，但卻因α2一CTE太大，其品質(zhì)反不如Tg較低的A材

    圖3、板厚Z脹之總值，系受T g與α2一CTE的雙重影響，C材之Tg雖高，但卻因α2一CTE太大，其品質(zhì)反不如Tg較低的A材。
    電路板廠(chǎng)家中通常量測板材樹(shù)脂的丁8 有三種方法，即：熱機分析法TMA、示差掃瞄卡計法DSC、及
動(dòng)態(tài)機械分析法DMA等三種。其中TMA是利用加熱增厚之原理，取得測値且較具公信力；DSC是利用升溫中熱流量變化的分析法，比TMA約高出5℃。至于DMA則會(huì )更高出15℃以上。圖8即為T(mén)MA量測樹(shù)脂Tg的說(shuō)明，圖中可見(jiàn)到外插延伸虛接后的第一條直線(xiàn)，與外插虛接的第二直線(xiàn)，此二直線(xiàn)虛交點(diǎn)所對應的橫軸，即為T(mén) M A 所測到的T g溫度。由此圖中還可看出第一直線(xiàn)的斜率(Slope)代表著(zhù)T g前的熱脹系數(C T E)，第二直線(xiàn)的斜率代表著(zhù)T g后的C T E，前者俗稱(chēng)α1一C T E，后者稱(chēng)α2一C T E
    圖3中有AB C三種配方樹(shù)脂，用TMA測得C樹(shù)脂的T g比A樹(shù)脂高，但C樹(shù)脂Z方向的α2．C T E卻更大于A(yíng)樹(shù)脂，且亦超過(guò)相同T g的B樹(shù)脂。于是明顯可知C樹(shù)脂在無(wú)鉛焊接中，將很容易發(fā)生板厚Z方向的爆裂。故知T g高者并不全然代表耐熱性良好，α2一C T E不可太高(斜率不可太大)才是重點(diǎn)所在。
    （二）、高溫耐爆板T260或丁288
    所謂T260系指所取已壓合之板樣，在高溫環(huán)境中能抵抗爆板，而得以維持完整之歷時(shí)(Time to Delamination)。其測試方法系按採分析Tg用的“熱機分析法”(Therma1 Mechanic．Analysis簡(jiǎn)稱(chēng)TM A)為儀器，在密閉試皿中令試樣從底部加熱到2 6 0℃之環(huán)境溫度，測試其抵抗Z方向分層爆板所可能經(jīng)歷的分鐘數，正確表達方式是TMA2 6 0，簡(jiǎn)寫(xiě)成T260。
此為對T260與T288測試之圖示說(shuō)明，當板材在高溫中（260℃或288℃)之膨脹出現不可逆之上升時(shí)，即表已達裂解之終點(diǎn)，在橫軸所經(jīng)歷的分鐘數即為其讀值

    圖4、此為對T260與T288測試之圖示說(shuō)明，當板材在高溫中（260℃或288℃)之膨脹出現不可逆之上升時(shí)，即表已達裂解之終點(diǎn)，在橫軸所經(jīng)歷的分鐘數即為其讀值。
    採壓合后之多層板為試樣，厚度不拘，一般以1．6 mm為主，但板厚愈厚者愈容易爆板。某些背板業(yè)者經(jīng)常以5 m m以上之厚板試樣進(jìn)行材料選擇之對比，以判別出不同品牌樹(shù)脂在Z方向的耐熱本領(lǐng).
    試樣須先在1 0 5℃環(huán)境中烘烤2小時(shí)，以除去水份。然后將試樣置入T M A附屬的密閉加熱的試碟上，試樣頂部利用敏感的倒鉤玻璃棒施加5 g壓力，從室溫起以10℃／分的升溫速率加熱試碟，直到2 6 0℃為止即不再增溫。然后在2 6 0℃的恒溫中開(kāi)始計時(shí)，小心觀(guān)察板厚的變化。當熱脹到某種較穩定厚度時(shí)，注意其起伏變化情形。直到厚度數據大幅飆升，而不再出現間歇起伏漲縮，到達不可逆情況為止，即已到達試驗之終點(diǎn)。在此2 6 0℃環(huán)境中抵抗爆板的時(shí)間，即稱(chēng)為之為T(mén)260 。
    常見(jiàn)Tg l 4 0厚度1．6 mm之F R署4，其7 2 6 0約在4昂5分鐘之間，對于現行有鉛焊接者只要超過(guò)兩分鐘，該等板材于高溫中即堪稱(chēng)安全了。若樹(shù)脂另為聚亞醯胺 (Po1yimide，P I)者，則試溫須再提高到2 8 8℃而升級到T 2 8 8之試驗。目前許多背板或大型板類(lèi)的用戶(hù)，已多改採T 2 8 8以應付更為困難的耐熱環(huán)境。 I P C一4 1 0 1 B全新的稿本中(2 0 0 5．2)，對無(wú)鉛焊接板材的考試，其T2 60須3 0分鐘以上，而T288也要求至少1 5分鐘為其起碼及格標淮，唯有如此才較更為保險。
左為T(mén)MA測儀的外形圖，右為試樣放置的加熱平檯及靈敏感重的玻璃壓鉤

    圖5、左為T(mén)MA測儀的外形圖，右為試樣放置的加熱平檯及靈敏感重的玻璃壓鉤
    由于無(wú)鉛焊接之高溫高熱量的時(shí)代即將到來(lái)，對板材的Z方向耐熱性又將造成另一番嚴酷的考驗。而且高階大背板類(lèi)還將受害更深，以致業(yè)者們對試樣之厚度，已不再採用常規的1.6 mm，而將要求到5 mm左右或更厚的試樣，以求得無(wú)焊接中的保險與安全。目前常規板材的IPC-4101A與HDI板材用的IPC-4101等耐熱規格，都急待修訂與發(fā)佈，以方便上下游業(yè)者在無(wú)鉛時(shí)代有所遵循，
    （三）、板材熱裂解溫度Td
    所謂T d是指板材樹(shù)脂的裂解溫度而言，當利用“熱重分析法”(7 G A)對板材進(jìn)行加熱測試時(shí)，板材中某些較小分子等可揮發(fā)份會(huì )逐漸逸走，而呈現失重(We i ght L o s e)的現象。當其失重到達5％時(shí)之溫度，即稱(chēng)之為裂解溫度T d。由下圖1 2可見(jiàn)到兩種Tg相同的樹(shù)脂，其中傳統配方F R-4的T d為320℃，而改良后增強品質(zhì)的F R-4，其T d已提高到了350℃
此為兩種FR一4板材，利用TGA之5％失重試驗，所分別測到的裂解溫度

    圖6、此為兩種FR一4板材，利用TGA之5％失重試驗，所分別測到的裂解溫度。
    對于無(wú)鉛焊接而言，高T d已比高T g更為重要。例如Tg175／Td310之H G L D者事實(shí)上已不如T g l40／Td350之L G H D者對無(wú)鉛來(lái)得更好。當然最好是T g與T d兩者都能保持很高，就更有把握可以無(wú)鉛三焊過(guò)關(guān)了。但T d的提高全要看樹(shù)脂的配方如何，已成為無(wú)鉛時(shí)代的關(guān)鍵所在。
左為T(mén)GA測儀之外觀(guān)，由于對重量很敏感，故放置在大理石平臺上。右為試樣之精密托盤(pán)

    圖7、左為T(mén)GA測儀之外觀(guān)，由于對重量很敏感，故放置在大理石平臺上。右為試樣之精密托盤(pán)
    目前已有許多O E M客戶(hù)，逐漸感覺(jué)到減重5％所定義的T d太鬆寬了，甚至想要改變成為失重3％的T d新定義，以應付無(wú)鉛焊接，后勢如何還待仔細觀(guān)察。如此一來(lái)將使得樹(shù)脂配方的改進(jìn)，已臻于幾無(wú)止境的努力。
    （四）、板材Tg與Td的關(guān)系
    常見(jiàn)標準型F R署4不管T g高低如何，均屬低T d類(lèi)之不耐高熱之板材。研究者經(jīng)過(guò)T260試驗后甚至發(fā)現H G L D者所測得的1 5分鐘，比起L G L D者的2 5分鐘還要差上一截。若另改用T288量測時(shí)，兩者均又迅速劣化而降到只有2分鐘及4分鐘。由此等耐爆時(shí)間的長(cháng)短可知，無(wú)鉛時(shí)代T d的重要性早巳超T g了。但若將樹(shù)脂再改質(zhì)成為H D時(shí)，則兩種T g之T 260均可耐到4 5分鐘。至于更嚴的T 288試驗，其L GH D者可耐1 4分鐘，而H GH D者更可耐到4 5分鐘而未爆板。

    圖8、此為四種不同Tg與Td的FR-4板材(7628)其T260與T288方面耐爆板時(shí)間之比較。
    某些業(yè)者并利用T GA多次高溫之測試法，去模擬無(wú)鉛焊接。首先將峰溫定在235℃，發(fā)現9次測試后上述四種板材的區別不大。但若將峰溫提高260℃時(shí)，則可明顯看出H G L D與L G L D兩者，分別在第三次與第六次分別敗下陣來(lái)，即失重已超過(guò)5％而出局。但L G H D與H GH D兩者則仍然屹立不搖安然過(guò)關(guān)。故知可耐峰溫的高低，才是判斷板材的耐熱是否夠好而不脹裂的關(guān)鍵。但若將可耐爆板時(shí)間T d與α2一C T E兩者相比時(shí)，則前者又更為重要。
此為四種不同Tg與Td的FR-4板材(7628)其T260與T288方面耐爆板時(shí)間之比較

    圖9、當板材進(jìn)行TGA試驗時(shí)，峰溫不同者其耐爆板性質(zhì)會(huì )出現很大的差異。左為模擬有鉛焊接的235℃峰溫，所測四種板了d讀值幾無(wú)差異。但當峰溫升高到模擬無(wú)鉛的260℃時(shí)，從右圖即可見(jiàn)到爆板明顯的時(shí)間差。
    （五）、因應高層厚板的對策
    以上對于Tg與Td的研究都是針對純樹(shù)脂而做，爲了更進(jìn)一步證實(shí)于壓合完工之PCB起見(jiàn)，硏究者特別製作了一種厚達93mil的10層考試板，并于不同峰溫(220℃、 240℃ 、 260℃ )中，將上述Tg與Td四種組合，分別進(jìn)行6回合的TMA試驗，觀(guān)察已有內層銅面參與后的其他變化。
    由下表1中所見(jiàn)到T260之耐爆時(shí)間，可看出完工高層厚板的耐爆情形，與前述單純板材之各項試驗完全吻合，也更進(jìn)一步說(shuō)明了無(wú)鉛焊接之Td要比Tg更爲重要。事實(shí)上未來(lái)的Td將會(huì )主宰板材品質(zhì)的全局。
當板材進(jìn)行TGA試驗時(shí)，峰溫不同者其耐爆板性質(zhì)會(huì )出現很大的差異。左為模擬有鉛焊接的235℃峰溫，所測四種板了d讀值幾無(wú)差異。但當峰溫升高到模擬無(wú)鉛的260℃時(shí)，從右圖即可見(jiàn)到爆板明顯的時(shí)間差
    表1、四種板材所壓合9 3 mil十層厚板其耐爆時(shí)間之比較

    （六）、代替溫度循環(huán)之IST與HATS試驗
    1、快速的IST做法
    IST是指化互連應力試驗而言；大陸業(yè)者不知爲何稱(chēng)爲"內互連"是相當莫名其妙的說(shuō)法，須知Tnner與Inter并無(wú)關(guān)系。本試驗法已登錄于2005.1，是一種最近所興起完工板的快速可靠度試驗，可用以替代溫度循環(huán)或熱震盪的傳統做法。由于傳統熱循環(huán)做法相當耗時(shí)，經(jīng)常需1周以上，，對急于出貨的厚大板類(lèi)當然緩不濟急。于是乃設計一種眾多通孔與眾多孔環(huán)，彼此首尾互連的試片，在刻意通過(guò)高電流迫使各銅導體產(chǎn)生150℃的高溫，然后又斷電使之冷卻。
    如此快速循環(huán)中，針對孔壁孔環(huán)與彼此卸接互連處，施展脹縮性的熱應力，模擬下游的組裝焊接製程。直到某些孔銅位置產(chǎn)生裂紋，而導致電阻值增大10％為止，即表示已到達試驗之終點(diǎn)。如此一來(lái)既可檢驗板材Z膨脹的程度，而得以判斷出板材的耐熱性如何；又可比較出多種電鍍銅的延伸率品質(zhì)，有兼顧出貨品保與製程改善的雙重功能。IST試驗機組是加拿大一家PWB Interconnect Solutions公司之產(chǎn)品，臺灣代理商為德邁斯科技公司。
    于是研究者利用一種孔徑1 2 mil  板厚1 2 0 mil的1 4層I S T板樣，分別實(shí)施3次與6次的230℃與260℃之加熱預處理，然后繼續循環(huán)試驗而得到上圖1 8中的各種數據。由各數據的表現亦可看出，具“高裂解溫度”(HD)之板材者，要遠比“高T g者”(H G)，更能通過(guò)較多熱循環(huán)的次數。也直接証明了無(wú)鉛時(shí)代板材參數中T d的重要性，早巳遠超過(guò)有鉛時(shí)代的T g了。

    圖10、左為工ST試驗機組的外貌；右為機頂放置試樣的6個(gè)測位(Atotcch)。
左為工ST試驗機組的外貌；右為機頂放置試樣的6個(gè)測位

    圖11、左為兩種板材經(jīng)三種預熱狀況后(230℃)，其工ST失效前之冷熱循環(huán)次數比較；右為另三種預熱狀況后(255℃)的循環(huán)次數比較。
左為兩種板材經(jīng)三種預熱狀況后(230℃)，其工ST失效前之冷熱循環(huán)次數比較；右為另三種預熱狀況后(255℃)的循環(huán)次數比較

    圖12、此二圖均為IST試驗后電阻增大1 0％不良者，再經(jīng)微切片而看到的情形，左圖為孔銅微裂，右圖為孔銅大裂之對比。
    2、快速大量的H AT S做法
    是另一種較后推出的類(lèi)似做法，機器商名稱(chēng)為HATS。此種新型試驗機，號稱(chēng)可符合M I L一STD一202之107法之精神。此機不但高低溫可拉大到一6 O℃到+1 6 O℃，且一次環(huán)形排 列可做3 6個(gè)試樣，遠比上述IST的一次6樣更為有利，能大幅提高試驗效率。此機出品商IRTS公司，已與著(zhù)名的PCB品質(zhì)顧問(wèn)公司Microtek及CAT兩公司結盟，并為PCQR2資料庫所採用，可做為無(wú)鉛焊接時(shí)代PCB出貨的一種品檢方法，該機的銷(xiāo)售目前由港建公司代理。
此為HATS機組的外形及36個(gè)環(huán)形排列的式樣畫(huà)面

    圖13、此為HATS機組的外形及36個(gè)環(huán)形排列的式樣畫(huà)面
    （七）、無(wú)鉛焊接板材失效的實(shí)例說(shuō)明
    目前H D I手機板為方便雷射成孔起見(jiàn)，乃多採用背膠銅箔(R C C)為增層 (B u i l d Up)的板材。然而此種背膠樹(shù)脂為了要通過(guò)貼合加工的持取動(dòng)作，盡量避免B-stag e樹(shù)脂發(fā)生裂痕起見(jiàn)，其RCC必須具備柔軟性。于是在純環(huán)氧樹(shù)脂中又不得不加入各種助劑，造成壓合后增層，以致下游無(wú)鉛焊接中頻頻發(fā)生爆板分層的苦惱。
此二圖為RCC所增層的手機板，由于背膠本身之Td之不足，致使無(wú)鉛焊接后造成增層的開(kāi)裂，左為50倍放大，右為400倍所見(jiàn)情形

    圖14、此二圖為RCC所增層的手機板，由于背膠本身之Td之不足，致使無(wú)鉛焊接后造成增層的開(kāi)裂，左為50倍放大，右為400倍所見(jiàn)情形。
    事實(shí)IPC-4101的B版的最后稿本，到了2005.2才將T d項目列入規范主文中()，而且還很客氣的只規定為選做試驗，對于要命的無(wú)鉛焊接而言，實(shí)在有點(diǎn)老夫子式的過(guò)份迂腐。幸好在多功能環(huán)氧樹(shù)脂板材的 “規格單”中，于其第1 5項內，已列入T d允收的起碼溫度為3 4 O℃。面對．全面無(wú)鉛焊接的到來(lái)，至少對P C B業(yè)者們已提供了某些保障?？蓢@的是，忙碌的基材板業(yè)與電路板業(yè)，至今仍然彼此渾然無(wú)知，一直要等。到災禍臨頭時(shí)，才手忙腳亂利用開(kāi)會(huì )方式來(lái)解決問(wèn)題。業(yè)者們不從根源Root Cause上著(zhù)手解困，而只求分攤責任找人賠償者，真相將永遠難明。
    海峽兩岸的PCB業(yè)者們，曰以繼夜終年累月的忙碌，也只是不斷的傻干蠻干與苦干而已。這種不求真知的石器時(shí)代工作邏輯，面對內容複雜的電子工業(yè)實(shí)在不敢恭維!唯有大量吸取最新知識，才是根除全新困難的最佳捷徑。