| 一、前言
电路板用户与生产者必须对无铅化PCB越来越复杂的设计、技术需求与长期可靠度方面所有认知。就其关键性制程如除胶渣与化学铜等，唯有遵循某些严谨的操作范围方得以取得最佳的可靠度。为了达到特定用途，PCB互连所需之线宽与孔径等导件(Feature)尺寸均已由设计者所决定，因而其等制程之操作范围将变得十分重要。如今在无铅焊接的考验下，包括板材树脂等各种选项方面都一定会影响到PCB的可靠度。
至于板材、孔径、铜层厚度与各种导电性要求等，也将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。（见图1）
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（右图3），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。（见图4）
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：
1.孔径大小（40mil以上大孔径者钻孔参数不佳时，将对脆性板材造成颇大的应力而在焊后易裂）。
2.板材的Tg与热胀率（CTE）。
3.孔环铜箔的厚度与品质。
4.电路板本身制程与下游组装流程所累积的伤害。
5.内层铜面与基材结合的不同位置。
为了深入了解现行除胶渣制程与化学铜制程，两者对PTH可靠度到底有何影响起见，某些药水供应商刻意与数家PCB业者合作，希能找出可靠度的各项基准数据。为了满足下游客户所期盼IST试验对特定试样所能达到的目标起见，又刻意选用了数种不同的板材去制作IST试样，然后再找出通孔完整性的试验数据。采多项板材的完工试样，均须执行漂锡（Solder Float)与SMT热循环试验。而所制作的试样均已完成特定的除胶渣与化学铜制程，且成像后线路板镀铜（二次铜）的厚度也一律镀到1mil。见上页图7与图8即为IST试样经过三种商用化学铜层的试样的试验结果。各试样均采用传统Tg140板材去制作12层板，刻意使树脂在a2橡胶态中出现较大的Z-CTE，而让各PTH孔铜较易被拉断。见上页图7与图8中显示出不同PCB业者所制作试样的考试结果。
根据下游业界无铅焊接的试验可知，PTH铜层的疲劳寿命（Fatigue Life）平均会缩短50~80%之多，大部分问题是出自孔铜与孔环间化学铜之皮膜发生分离。为了刻意让效果更为明显起见，上述试验不但选用传统Tg140易胀的板材，且还刻意增多了胶片的胶含量，以便更能比较出各种比铜层的优劣。各试样除了进行IST试验外，另外也进行了288 ℃/10秒的六次漂锡式热应力试验。
五、考试板热应力试验的说明
为了进一步了解板材与通孔铜壁以及热应力之间的关系，又另外制作了考试板专门进行热应力漂锡试验，其规格如下：
1、采Isola板材FR-406，制作100mil厚的22层多层板，孔径分别为10mil与42mil。
2、此种厚多层板之外层板材厚度为3mil，其各内层分别由0.5oz及1oz的铜箔所组成。
3、每片考试板中共有84个互连式通孔，目标须全部都能通过288℃/10秒的六 次漂锡考试。（见图9）
见图10即为五家PCB业者所做的考试板，经过六次漂锡后其孔铜产生微裂百分率的比较情形。
经过大量多次漂锡试验的故障分析后，发现失效主要原因还是出自树脂的热胀率（CTE）与铜孔壁两者相差太大所致。此外还更发现镀铜孔壁与孔环铜箔介面间，其化学铜层也是主要的开裂位置，也就是说化学铜层的结晶情形已扮演了重要的角色，亦即结晶大小有异者其孔铜出现微裂的百分率比较情形者其内应力也自必不同。而且根据日籍专家研究结果（Kobayashi）可知，凡化学铜层沉积愈快内应力愈大者，其对树脂表面的附着力也愈差。并从上述五家PCB业者漂锡后的优劣比较可知，化学铜品质对通孔受热之可靠度确实具有很大的影响。
六、制程的改善
为了使PTH在无铅焊接中具有更好的可靠度起见，化学铜层对树脂表面与对铜环侧面的附着力还应更加改善才对。也就是说化学铜的沉积速率必须放慢，尤其是起始阶段更不可反应太快。在对此一关键点深入追究时，又发现其前段流程中的“清洁与整孔”（Cleaning and Conditioning）尤其主宰着后段催化性钯层的吸附与活性。为了使钯层沉积在树脂表面减少其微空洞（Microvoids）并增强其附着力起见，其钯吸附反应亦须尽量予以优化。
其次是要在化学铜药液中增加一种有机安定剂，以减缓化学铜层的沉积速率，而得于钯面沉积成核时修正其结晶组织，亦即增大其晶粒减少其晶界（Crain Boundaries）而降低其内应力。再者化学铜药液中的烧碱量(NaOH)与甲醛量(Formaldehyde)，也会对孔铜与孔环介面间的互连完整性有所影响，故其等用量也应斟酌减少。通常可耐无铅焊接之硬脆性树脂，其除胶渣后由于蜂巢形貌减少与附着力下降之事实，使得化学铜配方的改善已到了不容忽视的地步，以期能弥补已损失的附着力。
下图11与12即为化学铜药液在配方上的改善研究，当中NaOH与甲醛两者的浓度同时增大时，其沉积速率也将随之加快，其中NaOH的影响力远比甲醛更大。不过实验中也发现，若将NaOH与甲醛两者浓度同时增大时，竟然发现互连失效（ICD）的情形反而减少了。
从很多文献可知，化学铜的沉积速率确实会影响到与兴铜箔侧面互连处的附着力。（见图13）即为重亲配方的化学铜其微观所呈现的结晶组态，并从IST与漂锡两种试验结果看来，此等紧密结晶的化铜层确已强化了其互连之可靠度。对于传统快速沉积粗松结晶之化学层而言（见图14），则两种试验的结果均已呈现提早失效的不良现象。
为了因应无铅焊接而改采较高Tg与PN硬化剂，甚至另加填料的树脂板材时，亦须对PTH湿制程的除胶渣与化学铜等湿制程加以关注。IST试验与漂锡试验两者对于湿制程的监控与改善极有助益。除胶渣前其高温碱性有机溶剂之膨松前处理，务必注意不可发生溶剂残留于基材的反效果。且在更改化学铜配方的同时，也应注意到与前段清洁整孔的彼此呼应，减少下游焊接中可能发生的空洞，并还能增强其互连的可靠度。而化学铜更改配方时亦应慎选安定剂，亦须加强管控NaOH与甲醛的浓度，务必使化铜层呈现稳定成长的大型结晶，如此方可维系无铅焊接之通孔可靠度于不坠。
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