介绍无铅化镀通孔之可靠度

　　一、前言
　　板材、孔径、铜层厚度与各种导电性要求会影响到电路板的使用性能。加以下游客户对已升高的无铅焊温与更长的操作时间，甚至多次焊接之免于爆板等，均欲将其成败责任加给PCB之生产者。为了要保证其可靠度能够达成，PCB业者已被迫面对某些非常复杂的考试板，就其导孔的互连与孔壁方面刻意增加了更多的应力条件。
　　从高频板材与耐无铅焊接之新型板材看来，为达到其PTH可靠度良好之目的，首先须了解无铅焊接的峰温（250-260℃）与有铅焊接峰温（230-235℃）两者之差异，对于板材耐热与孔铜附着力而言，确已呈现截然不同的效果。其次是在新式覆晶（Flip Chip）、与传统贴晶（Die Attach）打线等互连复杂度不断增加之下，也不得不将空板热应力试验的次数予以增多。
　　二、无铅焊接对电路板的影响
　　目前业者所面对的挑战，是如何将板子做得更能抵抗无铅化之强热，换句话说现行PCB必须要能通过强热中所额外增加难度的可靠度试验才行，其最新做法与结果可经由IST互连应力试验与漂锡试验两者得知。上游CCL业者最近也纷纷积极研发耐热的新型基材板，以便能达到下游耐热的要求，以及因应改善而与日俱增的的压力。电路板业者必须了解Tg与Td不够高的板材，在无铅焊接中必然会导致爆板并将拉断通孔，造成可靠度之下降。在改变基材板配方的同时，通孔金属化的各种湿制程亦需加以适度调整，以协助PCB度过无铅焊接的几项考验。以下即为无铅化板材在流程中所面临的难题：
　　1、正常除胶渣之后，可耐无铅焊接之树脂，由于脆性提高耐化性增强，其表面应有的粗糙度已相对降低，致使化学铜的抓地力势必为之减弱。
　　2、由于耐强热树脂之铁屑容易粉化，难免会影响到除胶渣制程。
　　3、对于小径盲孔与通孔亦须提供免于微空洞式的化学铜制程，以减少重复性的电镀铜工序。
　　4、加强孔铜与内层孔环间的互连结合力，并优化其可靠度。
　　为了要了解现行各种通孔金属化制程，是否能耐得住无铅焊接的考验起见，于是就采用了“互连应力试验”（IST）当成基本的评估方法，以深入了解除胶渣与金属化等工序，到底对PTH可靠度方面的影响如何。然后再试用其他方式进行类似评估。
　　三、对高Tg与高Td板材之除胶渣与化学铜
　　能够适用于无铅焊接与符合RoHS规定的板材，其钻孔与除胶渣后树脂表面的粗糙度，将对化学铜层的附着力具有很大的影响。右图2即为钻孔后孔壁的糟乱情形，此种较不寻常的现象系出自高Tg的FR-4板材，在一般钻孔参数下后会出现多量碎屑，而且当孔径变小时此种现象尤其明显，原因可能是钻孔高温与机械力量对板材所造成的热裂解效应。通常为了使化学铜层具有更好的附着力起见，必须先要在树脂表面取得良好的粗糙度。也就是对可耐强热性树脂不但须采较为猛烈条件的碱性高锰酸钾除胶渣制程，以取得树脂面应有蜂巢式的粗糙度，而且除胶渣前的膨松处理也应同时加强。如此又将导致其溶剂之渗透作用与不良的残留效果，在程度上难免会比以前更多，因而所带来负面效应亦需要更加注意才行。
　　当刻意延长膨松处理之反应时间，而高锰酸钾处理时间却暂时不变时，从图4可见除胶后其膨松溶剂对胶渣去除与板材失重的效果。基材树脂因膨松剂之延长处理而残存溶剂时，则此等残留溶剂（Solvent Retention）将会造成PTH的多项缺失。例如：树脂缩陷、楔形孔破（Wedge Voids）等，与玻纤纱束的渗铜（Wicking亦称灯芯效应），甚至还会导致树脂本身的空洞（Resin Void）等，进而造成化学铜以及电镀铜屑的不良与破洞（Electroless copper voids and Plating voids）见图5。
　　早先有铅焊接时代的化学铜层，除胶渣多半会在已变得蜂巢状树脂（Tg140左右）表面上所沉积的皮膜，如此将可取得较好的附着力。然而无铅焊接到来后通常会将Tg提高到150℃左右，且硬化剂亦将改为较不吸水的PN型（Phenolic Novolac）的新化学品，此外树脂中还要添加重量比约30%的无机填充料，因而树脂表面经除胶渣处理后已很难再现原先蜂巢状的形貌。为了使化学铜层的附着力不致劣化起见，必须考虑到化学铜层沉积速率不可太快，还应使其结晶变大与更为紧密，如此方得以降低其内应力而改善附着力遭到劣降的程度。
　　四、IST试验与热应力
　　新流行的互连应力试验（Interconnect Stress Test）,目前已成为多层板镀通孔（PTH）品质与可靠度的快速检测方法。此种试验是利用特定试样（Coupon）中的一组加热用的电阻线路，在通电后使样板快速升温到150℃，停电后又降回到室温的快速热循环做法，以检查试样中另一组待测之互连线路在电阻值上的变化情形。一旦其电阻值（注Resistance是直流的电阻，与交流的阻抗Impedance并不相同，不可混为一谈）比原先增加了10%时，即宣告互连应力试验之失效（failure）,也就是认定其铜壁与孔环侧缘之互相介面已经发生品质问题。此时若仔细切片进行观察时，将可见到孔铜本身或与孔环之介面已出现某种程度的微裂（Microcrack）。欲通过多次无铅焊接的考验者，则其孔壁与孔环介面间的结合力，还必须比铜箔孔环本身的强度更好才行。通常多次热胀冷缩中其互连介面上下移位的距离，经常会超过孔环铜箔的厚度。故当其介面结合力够强时，将可从切片上只看到0.5-1.0oz铜箔本身所生的微裂（见右上图6）。IST试验过程对PTH胀缩所产生的疲劳程度，与互连点所发生的各类失效将与下列参数有关：