切换到无铅组装需要整个业界进行大量的研发投 入，以解决在PCB制作和PCBA组装无铅后出 现的问题。无铅对层压材料的影响主要是因 为大家担心它是否能耐无铅组装高温。本文将集中讨论随 着产品切换到无铅后，发生在层压板上的焊盘剥离失效明 显大幅增加。焊盘脱离是一种发生在PCB上的缺陷，在制 造、运输周转或处理过程中，应力作用出现PCB翘曲，从 而导致层压树脂发生机械开裂。在组件进行完机械应力测 试 (如冲击和震动) 后，对组件进行切片光学显微检查，通 常可以发现焊盘剥离现象。PCB焊盘剥离会以两种失效模式 降低PCB可靠性表现，一种失效模式是：当走线或过孔与 BGA焊盘连接时，BGA焊盘出现剥离，它们之间的连接出 现断裂，电路开路（如图1A和1B所示）；另一种失效模式 是：开裂为单板内两个有偏压差的铜箔结构（走线或过孔 等）“建立”了一个金属迁移的通道，最终导致短路（如 图2所示）。想了解更多的有关焊盘剥离的可靠性风险，可参阅Mukadam等人的文献[1]。

切换到无铅产品和组装后，可靠性试验发现的焊盘剥 离失效模式明显增加。通过对该失效模式的主要驱动力分 析可以证明这种增加的必然性。第一个驱动力是焊料本身 的刚性改变了，无铅合金的刚性更大，因此在既定的应变 水平下，传递到PCB焊盘界面的应力就更大，如图3所示。第二个驱动力是PCB经历从熔融焊料固化到室温的温度变化 △T改变了，无铅组装工艺的△T更大，导致PCB和元器件 之间的X／Y平面的CTE不匹配更严重，作用在焊点的应力 也就更大。

PCB技术的总体发展方向会降低在上述驱动力作用下 的可靠性冗余。PCB设计的密度日益增加迫使元器件的尺 寸／焊盘更小，焊盘越小，粘附面积越小，也就意味着不 能承受大焊盘一样多的载荷。此因素再加上无铅焊料和组 装导致的应力／应变载荷增加的综合作用，焊盘剥离失效 增多也就不奇怪了。下述案例将关注业内不同的PCB板材与 焊盘剥离失效模式之间的关系。

焊盘剥离案例研究
案例研究是对使用了通用LGA插座元器件的单板进 行可制造性评估。研究评估了两组不同弯曲极限规格的单 板，其中一组在经过在线测试（ICT）时出现电气失效，最 终失效模式判断是焊盘剥离，对这些单板的进一步分析表 明：这两组单板分别来自不同的PCB供应商。有2家供应商 生产的单板没出现问题，其它的供应商生产的单板则始终 有问题。这驱使我们对每个供应商生产的单板差异进行调 查。弯曲模量测试的结果表明：那些通过ICT测试和ICT测 试失败（焊盘剥离）的供应商单板之间存在很大区别（约 25％），如图4所示。

对板材树脂进行的TMA（热机械分析法）测试结果表 明：2家没有出现焊盘剥离问题的供应商所使用的是标准FR4板材，其Tg<140℃。而那些出现失效的供应商所使用的是高Tg FR4板材，其Tg>150℃（如图5所示）。树脂微硬度数据表明：高Tg FR4单板出现的ICT焊盘剥离失效较多，这些单板的硬度要大于那些没有出现焊盘剥离的标准FR4单板，这也表明高Tg FR4树脂的脆性更大。

这四家供应商的PCB叠层的切片分析表明：每家供应 商的单板结构都有所不同，如图7所示。如果铜箔设计图形 固定，玻璃布织纹结构是决定Ex、Ey平面模量的主要影响 因素。“焊盘剥离”是在PCB表面的顶层树脂处开始发生的 局部效应。每块单板正反面的最外两层介电层的玻璃布／树 脂结构都是一样的，所以Ex、Ey平面模量的差异不太可能会对“焊盘剥离”造成很大的影响。

本案例的研究发现与以前用冷焊球拉拔力试验(CBP)评 估二级互连焊点强度的研究结 果一致。那个研究项目的成果 表明：不同的层压材料（标准 与高Tg FR4），其PCB侧焊点 强度有明显区别。图8 表明：高TgFR4板材上的冷焊球拉拔力峰值载荷值明显低于标准 FR4板材上的测试值，这一结果与焊盘剥离失效模式数据相 吻合。

根据这一案例研究的结果，PCB层压树脂类型的选择 对焊盘剥离失效有很大的影响。PCB材料特性和结构特征的 进一步调查分析正在进行中，以确认上述结论，同时明确 导致焊盘剥离的其它影响因素。PCB树脂类型的影响也引出 另一个问题，那就是目前业界的材料、叠层结构和板材供 应商之间的各种材料特性差异大。

PCB材料特性差异测试安排
为了评估层压材料的机械性能，本文采用了一个通用 测试板对所关心的PCB材料特性差异范围进行了研究。

图9所示为本次测试中所用的材料评估单板（MEB）。 MEB单板上有一个综合考虑各个供应商和层压材料情况的 电路图形设计，主要关注考察叠层、层压材料和供应商之间的各种材料特性差异。

采用各种测试指标来评估以下PCB材料特性：

• 玻璃化转化温度（Tg）
• 弯曲模量（Efx，Efy）
• 平面弹性模量（Ex，Ey）
• 剪切模量（Gxy）
• 树脂微硬度（HV）
• 泊松比（nuxy）
• 热膨胀系数（CTE）
• 热重力分析（TGA）重量减轻

指标描述
• Instron材料参数：利用一个宽0.75英寸×长5英寸的 试验板和62mil应变仪，采用ASTM D3039测试方法，测 量X—Y平面的弹性模量和泊松比（Ex，Ey，nuxy）。 X—Y平面的剪切模量（Gxy）的测量也用同样的试验板， 采用的测试方法是ASTM D3518。由于计量限制，还未 能测量到准确的Z方向弹性模量（Ez），超声测量表明约 1.5

• TGA：热重力分析仪能测量在受控环境条件下，随 着温度或时间变化的样品重量及其变化率情况。根据IPC TM650 2.4.24.6测试方法，PCB样本在制备好后进行多次温 度循环（室温~300℃@10℃／分钟），同时在每次循环后 捕捉测试样本的重量减轻情况。

• TMA：热机械分析仪测量在受控力和温度条件下材 料的变形量。用不同探头可以施加压缩、弯曲或拉伸模式 的力。TMA可测量材料固有特性（如膨胀系数、玻璃化转 化温度和杨氏模量），也可以测量过程／产品性能参数（ 如软化点）。在本研究中，根据IPC TM650 2.4.24C测试方 法，将小PCB试样（6mm×6mm，每种层压材料类型对应 两个样本）从室温（25℃）加热260℃和Tg温度，基于探头 的位移量计算PCB的CTE值。

• MHT：微硬度是测量材料相对另一个更硬材料的阻 力，或通过用一个特定形状的压头，施加特定载荷一段时 间后，测量材料上生成压痕的面积。压痕表面积可通过其 对角线长度计算得到，用户通过微硬度工具的显微镜可测 量得到对角线长度。从PCB上切割下样品，而后铸模成树脂 和金相切片，这样就确保在微硬度测试时，样品测试表面 规则而平坦。

材料测试结果
如前所述，用MEB测试板来评估层压材料特性的差 异，表1列出了本研究中所用的MEB测试板信息。

Z方向CTE和Tg：对每块MEB测试板的TMA测试结果 进一步证实了高Tg FR4和标准FR4板材的区别（如图10A和 10B所示），每种材料的实际结果与材料数据说明书上宣称的数据都稍有差异。

Instron材料参数测试：弯曲模量测试的结果如图11所 示，对于特定的叠层／供应商，高Tg FR4 PCB材料的刚性始终高于低Tg材料。

弯曲模量因叠层／供应商不同而不同的原因可能是各 供应商之间的叠层结构不同，如图12所示。在每个叠层中 玻璃布结构和玻璃纤维数量各异，这也许可以解释刚性差 异。标准或高Tg FR4树脂的具体型号也会有差异，这也会 影响材料特性。这些影响一时难以全部理解或量化，需要进一步调查。

弯曲模量受众多基础特性（如弹性模量、剪切模量、 X／Y／Z方向的泊松比）的综合影响，同时也能反映相关 材料特性的变化。Instron测试数据表明，在基础Ex、Ey和 Gxy机械特性上有相似的差异，如图13A和13B所示。所有4种MEB测试板的泊松比都相等。

MHT微硬度：在对不同MEB测试板进行数次无铅回流 焊的前后，测试不同MEB测试板表面层上树脂的微硬度。 测试数据如图14所示，它们与案例研究的数据结果一致，也就是高Tg FR4树脂的硬度要高于标准Tg FR4树脂。

TGA：在经过两次温度循环的温度退化测试后，在 重量减轻上没有看到明显的差异。测试的温度循环次数没 有超过2次是因为实际单板组装时经历的热循环不会超过2次。

弯曲模量与瞬时弯曲应变的相关性
根据工程经验和有限元仿真数据的结果，影响瞬时弯 曲应变和弯曲刚性的三个主要因素是Ex、Ey和Ez。Ex和 Ey不会出现较大变化，它们也与焊盘剥离没有直接关系。 平面外的弹性模量（Ez）会直接影响焊盘剥离，机械测试 数据的拟合模型效应筛选表明：弹性模量（Ex、Ey和Ez） 是影响单板弯曲响应和应变响应的主因子，如图15A和 15B所示。这一结论与以前Paul等人（2）的合成力学分析 结果相一致。

用ABAQUS软件模拟仿真一个标准BGA封装的球形 弯曲，以评估这些机械特性值对瞬间弯曲测试的影响。拟 合模型和柏拉图如图16A和16B所示，瞬间弯曲模型表明 应变响应有约±10％的偏差，这是由于MEB测试得到的 机械特性差异导致的，MEB测试数据结果差异有限，而 实际PCB材料的差异范围更大，主要的影响因素是Ex、 Ey及Ey方向的弹性模量值。由于目前不能确切地测量得到 Ez值，为了更好地定义这一变量，正在使用了超声波和波 纹测量法进行测量。

测试用的MEB单板的铜箔布线都一样，样本都是从单 板的同一个位置上切割下来的，这样保证本研究中所用样 本的铜含量和形状都一致。在铜含量和PCB形状相同的情况 下，弹性模量（Ex、Ey、Ez）的变化主要受玻璃纤维叠层 和树脂类型影响。根据PCB结构平面走向特点，依据混合法 则，玻璃纤维和树脂对平面内机械特性（Ex、Ey）的影响可近似表达为式1。

根据PCB层间的平面叠层方式，依据横向混合法则， 平面外模量（Ez）的计算公式如下：

铜和玻璃纤维的弹性模量（分别约120GPa和70GPa） 远远大于树脂的弹性模量（约3GPa），这样，可将式1和式2简化成式3和式4。

式3表明：玻璃纤维和铜箔是决定平面内弹性模量的主 要因素。然而上述分析没有考虑到铜箔平面、过孔和其它 PCB设计要素的随机分布影响，为了评估玻璃纤维织纹对 Ex、Ey的影响，MEB测试数据分析时，将树脂／玻璃比的 容积率和PCB设计的铜箔分布设为常量。式4表明：树脂的 弹性模量是MEB测试数据中平面外模量Ez变化的主要影响 因素。MEB测试结果和以前Mao等人进行的研究成果（3） 印证了这一方法的正确性；同时，从PCB结构和制造测试研究角度看，层压树脂类型也与焊盘剥离失效有关。

多个变量对弯曲模量的影响
本研究安排了另一批M E B 测试板进行弯曲测试， MEB测试板考虑了不同板厚、更多供应商和树脂类型、不 同的外层介质结构、不同的板层数等众多因素。如图17所 示，测试数据的综合情况表明有许多因素会影响弯曲模 量。高和低Tg FR4板材依然是影响弯曲模量的主要因素， 高Tg FR4单板的弯曲模量更大。那些不符合总体Tg影响规 律的单板（S4P、H1V及P3N）说明了还有其它因素也会影 响单板的弯曲模量。

结论
根据我们进行的试验研究结果，可以得出以下结论：

1）在其它因素不变的情况下，高Tg FR4树脂比标准Tg FR4树脂材料更容易发生焊盘剥离失效；这一发现说明：仅 仅为了满足无铅组装工艺而切换到高Tg FR4树脂，可能会 降低单板的可靠性；

2）在铜箔分布和外形一致的情况下，PCB叠层结构和 树脂类型会改变PCB材料特性，树脂类型会导致焊盘剥离失 效的重要影响因素，同时板层数、厚度、平面形状特征和 铜箔分布对焊盘剥离失效的影响需要进一步的调查；

3）在制造环境中，弯曲模量、Tg、微硬度和冷焊球拉 拔数据等因素都会对焊盘剥离失效造成影响；

4）应变规格特性差异可用弯曲模量的差异近似表示， 测量弯曲模量可以作为PCB应变规格特性影响的筛选工具；

5）混合法则方法也许是PCB应变状态的第一位近似 值，混合法则假设可用来简化FEA和分析预测建模工作，至 少可以满足一阶计算要求。

研究导致焊盘剥离失效的各种材料规格、明确关键材 料特性的目的是为了开发更好的层压材料。焊盘剥离缺陷 除了与层压材料有关，还涉及到许多其它因素。单板和元 器件设计、焊料合金、组装和测试都会对最终单板的质量 造成影响，后续需要对它们进行进一步研究，以调查它们 对焊盘剥离的影响。本文旨在总体介绍Intel目前的研究进展 和已取得的成果，为后续相关研究奠定基础。焊盘剥离是 目前的一个业界难题，已成立了一个研究工作组进行深入 研究，其目的就是对共性缺陷报告进行研究，并找出测量 焊盘剥离响应的全新度量指标。Intel是这个工作组的主席单 位，同时鼓励其它公司参加到这个工作组中。公开的测试 结果将提高业界对此问题的认识，并指出这一难题的解决 方向。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

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图15

图16

图17

表1

(Sourced from the Proceeding of IPC Printed Circuits Expo®, APEX and DesignersSummit 2007, for more information, see: china.ipc.org)