一、簡(jiǎn)介
電路板焊接一向使用者即為含鉛焊料。過(guò)去數(shù)十年間，此種技術(shù)早巳廣用于無(wú)數(shù)組裝與封裝產(chǎn)品中，所有電路板也都能適應(yīng)此種成熟的焊接技術(shù)。各式品質(zhì)與可靠度之標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法與規(guī)范等全都根據(jù)此種含鉛焊接技術(shù)而訂定。
由于ROHS(歐盟限制有害物質(zhì)使用之指令)主導(dǎo)之禁止鉛，已為整個(gè)電路板在板材與制程方面帶來(lái)了很大的影響，主要重點(diǎn)即在焊接技術(shù)的改變。此種限制所造成的衝擊除了焊接技術(shù)以外，還更牽涉到電路板材料之丕變。換言之，即便電路板材料中不含鉛，但卻并不表示與無(wú)鉛技術(shù)得以相容。新式焊接多已偏好所謂的SAC305合金(錫、銀、銅)，其熔點(diǎn)較現(xiàn)行錫鉛共熔焊料約高出34℃。當(dāng)前的任務(wù)就是如何利用此種無(wú)鉛銲料，而能達(dá)到舊式有鉛合金之焊接成績(jī)。為達(dá)此目的，通常其板類必須改採(cǎi)可耐強(qiáng)熱之樹(shù)脂與抗?jié)裥粤己玫陌宀摹?br style="box-sizing: inherit; max-width: 100%;"/>為了跟得上電路板在板材、回焊、與助焊劑方面的最新發(fā)展，業(yè)者們必需投入大量的人力與物力方不致在轉(zhuǎn)型中出現(xiàn)落差。關(guān)鍵知識(shí)與可靠度資料的收集，將可讓已充分準(zhǔn)備的供應(yīng)商，在全新焊接市場(chǎng)中爭(zhēng)取到勝利的寶貴一席。
二、電路板無(wú)鉛焊接之多層板
綠色產(chǎn)品對(duì)高T g與無(wú)鹵材料已出現(xiàn)高度的需求。無(wú)鉛焊溫將導(dǎo)致板材Z方向膨脹的變大，進(jìn)而將對(duì)鍍通孔的可靠度與內(nèi)層結(jié)合的完整性造成負(fù)面影響。然而，組裝焊溫的提高對(duì)于內(nèi)層壓合制程有何影響，目前所做研究仍然不多，尚待業(yè)者們繼續(xù)深入。本文對(duì)于內(nèi)層銅面全新的晶界蝕刻(Intergrain Etc h簡(jiǎn)稱IGE)，再搭配替代性處理(即沉錫處理)，使得此種革命性的改進(jìn)對(duì)于多層板結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)之協(xié)同作用，后文中亦將深入說(shuō)明。
此等廠界蝕與沉錫之雙重混合(Hybrid)處理(商品名為Secure HTg)，在其彼此輔佐下完成了兼具多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的內(nèi)層表面處理；例如抗撕強(qiáng)度提高、耐熱可靠度增強(qiáng)排除粉紅圈、避免楔形破口、以及便于大面積薄板之水平制程等，均將詳加介紹。
（一）、內(nèi)層銅面全新混合制程(Secure HTg)的說(shuō)明
此種內(nèi)層在銅面刻意沉積金屬錫層之附著力處理，已證實(shí)確可抵抗無(wú)鉛焊接之強(qiáng)熱考驗(yàn)，此新式制程之流程如下：
（1）清潔處理
在銅面進(jìn)行微蝕之前，需先完成強(qiáng)效之清潔處理，以除去乾膜蝕刻阻劑之殘?jiān)?，以及重度污染指紋等。
（2）、啓始處理
本站可保護(hù)下一站微蝕液免遭污染物的傷害，并可提供適宜的表面蝕刻電位，使后續(xù)之微蝕效果得以改善。
（3）、微蝕
採(cǎi)用改良式"硫酸/雙氧水"之微蝕液，可針對(duì)銅材之晶界進(jìn)行攻擊，以得到強(qiáng)勁附著力所需的表面地形。此種超級(jí)深入性微蝕可得到所需的表面粗糙度，而令其后續(xù)機(jī)械鍵結(jié)強(qiáng)度更好。相較于傳統(tǒng)黑氧化絨毛抗剪強(qiáng)度之不佳而言，此處銅材所產(chǎn)生之結(jié)構(gòu)已展現(xiàn)了更好的抗剪強(qiáng)度。
（4）、增強(qiáng)處理
完成微蝕后的內(nèi)層銅面，隨即就會(huì)沉積一種灰色的金屬錫層，之后即完成可耐無(wú)鉛焊接的MLB壓合工序。
（二）、考試板與成績(jī)
此種替代性氧化處理的考試板，系選用了一種六層板與十二層板。全板是由多種不同基材組成，并搭配上35μm的銅箔，此等考試板能用于多種可靠度試驗(yàn)。每一批考試板皆須進(jìn)行抗撕強(qiáng)度試驗(yàn)，做為后續(xù)其他試驗(yàn)的參考值。經(jīng)此初始抗撕強(qiáng)度之測(cè)驗(yàn)后，同批樣品還要進(jìn)行多次紅外線無(wú)鉛回焊流程。之后再另外進(jìn)行抗撕強(qiáng)度試驗(yàn)，以比較回焊對(duì)板材結(jié)合強(qiáng)度可能造成的劣變。通常從這類資料中可看出無(wú)鉛組裝對(duì)于電路板的負(fù)面影響。

圖1、壓合后各類基板材料與三種內(nèi)層銅面處理所得考試板經(jīng)立即測(cè)試之附著力  (1b／in)  比較。

圖2、壓合完工又經(jīng)過(guò)3次回焊后各種品牌基板其內(nèi)層銅面處理與膠片之附著力(1b／in)比較
此外，為了模擬無(wú)鉛回焊過(guò)程起見(jiàn)，各樣品皆刻意經(jīng)歷無(wú)鉛回焊升溫曲線的考驗(yàn)，然后再進(jìn)行T-260與T-288耐熱裂時(shí)間的試驗(yàn)。所選擇之回焊條件為”標(biāo)淮”無(wú)鉛之升溫曲線，經(jīng)歷十次操作后，再對(duì)試樣進(jìn)行T-260與T-288的耐熱試驗(yàn)。

圖3、利用熱機(jī)械分析的結(jié)果以比較各品牌在耐熱裂時(shí)間方面的長(zhǎng)短優(yōu)劣。
（三）、試驗(yàn)結(jié)果與討論
上述內(nèi)層銅面之錫銅混合制程 (Secure HTg)經(jīng)多次試驗(yàn)后，已證明相當(dāng)堅(jiān)強(qiáng)實(shí)用。各DOE樣品是在混合制程之“穩(wěn)定狀態(tài)”槽液中進(jìn)行操作，以模擬標(biāo)淮生產(chǎn)流程。
從預(yù)回焊表現(xiàn)中，已得知傳統(tǒng)黑化反應(yīng)在標(biāo)淮FR4與無(wú)鹵材料雖已顯示出良好的成績(jī)；然而，其預(yù)先熱應(yīng)力試驗(yàn)之結(jié)果不太好，而且此種熱應(yīng)力試驗(yàn)后的附著力卻更為重要。以致無(wú)法撐過(guò)多次無(wú)鉛回焊之操作，事實(shí)上已發(fā)現(xiàn)附著強(qiáng)度之減損已超過(guò)50％。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)內(nèi)層銅面之替代性黑化法(AO)，晶界蝕刻(IGE)，與AO另加增強(qiáng)劑，以及全新混合制程(SecureHtg)等，其完工多層板試焊后都會(huì)出現(xiàn)黏著強(qiáng)度之減損。然而，混合制程的減損卻比其他方法都要來(lái)的少。當(dāng)混合制程應(yīng)用在無(wú)鹵材料時(shí)僅出現(xiàn)6％黏著強(qiáng)度的減損，相較于標(biāo)淮替代性黑化以及正統(tǒng)黑化的28％與54％來(lái)都還更好。
而且還發(fā)現(xiàn)混合制程在多種電路板基板材料中均可通過(guò)無(wú)鉛之回焊，甚至是T260的耐熱試驗(yàn)也能過(guò)關(guān)。至于在T288試驗(yàn)未能過(guò)關(guān)的某些樣品中，發(fā)現(xiàn)其故障是出自于基材本身的問(wèn)題，全然與銅面處理無(wú)關(guān)。由于處于極端強(qiáng)熱條件與隨之而來(lái)的膠片失效，T288可能還算不上值得信賴的測(cè)試方法。而混合制程成績(jī)之優(yōu)異，應(yīng)出自于錫與銅之間所形成介面共金化合的錫層，在高溫壓合過(guò)程中已完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻槊婀步鸹衔飳恿?。但?qiáng)熱卻會(huì)造成銅與錫之間微結(jié)構(gòu)的改變。錫層密度隨介面共金化合物增厚而減少，難免會(huì)造成銅與錫兩者晶界附近，經(jīng)常形成不定點(diǎn)的微洞。所有結(jié)果均顯示出錫原子會(huì)往銅層中去遷移，導(dǎo)致介面共金化合物的成長(zhǎng)，且在銅與IMC之間還會(huì)另外產(chǎn)生了種”突出性指狀結(jié)構(gòu)物”(ProfiliCfingerlikestructure)，如此一來(lái)又將使機(jī)械結(jié)合力大為增加。

圖4、從FIB所見(jiàn)到內(nèi)層銅面混合處理后在界面間所長(zhǎng)出的I MC手指
銅面與環(huán)氧樹(shù)脂間的化學(xué)鍵結(jié)，其特性如何17t前仍很難深入了解。過(guò)去曾出現(xiàn)許多相關(guān)的理論，但首先應(yīng)確知銅面形成的是何種皮膜?是早先的黑氧化?或后來(lái)還原性的黑氧化?抑或是取代性黑氧化?除尋尸該氧化皮膜是在真空中生成與保存，否則部分氧化銅難免會(huì)在環(huán)境中因吸潮而水解，并進(jìn)一步形成氫氧宮能基 (Hydroxyl Group)，這些氫氧宮能基會(huì)繼續(xù)跟環(huán)氧樹(shù)脂在微酸中會(huì)進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而形成相互間的化學(xué)鍵。 
不同氧化處裡表面所具有黏著強(qiáng)度的差異，是由其表面電荷所決定，也就是取決于“表面等電點(diǎn)”(ISO—electric point of Thesurface；IEPS)。當(dāng)使用無(wú)鹵或標(biāo)準(zhǔn)FR4板材時(shí)，新式混合氧化制程所提供的黏著強(qiáng)度將更為優(yōu)越。此種壓合后所出現(xiàn)的高黏著強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)多次無(wú)鉛回焊后，其強(qiáng)度數(shù)值仍可維持在41b／in以上。因此，混合制程在未來(lái)的無(wú)鉛需求上，將可提供較好的制程穩(wěn)定性。

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