撓性線路板焊盤拉脫失效原因分析及控制
焊盤作為線路板與電子元器件焊接裝聯的必要媒介，其焊接的可靠性是影響最終產品的壽命和可靠性的重要因素。相對于剛性板，撓性板上基銅與基材的結合力要小很多，易在焊接過程中拉脫。本文以三類供應商的無膠撓性板材為例，運用萬能實驗拉力機對不同條件下焊盤進行拉脫，從材料種類，銅厚，焊盤尺寸，焊接溫度，焊接次數五個方面綜合考察了其對焊盤拉脫強度的影響；通過金相顯微鏡和熱重分析進一步分析討論了撓性板材在焊接過程中焊盤脫落的機制；最后運用正交分析法得出了焊接過程中的主要影響因素是焊接溫度及焊接次數，并在此基礎上給出了參數范圍，優化了工藝設計。
1、背景
焊盤作為PCB板上最基本的元件一直備受關注，焊接時由于需要熔入熔融錫從而使兩件金屬物件結合起來，該過程中焊盤局部受到瞬間熱沖擊，這是導致焊盤分層脫落的重要原因 [1] [2-3]
導致焊盤拉脫強度降低的因素有很多，但關于這方面的研究報道卻很少 [4]
2、實驗設計
2.1 實驗物料及設備
2.1.1 主要物料
2.1.2 實驗設備
萬能拉力機（Zwick/Roell?Z1.0），TGA測試儀（TA Instrument TGAQ50），金相顯微鏡（尼康）
2.2 實驗方案
2.2.1 實驗設計
設計4層剛撓結合板，L1/L2為撓性層，L3/L4為剛性層。結合實際生產板，參照相關設計標準，在L1層上設計了一系列不同規格的焊盤，測試板圖形設計及疊層結構分別如圖2及圖3所示。
2.2.2 實驗方法
（1）焊盤拉脫強度參照GJB 362A-96相關測試標準用搪錫銅導線引出，手動焊接好后，用萬能拉力機90°剝離強度測試模塊進行測試，如示意圖4所示。
（2）對拉脫失效的板進行切片及微觀分析
2.2.3 實驗參數
設計了材料種類，銅厚，焊盤尺寸，焊接溫度，焊接次數五個因素以綜合考察在不同條件下焊盤的拉脫強度。具體參數設計見下表。
2.2.4 計算方法
焊盤的拉脫強度P應按下列公式計算
式中P為拉脫強度，單位N/cm
2
；F為焊盤的最大拉脫力，單位N，由軟件計算直接讀出；L及W分別為所測試焊盤的長及寬，單位cm。3、結果與討論
3.1 材料種類對焊盤拉脫強度的影響
實驗選用了A，B，C三家供應商的無膠撓性板材，不同廠商所用的銅類型及加工方法都有所差異，因而最終測試得到的焊盤拉脫強度也會不同。根據GJB 362A-96，焊盤的拉脫強度應不小于345N/cm
2
，即當某一焊盤的拉脫強度小于345N/cm2
時，即判定為失效。從實驗結果中可以看到，在試驗參數范圍內，A系列板材所有焊盤均未出現低于標準值的情況，而B及C系列隨著焊接溫度及焊接次數的增加，均出現了部分焊盤失效的情況，具體列于下表。
從結果中可以得出，焊接溫度較高時，就焊盤的可靠性而言，A＞B＞C。
3.2 銅厚對焊盤拉脫強度的影響
將同種材料不同銅厚下的焊盤拉脫進行對比，不同焊接溫度及焊盤尺寸下的焊盤拉脫強度實驗結果如圖所示，可以看到，相同處理條件下，35 um Cu的板材拉脫強度要略大于18 um Cu的板材。這有兩方面原因，一是不同供應商對不同銅厚的板材的界面粗糙度是不一樣的，銅厚越大，一般其基銅的界面粗糙度更大，因而與基材PI具有更好的結合力，拉脫強度更大；另一方面的原因是由于銅具有較好的導熱性，烙鐵功率一定的條件，手工焊接過程中焊盤所受到的熱量與烙鐵停留在焊盤上的時間成正比 [5]
3.3 焊盤尺寸對焊盤拉脫強度的影響
以焊接溫度350℃，焊接次數1次的實驗組為例，將不同材料不同焊盤尺寸下的焊盤拉脫情況進行對比，實驗結果如圖所示，可以看到，相同焊接條件下，焊盤尺寸越小，焊盤的拉脫強度越小，且由于面積的減小，相應的拉脫焊盤所需的拉脫力差別更大。這就可以解釋客戶采用手工焊接大尺寸焊盤時沒有問題，但焊接小尺寸焊盤時很容易就把焊盤拉扯下來，尤其是焊接溫度較高時效果更加明顯，實驗結果中C廠商35um Cu基材尺寸0.01cm
2
焊盤焊接4次后焊盤拉脫強度為501N/cm2
，但拉脫力僅為5.01N。導致這一情況的原因是小尺寸焊盤焊接時的受熱面積比例更大，且銅的面積更小，因而焊接時受到的熱沖擊面積比例更大，受破壞程度更惡劣。
3.4 焊盤溫度對焊盤拉脫強度的影響
以焊接次數為2次后的焊盤拉脫強度為例，選擇各供應商銅厚35 um的材料，其焊盤拉脫強度隨溫度變化如圖所示，從圖中可以看到，所有焊盤的拉脫強度均隨焊接溫度的降低而呈現降低的趨勢，其中系列的材料隨焊接溫度的增加拉脫強度降低較為平緩，B其次，C的變化幅度最大，這也進一步驗證了B及C材料焊盤的焊接可靠性不如A基材，拉脫強度隨焊接溫度變化劇烈。
3.5 焊盤次數對焊盤拉脫強度的影響
以焊接溫度320℃下不同焊盤的拉脫強度為例，不同材料焊盤拉脫強度隨焊接的次數變化如圖所示，所有材料的拉脫強度均表現為隨焊接次數的增加而降低的行為，且拉脫強度變化越來越大，說明焊接過程中的熱量對焊盤的性能傷害有累積效應，PI的Tg高達350℃，因而不會發生熱降解，降低的原因可能是PI與銅在Z軸上的CTE不一樣，反復的熱沖擊下，PI與銅不斷進行微拉扯與回復的動作，進而對界面產生了不可恢復的破壞。
3.6 焊盤拉脫原因的討論
不同廠商相同規格基材焊盤拉脫強度表現得不一樣，為研究這種差別，對不同材料的焊盤進行了切片制作，結果如下圖所示。從圖中可以看到，A板材界面光滑，是典型的壓延銅類型，B及C板材界面粗糙，這是電解銅的特征形貌，對比B電解銅與C電解銅，可以發現，C系列不同銅厚的基材銅界面粗糙度相差不大，均在 1.0-1.5um之間；而B系列不同銅厚的基材銅界面粗糙度相差很大，18um Cu基材粗糙度在1.6-2.0um之間，而35um Cu基材粗糙度為2.8-9.0um之間。這可以說明不同電解銅基材廠商生產材料的工藝是不一樣的，壓延銅系列柔性基材在焊盤焊接過程中的熱性能要優于電解銅基材，而電解銅主要是靠界面的粗糙度增加與PI的接觸面積而粘合在一起，更易在焊接過程中失效。
為進一步解析這種差別，參照IPC TM-650 2.6.2，將所有基材蝕刻掉銅后浸泡在25℃的蒸餾水中24h，然后取出在N
2
氛圍下120℃下恒溫2h，實驗結果如下圖所示?？梢钥吹?，吸水率B＞C＞A，這與基材焊盤拉脫強度不對應，這可以說明PI的吸水率僅為焊盤拉脫強度的影響因素之一，單從吸水率的高低并不能反映出材料焊盤拉脫強度的優劣。此外，單從較低溫度，較少次數下較大尺寸焊盤的最大拉脫力來看，C＞B＞A，但相同條件下較小尺寸焊盤拉脫力卻是A＞B＞C，兩者只有單位面積受熱量的差別。導致這樣差別的原因可能是焊盤單位面積受到較少熱量時，PI里水汽及熱膨脹并未對焊盤結構造成破壞，其最大拉脫力只與銅面與PI的表面粗糙度相關，粗糙度越大，銅面與PI之間的結合力，其最大拉脫力也越大；焊盤單位面積受到較大熱量時，PI里藏埋的水汽急劇膨脹，加之自身Z方向尺寸變化太大，導致界面出現了裂紋，最終表現為拉脫強度的降低，因而吸水率越小表現為焊盤拉脫強度降低越多。其焊盤拉脫的機制如下圖所示。
3.7 各因素對焊盤拉脫強度的影響
為綜合評估各影響因素對焊盤拉脫離強度的影響，引入了正交分析法，為簡化討論，假定所有影響因素之間是無關的。用相等水平數的L16(4
5
)，共有16個子實驗，將不同水平所測試數據挑選出來，以最終焊盤的拉脫強度為標準，組織為下表，對所有材料進行了正交分析，以廠商A的基材為例，其正交分析表如下表所示。從拉脫強度趨勢圖中也可以看到，三種因素的斜率相差不大，因而就A基材而言，焊接溫度，焊盤尺寸以及焊接次數對其拉脫強度的影響較為均勻，無突出因素。同樣的方法分析B及C廠商的基材，得到的結果如圖所示，結果總結于下簡表。
從拉脫強度趨勢圖中也可以看到，焊接溫度以及焊接次數對焊盤拉脫強度的影響較為突出，斜率較大。
4、實驗結論
1、撓性板材的焊盤拉脫強度隨著焊接溫度的升高，焊接次數的增加，焊盤而顯著降低，壓延銅系列基材多次焊接后的穩定性要優于的電解銅系列基材。
2、切片分析及吸水率表征表明焊盤的拉脫強度受到基銅及PI吸水率兩個因素共同作用，焊接時單位面積受熱小時焊盤主要受基銅粗糙度影響，而受熱量大時則主要受PI吸水率作用。
3、正交分析法顯示焊接溫度及焊接次數是影響焊盤拉脫強度的主要因素，試驗范圍內0.015cm2的焊盤在260℃下焊接一次時的焊接強度最大。
參考文獻
1. D.Santos, S.Saiyed, F.Andros. Effect of Reflow Profile on Shear Strength of?Sn-4.0Ag-0.5Cu Solder Joint. Forthcoming: Proceedings of the NSF?Grantees?Conference,Dallas,TX,2004
2.?中國賽寶實驗室.案例2：PCBA和PCB焊盤脫落和可焊性差的原因[J].?電子質量,2003,9:23
3.?李伏. 沉錫PCB焊接失效分析方法介紹[J].?印制電路信息,2014,03：63-65
4.?周慧玲. 無鉛電子組裝 QFP 引線焊點拉脫試驗研究[D]. 2005年.哈爾濱工業大學
5.?成鋼. PCB手工焊接溫度問題探討[J].?電子工藝技術,2011,7:223-225
作者
易小龍，華南理工大學材料學專業碩士，曾任職于入廣州興森快捷電路科技股份有限公司。
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