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ldquo;PCBA关于耐焊接垫开裂特性，在冷球拉伸力试验中，验证高频高速介电材料的强度rdquo。
网络通信包括有线宽带和无线传输，继续发展更高速的传输速度，从3G发展到当前4G/LTE世代，物联网IoT成为未来电子产业的趋势，国际标淮组织ITU提出5G时间计划，到2020年完成正式标淮规范后启动5G商用系统建设，信号传输速度和容量的增加带动了通信市场中云服务的快速发展。
华为数据中心调查机构预测，2015年家庭和企业等各种新应用的82%利用云计算，2016年世界电信收入中，IT云服务收入将达到4900亿美元1。华为及浪潮出货量的比例显著增长了2位数。
图1-行动通信4G/5G时间表（出典：国际电信联盟ITU2）
工研院根据2016年的统计数据，在铜箔基板材料的种类中，高速板材2015年的年需求量增长幅度为6.6%，市场价值达到5.76亿，伴随着世界物联网的云应用，在中国各地建立数据中心和基地台，进一步牵引高速板材和高耐热板材，2017年年需求量增长幅度为4.4%市场价值预计将达到6.44亿。3因此，云数据中心的数据存储和数据处理的服务器、通信装置、各终端的电子设备等硬件也需要支援日益提高的网络传输速度性能，因此电路设计和板材选择需要考虑高频高速的通信传输速度绝缘材料为低介电材料（Dk:3-4。2@1 GHz、Df:lt;=0.005@1GHz）和低粗糙度铜导体（（Low Roughness）被采用以降低信号传输的导体损耗，并且电路板需要具有更高的耦合强度以组装球形直径和间距小的BGA元件和无铅PCBA的高玻璃化转变温度（Tg）。
这些终端产品必须长期使用和运行，除了必要的电和热性能外，这些基础设备和产品也应考虑更严格的可靠性要求。另外，使用较厚且较大的电路板尺寸，适合基础建设类产品的设计。还有其他需要考虑的因素如下。
1.用更高的填充剂含量减少水分的吸收，热膨胀系数
2.无卤阻燃剂的热机械可靠性和环境保护适应性
3.在相对较低温的过程中，树脂需要与铜垫和导体良好的粘结性
4.使用硅表面处理的低介电常数玻璃纤维。
综合这些因素，与以往的未填充双氰胺中硬化的介电材料相比，用于提高温度和性能要求的这些新材料，在专门针对信息通信技术和其他处理阶段的印刷电路板组装过程中，IC封装的尺寸大、焊盘直径小、迭层更复杂等印刷电路板担心发生垫块开裂而失效的情况会变高。或者，在产品运输和使用寿命之间，加速其潜在导电丝CAF的生长和热机械可靠性问题的发生。另外，AI人工智慧晶片以封装陶瓷基板为主，包装尺寸也大可达70mmtimes；70mm因为AI晶片需要高的运算处理，所以高的I/O腿数会导致垫径小、更细的间距FinePitch，所以也容易发生同样的问题。
在IPC~9708中，垫块开裂在介电材料图15所示的BGA封装中定义为在印刷电路板中由机械应力产生的裂缝或表面粘结元件的垫下的断裂。印刷电路板）在组装过程中，受到机械板弯曲或掉落冲击的应力在锡球附近产生以下几个失效模式，这些失效模式可能发生的原因是锡球焊接冶金、封装类型、结构、组装电路板的组装和垫标度、PCB包括材料等，通常在不同的应力下，这些失效模式可能同时发生。
图1ndash；具有接合力介电材料失效的裂纹掉落在玻璃纤维上的例子5
由IPC-9708标淮规定的各种不同的垫位开裂失效模式的例子如下。
焊盘剥离（图2）：
锡球焊接垫和锡球剥离。剥离中可能含有破裂的基材。这种失效模式是（铜箔）接合类型的失效，并且对于作为介电层中粘合失效模式的焊盘坑裂纹。
图2-焊盘剥离
导体裂纹（图3）：
印刷电路板焊盘被剥离，但与导体部分连接，粘结失效。
图3-导体裂纹
玻璃纤维暴露的坑裂（图4）：
印刷电路板垫块坑的裂缝及底部玻璃纤维的暴露。
图4-玻璃纤维暴露的坑裂
玻璃纤维没有裸露的坑裂（图5）：
印刷电路板焊接垫的坑破裂，露出了基底树脂，但没有看到玻璃纤维，介电材料中树脂的粘结失效。
图5-玻璃纤维没有裸露的坑裂
为了减少开裂垫坑的发生，需要用机械应力测试各介电材料的耐性。因此，机械板弯/我们开发了弯曲试验、声辐射检测、落下冲击、冷球拉伸力和热针拉伸力等各种验证测试方法。最初的3个试验的目的是，将电路基板的组装作为试验载体，最后的2个是印刷电路板作为试验载体。由于组装电路板载波的测试通常以不同的失真率和失真率同时产生多个失效模式，所以需要更多的时间来分离各个失效模式的形成原因，并确定组装中最弱的位置。
由于焊接冶金、包型、结构、PCBA组装电路板的组装件和垫的尺寸比例和材料等包含较高的动力加速度和更多的变量，这意味着PCBA组装电路板级的测试没有时间和成本效果。另一方面，在垫载体测试中，容易控制垫下的介质层的失效模式，定义垫、树脂、玻璃纤维之间的粘结力。这项研究中提到的两种垫级测试，因为在冷球拉伸试验中本身不会引起额外的变异热介入测试，所以试验中产生的变异数比热针拉伸测试更容易控制。
在这项研究中，介电材料的3个基本类型包含以下内容。
1.高玻璃化转变温度（无酚填料）FR4
2.高玻璃化转变温度（无卤素）FR4
3.高速材料类。
这三种材料对冷球拉伸力（CBP测试中的开裂垫的效果有很好的灵敏度。
实验的设定和步骤
测试板
表1示出了用于高性能服务器、网络和通信应用的本研究中所使用来自不同材料制造商的介电材料的机械特性和特征。这些材料是几家厂商提供的，都符合无铅工艺规范的要求。该迭层包括6层介电材料，所有的电路基板层在相同印刷电路板上重复。最终测试板尺寸为60mm（长）times。60mm（宽）times；2.2mm（厚度）。并用化锡进行表面处理。
铜箔
基板
材料类型树脂含量（%）1OZ的剥离强度（lb/in）弯曲强度MPa制造商A高玻璃化转变温度FR4534.5460~500M1B高速材料534.042~450M1C高玻璃化转变温度FR4535.1~6.8gt；400M3D高速材料535.5400M4E高玻璃化转变温度无填充酚FR4538~11gt；380M2F高速材料535~7gt；350M2
表1-不同介电材料特性和特征（*IPC4101C规格表和制造商的数据）
各测试板有5个测试区域10mmtimes。10mm）每个领域具有不同的垫尺寸，在14mil到18mil的范围内增加了1mil。焊接垫的设计与实际直径不同，因此必须测量实际直径为16mil的焊接垫，选择进行试验，减少变异。这里，所有的焊盘都由非阻焊层规定（NSMD）设计，在所有的焊盘和焊接电阻层之间保持5mil的间隙（如图6所示），具有焊盘和焊接球的最佳结合空间。
图6-测试板的设计
给我实际看看
图7的示意图描述了整个实验流程，并且必须用光学显微镜（OM）测量所有的焊盘直径，并选择16mil plusmn的直径。在1%范围的焊接垫上进行了研究试验。
图7-实验流程
种球
首先，将试验板配置在固定治具上，SAC用网板将锡膏印刷在试验板的垫上，使用20mil直径的SAC锡球，然后用落网板将锡球掉落在锡膏上。在锡球附着在均匀涂抹的锡膏上后，去除落球网板（参照图8~（a）amp；9-（b））。并且，用回流焊接炉烧制，在回流焊接中添加氮气防止样品氧化（参照图8~（c）。
图8（a）涂锡膏（b）落球位置（c）回流焊接后，锡球与试验板的结合
图9表示植球的合格参考标淮。在任一个回流焊接后的锡球下露出铜的情况下，由于结合强度受到影响，排除该球进行冷球拉伸试验。图9腐蚀63？（b）和图9？如（c）所示，仅在焊接垫完全覆盖、结合的情况下才能容许焊接垫。
图9是植球的参照标淮
设置冷球拉伸测试
图10中的冷球拉伸装置可以使用相同的夹具进行测试，并且可以用于具有一定范围的各种尺寸的锡球。
图10-（a）冷球拉伸试验设备（b）试验板固定台（c）拉伸球夹具
收集数据
焊接垫直径16mil阵列中选择50个点进行拉伸测试，各材料有5块测试板，一块测试板选择50个点，所以一共250分做拉伸测试数据，测试后再用统计软件进行分析统计。测试后产生的失效模式根据材料、工艺流程、几何设计而不同。这些失效模式是1。锡球断裂
2.金属合金IMC层的断裂
3.印刷电路板的垫块开裂或以上失效模式的合并（参照图11）。
本研究的焦点在于印刷电路板的垫位开裂失效模式，失效种类可以分为以下4种。
1.剥离垫板
2.导体破裂
3.玻璃纤维暴露的坑裂
4.玻璃纤维没有裸露的坑裂（参照图2~5）。
裂纹本身沿着电阻的最小路径延伸以减轻应力，最初沿着焊盘的边缘通过树脂整体向下延伸，或者在焊盘下面的树脂和玻璃纤维之间集结，或者在焊盘（导体）下的介电层上断裂。这个坑裂纹的失效可能不会立即导致电路中断，但随后在运输和持续使用下，由于裂纹扩展可能导致电故障。
结果和讨论
冷球张力的典型失效模式
图11是冷球拉伸试验中的典型失效模式
介电材料的设计有很多变量，例如，树脂成分、固化剂、玻璃树脂含量、填充剂的含量等，要找到哪个是提高破坏性来减轻失效的最大因子是相当不容易的。从断裂力学的观点来看，很难通过该测试方法量化矩阵中不同分量之间的粘结力。因为当发生裂纹时，树脂材料本身可以吸收大部分裂纹能量，并且裂纹深度分布的失效模式是随机的。因此，基于一个试验，只能断定树脂自身的断裂韧性的改善是提高材料性能的方向。遗憾的是，这些材料没有一系列标淮方法或规定，可以用于试验抗断裂韧性。因此，只能使用一般的机械性质来确定弯曲系数、弯曲强度和剥离强度等的关联性。
一、Halogen-free介电材料结果和讨论
冷球拉伸力CBP试验的目的是，通过从垫上的垫垂直向上拉伸，观察垫CuFoil）和下面介电材料之间的断裂强度。这个测试不足以确认裂纹的起始点和扩展轨迹，但是可以量化整个断裂过程的总能量。
图12和图2示出了冷球拉伸试验中六种材料的断裂强度。这六种材料结果可以观察到略有不同，其中B种材料可以观察到较低的断裂强度（约880克）。这六种材料的标淮差都在容许范围内，可以比较其所具有的断裂强度的平均值。另外，从这6种材料中各取一张截面，确认其中没有焊接点缺陷。例如，空焊、冷焊、空腔等。这些因素会影响整个测试的结果（参照图11）。
高玻璃化转变温度（无酚填充材料）FR4（材料E）的拉伸强度优于高玻璃化转变温度（无卤素）FR4（材料A、C）以及高速材料类（材料B、D、F），表示如果树脂填充材料的含量少，附着力就会增强，树脂的脆性也会降低。表1还表示材料E（制造商M2）具有最高的剥离强度（对铜具有良好的附着力）。从图12开始，E材料失效，IPC？9708规格rdquo被观察到。玻璃纤维暴露的坑破裂rdquo；失效模式（参见图4）。这种失效类型可能是相对理想的失效模式，表明对垫块开裂的抗性较高。
相反，本研究中最差的B材料（高速材料）也显示出同样的失效模式，但玻璃纤维的断裂区域大于树脂。虽然具有较高填充剂含量的树脂被认为是用于降低电介质的介电常数和热膨胀系数的理想设计，但是其副作用是脆性的增加以及树脂在弹性系数或玻璃纤维上的附着力的减少。表1示出了材料B（制造商M1）由于更脆的材料、铜箔特性和低粘结性而表现出较低的剥离强度。另一方面，D和F这两种高速材料具有与B材料相同的树脂含量（均为53%），但冷球拉伸力和剥离强度均比B材料高（M2和M4）。因此，在填充过程中，树脂的化学特性影响其附着度。（注：填料的质量比例未知，但可以进一步讨论。）
A及C材料是高Tg无卤FR4s设计，但来自冷球拉伸试验强度不同的制造商M1及M3），失效模式不同（图12）。A材料的失效图案是具有上述部分曝光和树脂破裂的玻璃纤维，C材料中的失效位置似乎在树脂层中，属于rdquo。玻璃纤维没有裸露的坑裂rdquo；选项卡。通过使用后截面观察侧面并进一步分析（图13），我们得出结论，失效模式仍然是图5的类型，并且显示不同的玻璃纤维结构。如果阻燃剂从溴化型转换成无卤素型，树脂对铜和玻璃纤维的粘附性就会下降。为了提高性能，建议修正树脂的化学成分，或者在玻璃纤维（浸渍前）中添加联轴器来增加粘合力。
图12-6种介电材料的冷球拉伸试验强度
铜箔
基板
制造商材料类型标淮差平均值（克）AM1高玻璃化转变温度（无卤素）FR484.7614.2BM1高速材料66.780.5 CM 3高玻璃化转变温度（无卤素）FR448.6619.2DM4高速材料64.21068.EM2高玻璃化转变温度无填充酚FR478.6127.FM 2高速材料66.419
表格2ndash；冷球拉伸试验数据（样品数量：250个/材料）
图13-6种材料的冷球拉伸试验前的截面
图14-冷球拉伸试验后光学显微镜下的失效模式
图15-冷球拉伸试验后C材料的截面侧视图
二、超低损失介电材料（Dk:3-4。2@1 GHz、Df:lt;=0.005@1GHz）的应用和讨论
参考作者2017年2月在IPC-APEX上发表的Cold Ball pull Test Efficiency for thePCBpad Cratering Validation with the UltraLos Dielectric Material论文6，描述了即使使用印刷电路板相同介电材料和电路基板的重复，也基于同一电路基板设计图和板材制作的电路基板。其成品仍因不同电路板厂工艺设定的影响而不同，表3为铜焊盘的实际测量值（16～18 mils），试验板材为4个基板工厂提供的印刷电路板，测定后选择铜焊盘大小的实际值为接近16mils的冷球拉伸力测试。
表格3ndash；选择焊接垫的大小PCB进行冷球拉伸试验6
先前的IPC？9708标淮作为介电材料强度判断的依据，可以规定各种不同的垫位开裂失效模式。各别板厂中不同材料的表现评价如下所示。
1.G工厂：G3gt；GLgt;GEgt;GY
2.H工厂：H1gt；HWgt;H3gt;H5gt;HLgt;HY
3.V工厂：VRgt；VYgt;VE
4.T工厂：TYgt；TRgt;T8gt;TEgt;T2
从图16的箱型图显示各介电材料的平均数和标淮差，从数据来看是相同的材料，但是在不同的板工厂的制作下可以看到不同的表现结果。相反，不同的材料是在同一个板工厂制作的结果。例如，材料TY的强度，与板工厂T的工序和板工厂G的工序相比，在板工厂T的工序中显著优秀。另外，材料G3的强度在相同的G板制造工序中比材料GY优秀。由于基板工厂的工艺设定的不确定要素和铜焊接垫的大小都会影响电路基板的表现性，所以藉由材料强度的评价结果能够理解介电材料的每间板厂中的强度表现。电路板工厂可以通过该冷球拉伸试验来评价哪个介电材料在工厂内的过程中具有最好的表现，以降低焊接垫的坑裂引起的退货率。但是，由于板场过程设定的变量的影响，对于结果不能判定不同介电材料表现性的强弱。
图16-冷球拉伸试验后，介电材料强度的表现性6
结果
自己IPC？来自9708的冷球拉伸试验用于描述不同介电材料焊接垫的开坑性能。慎重执行该实验，在没有出现异常结果的情况下，证明这是可再现的测试方法，意味着实际操作上是良好的测试方法。在这项研究中，虽然不能明确指出介电材料在经过怎样的冷球拉伸强度后，能够承受产品的实际搬运和使用中的电路板焊接垫的坑裂，但可以如下。
1.提供树脂系统中的选择和设计指标，这些元素影响相对于焊盘开裂的灵敏度，使得最终用户能够选择最佳材料。
2.电路板工厂通过冷球拉伸试验在工厂内的过程设置下，可以选择具有最佳表现性的材料。冲击试验、球形弯曲试验、动态力学分析DMA等与本研究相关的其他试验方法也在持续进行中。
