#1楼主：无铅-电路板线路互连接点IST信赖度测试

文章发表于：2008-06-20 12:09

无铅-电路板线路互连接点IST信赖度测试

台湾AQI得迈斯仪器提供

　　摘要：无铅的影响力在PWB设计、制造及组装过程中日趋重要，过去可被接受的PCB板(通过最低标准)，现在大多无法符合RoHS条件需求。无铅热历程让无铅制程中可接受之弹性空间缩减。统计分析现在指出关于无铅组装制程及重工程序将会使以前所认知好的电路板的有效测试周期降低65%。此篇文章主要是探讨无铅制程对PWB产品信赖度的影响，以及提供一些信赖度测试的方向。

　　在过去两年中，PWB的无铅制程已有稳定变化，无铅影响力在PWB设计、制造及组装过程中日趋重要。有越来越多的高密度互连应力产品，多是用一般易取得的材料制造，HDI产品逐渐增加，组装时常用的材料现在已经经由热循环测试来评估其信赖性，接着使材料通过多次高温无铅制程及重工的测试。

　　高温热处理的试片故障分析，已具备了模拟无铅组装及重工的环境条件，并证实了在传统分析上的从中间的孔璧断裂转移至拐角断裂。其改变中已有效为显着之处，特别是在影响互连接点信赖性结果的参数，都已被注意。转变的过渡时期从原本只专注在铜质量上，进而可以从铜质量及物料坚固性，做平衡性的影响。某些物料显然无法抵抗超过3~4次以上，暴露在RoHS条件下的高温环境中(245°C to 260°C)。

　　无铅过程中，值得注意的是，它增加了各参数对测试结果的影响力，如材料分层(包含附着力及黏着性)、分解、降低及悍垫凹洞等，已成为常见的情形。大面积的Chiparrays，尤其是0.8mm及更小的间距设计。现在发现与材料的问题息息相关。

　　无铅制程组装及重工，已减少部份过程所需的步骤。过去可被接受的PCB板(通过最低标准)，现在大多无法符合RoHS条件需求。无铅热历程让无铅制程中可接受之弹性空间缩减。统计分析现在指出关于无铅组装制程及重工程序将会使以前所认知好的电路板的有效测试周期降低65%。此篇文章主要是探讨无铅制程对PWB产品信赖度的影响，以及提供一些信赖度测试的方向。

　　产品是高阶多层板并且有高综衡比的导通孔，或低阶多层板及低纵横比但是有高密度的组件组件情形。要求高温260°的组装制程，比245°C的组装制程，是更容易有信赖度降低的问题。了解到无铅对信赖度测试结果有其影响，将努力朝着探讨影响测试结果的因素为何。

　　典型的信赖度测试，表现在典型试片且相同属性材料上，例如最小孔的孔径及间距，亦或是某种型态的互连应力测试。这些试片主要被应用在测试热循环上，同时不连续线路对变化的抵抗力也会被监控。线路电阻，若是超出标准10%时，是判别失败。信赖度测试一般都会持续进行到50%的试片失败为止。健全的电路可以让测试维持到最后，大约500到1000次的热循环。好的试片对耐热测试的抗力可以稳定而缓慢的增加。相对的，较差的试片将会加速对耐热测试的抗力性，大约在十次的耐热测试后，试片就已毁损。

　　图一显示四个试片的毁损加速情形; 有三个试片失败(A, B C)、其中一个健全(D)。深蓝色线表示试片A，证明的测试在短时间内就已毁损。红色线表示试片B，代表了缓慢的耐热测试失败曲线。绿色线试片C，代表了经过长时间做热耐力测试后，稳定降低抗力最后失败的曲线。浅蓝色线试片Ｄ，是唯一通过1000次热循环测试而还是健全的试片，而其热抗力在完成测试后只有增加了3%。无铅制程的标准提高也加速耐热测试的失败率，对于质量不稳定试片，此种状况特是显着。

试片经过锡铅组装制程及重工时的温度仿真在6*230°C，故障分析后发现主要的失效模式为金属疲乏后的孔璧破裂问题。破裂痕将在铜晶体之间形成且有一个角度，用无铅热历程模拟组装及重工(6*260°C)，该失效位置将变成在导通孔的拐角位置及类似金属疲乏所造成的破裂问题。金属疲乏破裂在导通孔的拐角地方将呈现加速的劣化速率。

无铅组装制程及重工的热历程是必需的情况下，拐角断裂及焊垫浮起是与焊垫上的介质分层息息相关的。这样的情形与我们在球脚数组上所显示的介质凹坑是相似的。拐角断裂，焊盘转动及孔环浮起分层皆是与无铅与重工对热历程高温所引起的Z轴热膨胀有关。

耐热测试及失败分析表示出三个对PWB信赖度的一般性影响。其中将其影响性大小做层级分类。其中属铜的材质为首要的影响因素，材料的质量影响居第二，最后第三个影响因素为PWB的设计。PTH的铜料质量好坏，包含了孔璧中铜的厚度以及分布情形，金属化过程中是否稳定及健全(化学铜或直接电镀)。再来，材料质量好坏取决于，材料是否受过硬化剂影响结构、是否含树脂、玻璃转换温度、热膨胀系数以及其它热能特性。PWB设计的层次包含了孔径大小及间距，还有PWB的lay-up。除了上述三个因素外，第四个层级因素，相对影响较小的因素，也包含了现有的焊垫、缺乏或非功能性的焊垫、对准度、钻孔技术、压合状况等等。影响整个测试的因素应该被全面性的评估，每个测试结果的影响因素不尽相同。但在设计良好的试片测试时，测试出的结果将呈现出一致性的趋向。

　　在无铅导入后，这些顺序的影响因素已出现些微转变。铜的材质与材料的质量几乎是一样重要了。无铅不止导致影响因素重要性的转变，也造成其它因素影响测试结果的可能性提高。在无铅导入的测试环境里，每个影响测试结果的因素，其材质及测试环境状况的好坏，未通过无铅的测试，这些因素标准及执行方式都需要提高标准，已达完善的测试结果。

　　去年，我们得到了一个重要的结论，铜的质量、材料的健全度以及设计是否良善这三个因素，都必须在测试中受到同样的重视，才能让一个完整的信赖度测试在无铅的标准下，顺利进行。在非无铅的组装环境中，单一影响因素还是可以弥补或是补强其它因素的缺失。例如: 使用健全的材料可以弥补因镀铜在孔璧中分布不均造成之影响。

　　当使用不良的材料测试时，厚铜电镀可以预防测试提早失败。然而，当所有测试的因素及环境需符合无铅时，所有影响测试结果的因素，都相互影响着且影响测试结果的程度相当。所以，现今当我们在做信赖度测试时，我们必须面临无铅所带来的影响，也就是所有的影响因素都应全然的考虑在内，需要好的铜、材质稳健、且良善的设计，才能确保有效的信赖度测试。现在有个确实的转变是设计的影响力以及它在信赖度测试里所扮演的角色。

　　以前，一旦电气性能的需求与制程的限制有相冲突时，设计者以电气性能的需求为主。随着现今PWBs的复杂性，再加上无铅制程的影响，电气因素的影响必须被改善才足以通过无铅所要求的制造环境。随着小孔、孔距、微小孔的广泛运用，增层压合、精密磨平、埋孔、盲孔、底垫、塞孔等板材的设定应用，显得更加盛行普遍。所以，就更加需要去理解无铅制程中，会影响整个对信赖度测试结果的因素。

　　耐热测试中，无铅标准所带来最大的影响就是对材料质量的要求。这个额外的30°C结合无铅制程已使材料达到它们的能力上限。这些温度转变对整体测试状况有相当影响，其中对健全的PWB材料影响最甚。分层变得常见。在材料分层的信赖度测试，多数情形下会降低少对PTH的压力，有缓耐热循环测试的失败时间。在无铅及重工的热历程测试后,一但试片失效的测试周期比”AsReceived”还多，就表示该材料有分层的问题。