PCB线路板无铅回焊之热循环试验

2017-12-01 PCBA加工 678

一、试验之目的

PCB线路板无铅回焊对厚高多层板除了会造成板材的爆裂外,其次就是会将镀通孔的铜孔壁拉断,主要原因当然是板材在Z轴的CTE不管是α1 (55-60ppm/℃)或是α2(250ppm/℃)两者的Z轴热胀率(Z-CTE),都远远超过铜壁的17 ppm/℃。也就是处于Tg以下者其板材约为铜壁的3倍,Tg以上时更将拉高到12-20倍之多。为了多层板的通孔在多次回焊中不致被拉断失效起见,刻意利用温度循环试验(TCT) 试图找出三件事,即

(1)回焊峰温对板材与通孔的影响何在?

(2)回焊的次数可达几次?

(3)基材的可靠度又如何?

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二、PCB线路板制作

某PCB线路板生产厂家再利用四种板材,分别又製做了共含880个互连通孔与30mm厚的8层PCB线路板,其孔铜厚度约20 μm 。TCT试验前首先模拟峰温分别是224℃及250℃之有铅与无铅回焊,然后执行air to air温度循环试验(TCT),以观察板材与镀通孔的可靠度。该TCT的条件为:

●低温- 55℃放置5分钟。

●以14分钟做为飙升高温的过渡时间,刻意拉长的原因是让厚板的内外温度能够趋于一致,以减少应力的作崇。

●高温125℃放置5分钟。

●再以14分钟转移到低温如此即完成一次循环

经由长时间不断热胀冷缩的拉扯下,将使得铜孔壁与互连孔环等铜材结晶变得较为鬆弛,以致直流测试时的电阻也为之逐渐升高,一旦所测之电阻値超出测试前的10%时,即表PCB线路板已经到达失效的地步了 。然后即可进行微切片之失效分析。

    

三、回焊峰温对通孔可靠度影审

当回焊之峰温拉高时,将会对板材与铜孔壁造成强大的热应力。故在对板材与通孔进行TCT可靠度试验之前,刻意先将PCB线路板模拟回焊2次到6次,以观察回焊对于后续可靠度的影响何在?过程中发现当回焊峰温拉高25℃时,其失效前之温度循环次数竟然会减少达25%之多,实在令人不得不对回焊曲线确应小心处理谨愼取捨,儘量避免峰温的过高,以免造成诸多的后患。


四、回焊次数对通孔可靠度的影审

事实上不但回焊峰温会带来强大应力,多次回焊的每次强热也照样会在铜孔壁与基材中累积应力,此种回焊次数必然会对可靠度造成劣化效应。于是德商的硏究者,又将PCB线路板刻意先经有铅无铅多次回焊的考验,然后再进行有关可靠度的TCT试验,以观察彼此间的对应关系。下图 ,即为其等所得之结果。


五、讨论

●铜箔或铜壁与基材两者在CTE上的差异,将成为强热折磨后的开裂与断孔的直接原因,增加回焊次数当然会缩短通孔寿命。

●发现断孔的主要凶手是回焊峰温的过高(例如250℃以上),影响通孔可靠度的次要因素才是回焊次数的多少,且首次回焊的影响力又大于其他后续之回焊次数。

●当孔铜延伸率十分良好时(例如20z%冗以上),通孔耐强热的可靠度自然也会好,不过多次回焊后其延伸率亦将逐渐变差。