我永远记得2004年的“无铅的夏天”。最终，无铅电路板成为标准生产模式。 装配商将他们的大部分精力（通常是在我的要求下）集中在最终的表面处理和适当的层压板选择上。 然而，我们没有预料到的是，在那个漫长并且炎热的无铅的夏天，分层剥离影响到了整个行业。

经过大量的研究，Isola提出了无铅PCB制造和组装指南，概述了PCB制造和组装过程中的各个步骤，这对于成功的无铅PCB组件至关重要。 该指南中增加的最重要的工艺步骤是烘烤——在制造过程中、组装之前最为关键的步骤。 烘烤的目的是将PCB中的水分去除。

水分在无铅PCB组装中至关重要。 因此，重要的是要辨别你的层压板基材的规格。 北美PCB用户的普遍想法是指定最高端的层压板，如符合IPC 4101/126和/129的层压板。 这些层压板通常是酚醛固化材料，其玻璃化转变温度（Tg）和分解温度（Td）方面的热性能能在无通孔失效的情况下经受住无铅装配，并且还有很大余量。

不幸的是，这些层压板的其他性能和组装温度为可靠性故障创造了一个完美的环境，其中包括：吸湿性、层压板之间的粘合强度和无铅组装温度下的水蒸汽压力。

吸湿性

图1：原始的酚醛层压板数据表中0.45％的吸湿率  

图2：现在的酚醛层压板数据表，吸湿率为0.20％

符合IPC 4101/21的酚醛材料与传统的FR-4材料相比，酚醛材料的吸湿性高2倍以上。在早期，技术数据表使用0.028英寸厚度的核心材料进行吸湿性测量。基于该测试试样，酚醛层压板的吸湿率为0.45％；标准的FR-4层压板的吸湿率为0.20％。随着时间的推移，可能有人狡猾的将测试试样改成了0.059英寸厚度的核心材料，从而增加了重量损失计算的分母，使得吸湿率变成了0.20％，与标准的FR-4层压板相当。

铜剥离强度（用于测量层间粘合力）

影响分层的另一个关键特性是层间粘合强度。 我们以前测试过的标准FR-4材料的层间粘合强度在10-12磅/英寸范围内，如表1所示。

由于材料组成不同，酚醛材料的剥离强度往往低得多，通常在3-4磅范围内（表2）。

数据表明，在较高温度下，酚醛固化的无铅的层压材料的剥离强度仅有标准FR-4材料的约三分之一。

And Now... The Perfect Storm

Isola的研究表明，在标准锡铅（SnPb）回流温度（约200°C至217°C）下，PCB中的水蒸汽压力为225psi。 然而，在无铅回流温度（约250℃）下，蒸汽压力提高2.5倍，至550psi。

所以，你的材料吸收两倍的水分，有三分之一的粘附强度，并必须对抗2.5倍的压力。很好。

这些因素的组合是作为制造商的我们在工艺中加入额外的储存预防措施和烘烤参数的主要原因。 不幸的是，这还没完，因为PCB的用户有责任在组装之前进行预烘干，以去除重新吸收的水分。 Isola建议根据以下参数进行烘烤（表3）：

水分造成的分层

目前，由于该工艺所需的时间和精力，许多PCB装配商都没有进行预烘烤。 我们的许多客户认为成功的无铅PCB组装工艺的指标是不会分层。 然而，重要的是什么会导致分层。

当水分变成水蒸气时会离开PCB。 在传统铅锡时代类似的故障是气孔。 当水分通过镀通孔孔壁（通常是PCB上最薄弱的点）离开PCB内层时，会出现气孔。

然而，在无铅PCB中，层压板是蒸汽排出的最薄弱的地方。 在这种情况下，蒸汽会垂直（Z轴）离开内层，这就导致了普遍存在的分离情况。

但这又带来了一个问题。 仅仅是板没有分层，就意味着没有问题吗？ 从PCB逸出的水蒸汽造成的机械应力对通孔有负面影响吗？

通孔完整性

在向无铅工艺过渡的早期，我参加了一个Isola的研讨会，主要讨论无铅产品的层压材料选择。 其中的一个重点是，不能再仅仅依靠Tg来提高可靠性。 例如，他们170°Tg的产品FR-4-06，Td仅仅290°，而其无铅产品的Td为340°。 生命周期测试显示，与通过标准SnPb回流工艺的通孔相比，其通孔仅有50％的寿命（通过热循环测试测量）。 部分原因是FR-4-06材料有比新的无铅材料更高的热膨胀系数（CTE）值。 然而，这告诉我的是，通过无铅工艺组装的电路板有可能一开始能够通过电气和功能测试，然后在实际使用中（潜在故障）出现故障。

似乎研讨会的这一部分被大家遗忘。 今天的大多数人只专注于PCB是否在组装后分层。 如果没有分层，则认为板是可靠的。 但是，真的是这样吗？

对通孔寿命影响的研究

我设计了一个实验来验证这一主张，就是在最初测试中没有分层的未烘烤的PCB与在组装之前进行了正确预烘烤的PCB一样可靠。 详情如下：

目标：本研究的目的是为了确定对为无铅回流组装设计的IPC 4101/126或/129层压板进行正确预烘烤的效果。

试样：在本研究中，我们将使用互连压力测试（IST）。 此测试使用特殊设计的代表特殊技术的试样。使用电力制造热循环环境，使通孔产生应力。 通过测量电阻来判断通孔故障。

我们的测试板代表了具有0.012英寸和0.010英寸钻孔尺寸的标准8层PCB，代表了所使用的技术。

试样制备：我们将试样通过三次峰值245°C无铅回流焊工艺，作为预处理。

在回流焊预处理之前，我们对三组试样进行如下的湿度调节步骤：

A组：该组试样将通过使用5加仑水8小时的蒸汽老化来进行预处理。 这将复制最糟条件下的一年保质期。

B组：根据Isola无铅层压板指南，将该组试样在150℃下预烘烤4小时。

C组：按原样。这些样品将从制造环境中取出，包装并在架子上停留30天，以复制标准的码头到仓库的情况。

IST测试方法[1]

IST测试的原则其实很简单。 电流通过特殊设计的试样上的特殊线路。 该电流在那些线路中产生热，然后其加热周围区域，包括通孔、焊盘、层压板等。当以这种方式对试样进行热循环时，通过其它线路和通孔连续监测电阻。 一旦测量到的电阻变化超过10％，则认定该试样故障，已通过的循环次数记录为循环次数。 通常，在通过500个循环后结束试验。

IST测试结果

测试1：8小时蒸汽+ 3次无铅回流焊：

测试2：150℃4小时烘烤+ 3次无铅回流焊：

测试3：原样，收到后3次无铅回流焊

结论

所有三个测试组中的所有试样都通过了1000小时的IST测试。 我本来想搞个大新闻，但不幸的是，数据并没有显示出这种趋势。 事实是，按照IPC 3类规范制造的板似乎并不需要预烘烤。

但是按照2类规范制造的板呢？ IPC 2类PCB是绝大多数PCB设计所使用的。 我们的下一步是使用按照IPC 2类标准电镀的试样重复此实验。 如果您想收到下一次测试的结果，请与我联系