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焊盤作為PCB板上最基本的元件一直備受關(guān)注，焊接時由于需要熔入熔融錫從而使兩件金屬物件結(jié)合起來，該過程中焊盤局部受到瞬間熱沖擊，這是導(dǎo)致焊盤分層脫落的重要原因[1]，表面安裝盤的拉脫（粘合）強(qiáng)度有著嚴(yán)格的接受標(biāo)準(zhǔn)，而客戶手工焊接而導(dǎo)致焊盤脫落的客訴案例屢見不鮮。日益發(fā)展的市場對撓性板的性能提出了更加嚴(yán)苛的要求，因而很有必要對焊盤焊接過程中的拉脫機(jī)制及影響因素進(jìn)行研究。

導(dǎo)致焊盤拉脫強(qiáng)度降低的因素有很多，但關(guān)于這方面的研究報道卻很少。本文分析討論了撓性板材在焊接過程中焊盤脫落的機(jī)理，同時從材料種類，銅厚，焊盤尺寸，焊接溫度，焊接次數(shù)五個因素綜合考察了其對焊盤的拉脫強(qiáng)度的影響，運(yùn)用正交分析的方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(shù)，并在此基礎(chǔ)上給出了參數(shù)范圍，為實際工藝生產(chǎn)提供預(yù)警和參考。

2.1.1 主要物料

2.1.2 實驗設(shè)備

萬能拉力機(jī)（Zwick/Roell Z1.0），TGA測試儀（TA Instrument TGAQ50），金相顯微鏡（尼康）

2.2.1 實驗設(shè)計

設(shè)計4層剛撓結(jié)合板，L1/L2為撓性層，L3/L4為剛性層。結(jié)合實際生產(chǎn)板，參照相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在L1層上設(shè)計了一系列不同規(guī)格的焊盤，測試板圖形設(shè)計及疊層結(jié)構(gòu)分別如圖2及圖3所示。

2.2.2 實驗方法

（1）焊盤拉脫強(qiáng)度參照GJB 362A-96相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)用搪錫銅導(dǎo)線引出，手動焊接好后，用萬能拉力機(jī)90°剝離強(qiáng)度測試模塊進(jìn)行測試，如示意圖4所示。

（2）對拉脫失效的板進(jìn)行切片及微觀分析

2.2.3 實驗參數(shù)

設(shè)計了材料種類，銅厚，焊盤尺寸，焊接溫度，焊接次數(shù)五個因素以綜合考察在不同條件下焊盤的拉脫強(qiáng)度。具體參數(shù)設(shè)計見下表。

2.2.4 計算方法

焊盤的拉脫強(qiáng)度P應(yīng)按下列公式計算

式中P為拉脫強(qiáng)度，單位N/cm2；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(jié)果與討論

實驗選用了A，B，C三家供應(yīng)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(qiáng)度也會不同。根據(jù)GJB 362A-96，焊盤的拉脫強(qiáng)度應(yīng)不小于345N/cm2，即當(dāng)某一焊盤的拉脫強(qiáng)度小于345N/cm2時，即判定為失效。從實驗結(jié)果中可以看到，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，A系列板材所有焊盤均未出現(xiàn)低于標(biāo)準(zhǔn)值的情況，而B及C系列隨著焊接溫度及焊接次數(shù)的增加，均出現(xiàn)了部分焊盤失效的情況，具體列于下表。

從結(jié)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。

將同種材料不同銅厚下的焊盤拉脫進(jìn)行對比，不同焊接溫度及焊盤尺寸下的焊盤拉脫強(qiáng)度實驗結(jié)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(qiáng)度要略大于18 um Cu的板材。這有兩方面原因，一是不同供應(yīng)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(jié)合力，拉脫強(qiáng)度更大；另一方面的原因是由于銅具有較好的導(dǎo)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]，相同焊接次數(shù)下理論上不同焊盤受到的熱量都是相同的，但焊盤在線路網(wǎng)上是聯(lián)通的，焊接過程基材受到熱量后可以通過線路熱傳遞耗散部分熱量，銅厚越大，則焊接過程中有更多的熱量被傳遞出去，因而基材受到的熱傷害也更小，表現(xiàn)為拉脫強(qiáng)度偏大。

以焊接溫度350℃，焊接次數(shù)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(jìn)行對比，實驗結(jié)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(qiáng)度越小，且由于面積的減小，相應(yīng)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(jié)果中C廠商35um Cu基材尺寸0.01cm2焊盤焊接4次后焊盤拉脫強(qiáng)度為501N/cm2，但拉脫力僅為5.01N。導(dǎo)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。

以焊接次數(shù)為2次后的焊盤拉脫強(qiáng)度為例，選擇各供應(yīng)商銅厚35 um的材料，其焊盤拉脫強(qiáng)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(qiáng)度均隨焊接溫度的降低而呈現(xiàn)降低的趨勢，其中系列的材料隨焊接溫度的增加拉脫強(qiáng)度降低較為平緩，B其次，C的變化幅度最大，這也進(jìn)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(qiáng)度隨焊接溫度變化劇烈。

以焊接溫度320℃下不同焊盤的拉脫強(qiáng)度為例，不同材料焊盤拉脫強(qiáng)度隨焊接的次數(shù)變化如圖所示，所有材料的拉脫強(qiáng)度均表現(xiàn)為隨焊接次數(shù)的增加而降低的行為，且拉脫強(qiáng)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(yīng)，PI的Tg高達(dá)350℃，因而不會發(fā)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(fù)的熱沖擊下，PI與銅不斷進(jìn)行微拉扯與回復(fù)的動作，進(jìn)而對界面產(chǎn)生了不可恢復(fù)的破壞。

>>>>3.6 焊盤拉脫原因的討論

不同廠商相同規(guī)格基材焊盤拉脫強(qiáng)度表現(xiàn)得不一樣，為研究這種差別，對不同材料的焊盤進(jìn)行了切片制作，結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(yōu)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(jìn)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N2氛圍下120℃下恒溫2h，實驗結(jié)果如下圖所示?？梢钥吹?，吸水率B＞C＞A，這與基材焊盤拉脫強(qiáng)度不對應(yīng)，這可以說明PI的吸水率僅為焊盤拉脫強(qiáng)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(qiáng)度的優(yōu)劣。

此外，單從較低溫度，較少次數(shù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)造成破壞，其最大拉脫力只與銅面與PI的表面粗糙度相關(guān)，粗糙度越大，銅面與PI之間的結(jié)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(dǎo)致界面出現(xiàn)了裂紋，最終表現(xiàn)為拉脫強(qiáng)度的降低，因而吸水率越小表現(xiàn)為焊盤拉脫強(qiáng)度降低越多。其焊盤拉脫的機(jī)制如下圖所示。

為綜合評估各影響因素對焊盤拉脫離強(qiáng)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(guān)的。用相等水平數(shù)的L16(45)，共有16個子實驗，將不同水平所測試數(shù)據(jù)挑選出來，以最終焊盤的拉脫強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，組織為下表，對所有材料進(jìn)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(qiáng)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(shù)對其拉脫強(qiáng)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(jié)果如圖所示，結(jié)果總結(jié)于下簡表。

從拉脫強(qiáng)度趨勢圖中也可以看到，焊接溫度以及焊接次數(shù)對焊盤拉脫強(qiáng)度的影響較為突出，斜率較大。

4、實驗結(jié)論

1、撓性板材的焊盤拉脫強(qiáng)度隨著焊接溫度的升高，焊接次數(shù)的增加，焊盤而顯著降低，壓延銅系列基材多次焊接后的穩(wěn)定性要優(yōu)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(qiáng)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(shù)是影響焊盤拉脫強(qiáng)度的主要因素，試驗范圍內(nèi)0.015cm²的焊盤在260℃下焊接一次時的焊接強(qiáng)度最大。

易小龍，華南理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士，曾任職于入廣州興森快捷電路科技股份有限公司