無(wú)鉛印刷電路板(PCB)相關(guān)問(wèn)題

昆山無(wú)鉛印刷電路板（昆山PCB）有許多問(wèn)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(duì)材料的無(wú)鉛可靠性進(jìn)行充份的測(cè)試。

IPC的一份無(wú)鉛報(bào)告認(rèn)為，全面實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛焊接是“可行”的，產(chǎn)業(yè)界把重心和測(cè)試都放在焊點(diǎn)、元件和PCB的可靠性等問(wèn)題上，對(duì)于錫須問(wèn)題也非常重視。在我看來(lái)，我們?cè)诤更c(diǎn)可靠性上已經(jīng)做得很不錯(cuò)了，不存在沒(méi)預(yù)料到的問(wèn)題。元件和錫須一樣，盡管錫須問(wèn)題需要長(zhǎng)期關(guān)注。但是根據(jù)墨菲定律，總是存在弱點(diǎn)，而目前的無(wú)鉛PCB正在應(yīng)驗(yàn)這個(gè)預(yù)言。我在以前提到過(guò)，轉(zhuǎn)向無(wú)鉛焊接將使PCB材料面對(duì)巨大的挑戰(zhàn)。

無(wú)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(wú)鉛再流焊的高溫度達(dá)到245°C，PCB的高溫度大約是250°C，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，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(zhǎng)的停留時(shí)間又不能影響可靠性?？上У氖?，問(wèn)題還是出現(xiàn)了。常見(jiàn)的缺陷包括BGA焊盤(pán)坑裂、開(kāi)裂和脫落。

與錫鉛PCB材料相比，無(wú)鉛PCB材料更硬、更脆，因此比較容易出現(xiàn)BGA焊盤(pán)坑裂和內(nèi)部開(kāi)裂。焊盤(pán)坑裂通常是由于受到機(jī)械應(yīng)力（例如PCB彎曲）引起的，而開(kāi)裂往往是因受到熱應(yīng)力（例如再流焊）而產(chǎn)生的。

BGA焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)比普通焊點(diǎn)更復(fù)雜，它還包括在焊點(diǎn)下面在兩面（BGA和PCB）上的粘接強(qiáng)度和層壓強(qiáng)度。當(dāng)錫鉛焊點(diǎn)受到過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，焊點(diǎn)往往會(huì)在PCB的接口處斷裂。但是，當(dāng)無(wú)鉛BGA焊點(diǎn)受到的機(jī)械應(yīng)力過(guò)大時(shí)，在PCB焊盤(pán)下面的層壓板會(huì)開(kāi)裂，而不是焊點(diǎn)。這充分說(shuō)明無(wú)鉛PCB比較脆的特點(diǎn)。

開(kāi)裂可能會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電性細(xì)絲（CAF），它從陽(yáng)級(jí)生長(zhǎng)到陰極而且可能會(huì)造成PCB內(nèi)部短路。CAF往往出現(xiàn)在金屬化導(dǎo)通孔（PTH）和其他內(nèi)部PCB構(gòu)件之間，例如導(dǎo)線或者接地層。在鉆孔時(shí)，如果做得不好，會(huì)在孔壁四周形成很小的裂紋。在再流焊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)擴(kuò)大裂縫，并且進(jìn)一步擴(kuò)大到PCB內(nèi)部，可能會(huì)在PTH和導(dǎo)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?xí)褵崃糠e累起來(lái)，使層壓板碳化，降低層壓板的絕緣性能，結(jié)果造成層與層之間相連并且造成災(zāi)難性故障。

我們不僅要充分了解PCB材料的關(guān)鍵特性，而且還必須對(duì)材料進(jìn)行充份的測(cè)試，保證它滿足無(wú)鉛焊接的要求。iNEMI在《高度復(fù)雜的耐熱電子組件對(duì)無(wú)鉛制造的要求》中，總結(jié)了PCB材料的關(guān)鍵特性，這些特性是：

• 玻璃化轉(zhuǎn)換溫度（Tg）。它是指高分子材料由堅(jiān)硬狀態(tài)變成柔軟狀態(tài)的溫度。只有Tg并不足以說(shuō)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(shù)（CTE）。這是指當(dāng)溫度高于或者低于Tg時(shí)材料膨脹或者收縮的量，一般用每°C多少ppm表示。因?yàn)?/span>Z軸膨脹過(guò)度會(huì)造成導(dǎo)通孔開(kāi)裂，所以人們十分關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。

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

• 脫落時(shí)間（T260 = 260°C和T288 = 288°C）。它是指在某個(gè)溫度下材料能夠經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)脫落。T288是無(wú)鉛PCB的一個(gè)重要特性參數(shù)。

與無(wú)鉛PCB有關(guān)的銅的溶解往往出現(xiàn)在熔化的焊料與PCB接觸的時(shí)候。我們可以在波峰焊中看到這種現(xiàn)象，但是當(dāng)焊料在焊錫爐返工過(guò)程中，由于停留時(shí)間比較長(zhǎng)，這種現(xiàn)象會(huì)加劇而且更有害。在焊接中，到了熔化溫度（260°-270°C）時(shí)，對(duì)于SAC無(wú)鉛焊料，銅的溶解率是錫鉛的三到四倍。當(dāng)停留時(shí)間超過(guò)30至40秒時(shí)，裸露的導(dǎo)線和焊盤(pán)會(huì)有大量的銅溶解。

結(jié)論

在轉(zhuǎn)向無(wú)鉛焊接的過(guò)程中，我們有時(shí)忽視了PCB?，F(xiàn)在回想起來(lái)，這的確實(shí)是個(gè)錯(cuò)誤。許多與無(wú)鉛PCB有關(guān)的難題需要我們充分地重視。