無鉛印刷電路板(PCB)相關問題

昆山無鉛印刷電路板（昆山PCB）有許多問題，需要我們充分重視。不僅要充分了解PCB材料的各種重要特性，還要對材料的無鉛可靠性進行充份的測試。

IPC的一份無鉛報告認為，全面實現無鉛焊接是“可行”的，產業界把重心和測試都放在焊點、元件和PCB的可靠性等問題上，對于錫須問題也非常重視。在我看來，我們在焊點可靠性上已經做得很不錯了，不存在沒預料到的問題。元件和錫須一樣，盡管錫須問題需要長期關注。但是根據墨菲定律，總是存在弱點，而目前的無鉛PCB正在應驗這個預言。我在以前提到過，轉向無鉛焊接將使PCB材料面對巨大的挑戰。

無鉛再流焊的溫度大約比錫鉛大約高25°C，工藝窗口更窄。錫鉛再流焊的高溫度在220°C左右，PCB的高溫度大約為230°C，允許有10°C的誤差。無鉛再流焊的高溫度達到245°C，PCB的高溫度大約是250°C，根據我的經驗，允許的誤差較小，只有5°C。印刷電路板材料既要能承受更高的焊接溫度和更長的停留時間又不能影響可靠性。可惜的是，問題還是出現了。常見的缺陷包括BGA焊盤坑裂、開裂和脫落。

與錫鉛PCB材料相比，無鉛PCB材料更硬、更脆，因此比較容易出現BGA焊盤坑裂和內部開裂。焊盤坑裂通常是由于受到機械應力（例如PCB彎曲）引起的，而開裂往往是因受到熱應力（例如再流焊）而產生的。

BGA焊點的結構比普通焊點更復雜，它還包括在焊點下面在兩面（BGA和PCB）上的粘接強度和層壓強度。當錫鉛焊點受到過大的機械應力時，焊點往往會在PCB的接口處斷裂。但是，當無鉛BGA焊點受到的機械應力過大時，在PCB焊盤下面的層壓板會開裂，而不是焊點。這充分說明無鉛PCB比較脆的特點。

開裂可能會產生導電性細絲（CAF），它從陽級生長到陰極而且可能會造成PCB內部短路。CAF往往出現在金屬化導通孔（PTH）和其他內部PCB構件之間，例如導線或者接地層。在鉆孔時，如果做得不好，會在孔壁四周形成很小的裂紋。在再流焊過程中產生的應力可能會擴大裂縫，并且進一步擴大到PCB內部，可能會在PTH和導線或者電源和接地層之間形成通路。在加電的情況下，CAF可能造成功能性短路，甚至會把熱量積累起來，使層壓板碳化，降低層壓板的絕緣性能，結果造成層與層之間相連并且造成災難性故障。

我們不僅要充分了解PCB材料的關鍵特性，而且還必須對材料進行充份的測試，保證它滿足無鉛焊接的要求。iNEMI在《高度復雜的耐熱電子組件對無鉛制造的要求》中，總結了PCB材料的關鍵特性，這些特性是：

• 玻璃化轉換溫度（Tg）。它是指高分子材料由堅硬狀態變成柔軟狀態的溫度。只有Tg并不足以說明PCB材料的耐熱性好。FR4材料的Tg大約是125-175°C。

• 熱膨脹系數（CTE）。這是指當溫度高于或者低于Tg時材料膨脹或者收縮的量，一般用每°C多少ppm表示。因為Z軸膨脹過度會造成導通孔開裂，所以人們十分關注這個問題。

• 材料的分解溫度（Td）。在這個溫度下材料會斷裂。FR4材料的Td大約是300-360°C。

• 脫落時間（T260 = 260°C和T288 = 288°C）。它是指在某個溫度下材料能夠經過多長時間不會脫落。T288是無鉛PCB的一個重要特性參數。

與無鉛PCB有關的銅的溶解往往出現在熔化的焊料與PCB接觸的時候。我們可以在波峰焊中看到這種現象，但是當焊料在焊錫爐返工過程中，由于停留時間比較長，這種現象會加劇而且更有害。在焊接中，到了熔化溫度（260°-270°C）時，對于SAC無鉛焊料，銅的溶解率是錫鉛的三到四倍。當停留時間超過30至40秒時，裸露的導線和焊盤會有大量的銅溶解。

結論

在轉向無鉛焊接的過程中，我們有時忽視了PCB。現在回想起來，這的確實是個錯誤。許多與無鉛PCB有關的難題需要我們充分地重視。