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研究生:簡子旻
研究生(外文):Tzu-Min Chien
論文名稱:無鉛電路板特性評估與可靠度驗證
論文名稱(外文):The Evaluation of Printed Circuit Board and Reliability Assessment for Lead Free Process
指導教授:黃乾怡黃乾怡引用關係
指導教授(外文):Chien-Yi Huang
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:工業工程與經營資訊學系碩士班
學門:工程學門
學類:工業工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:印刷電路板無鉛組裝製程電路板分層韋伯機率分配方法
外文關鍵詞:Printed Circuit BoardLead-Free Assembly ProcessPCB DelaminationWeibull Probability
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為因應全球環保潮流及法令限制,電路板組裝製程(Assembly Process)中的錫膏,已由傳統錫鉛合金(Sn63/Pb37)轉換為以錫銀銅為主流的無鉛錫膏(Sn/Ag 3%/Cu 0.5%,SAC305),其熔點提高約34℃不僅縮小組裝製程的溫度區間範圍,也易造成電路板分層(Delamination)、斷裂(Crack)及內部連接失效(Inner Connection Defect;ICD)等情形。

本研究針對電路板材料特性,探討發生爆板的原因及失效情形,期望提出適合無鉛製程之電路板材料之建議,以減少無鉛製程爆板及其他失效情形的發生機率。實驗中利用無鉛製程參數的上限值,建立生產時最嚴苛的溫度環境,驗證各款板材(不同的玻璃轉換溫度、硬化劑)之材料特性及耐熱程度。並以冷熱衝擊試驗(0~100℃,900週期)模擬電路板出貨後使用環境,利用韋伯機率分配及修正Coffin Mason關係式方法推估PCB之期望壽命,以微切片分析觀察失效模式。最後,以組裝業者之最惡劣的生產環境(28℃,60% R.H.)模擬電路板的吸濕情形,驗證濕氣與失效間的關係,並評估生產環境規範之合適性。

研究結果顯示,Normal Tg材質以Dicy跟Phenolic作為硬化劑之電路板材質之期望壽命為2,557,142與51,580小時。在多次的製程高溫環境下,Phenolic硬化之材質表現較Dicy要佳,High Tg材質電路板溫度循環的表現優於Normal Tg材質電路板,且電路板在28℃,60% R.H.的生產環境下吸濕120小時,皆無發生不良情形。故在無鉛製程電路板選擇時,建議以High Tg、Phenolic硬化劑處理之材質較可符合當今無鉛製程的技術要求及發展趨勢。
To cope with global environmental concerns and regulations, the lead free solder has been used in the Printed Circuit Board Assembly (PCBA) industry to replace the tin-lead (Sn63/Pb37) solder. A typical lead free material, Sn/Ag3%/Cu/0.5% (SAC305) has melting temperature 217~221C, which is 34℃ higher than that of eutectic tin-lead solder, and thus reduced process window during the reflow and wave soldering process. This has been found to cause failures such as PCB delamination, crack, inner connection defect, during PCB process.

This research aims to explore PCB failure mechanism and recommend appropriate material and handling process for the boards used in lead-free assembly process. In this study, the most stringent conditions in PCBA process was used for various base-materials of PCB, such as Tg, curing agent, etc. In addition, thermal shock testing (0~100℃, 900 cycles) was employed to simulate PCB performance during field service. The expected life time can then be estimated through Weibull Probability distribution and modified Coffin Mason method. Cross-section analysis was also implemented to identify failure modes. Finally, the PCB moisture absorption property was evaluated by exposing the boards (in a temperature/humidity chamber) at 28C and 60%RH, that is the worst condition in PCBA process environment.

Results indicated that for PCBs with normal Tg, the lifetimes of boards with Dicy and Phenolic curing agents are2,557,142 and 51,580 hours respectively. While Phenolic curing agent performs better than Dicy in process iterations, high Tg material is superior to normal Tg material during temperature cycling. Also, moisture uptake in assembly environment, even at the worst scenario of 28℃ & 60% RH for 120 hours, has not caused any PCB delamination.
誌 謝 3
摘 要 4
Abstract 5
目 錄 7
表 錄 9
圖 錄 10
第一章 前言 13
1.1 研究背景 13
1.2 研究目的 14
1.3 研究內容 14
第二章 文獻探討 16
2.1 印刷電路板相關研究 16
2.2 可靠度試驗相關研究 26
第三章 研究方法 32
3.1 失效數據分析 32
3.2 可靠度函數運算 37
3.3 可靠度參數與壽命估計 39
第四章 實驗前準備 41
4.1 選定實驗因子水準 41
4.2 測試電路板設計 43
4.3 物料特性量測 47
第五章 組裝製程驗證 50
5.1 實驗目標與流程 50
5.2 組裝製程參數 51
5.3 組裝製程驗證結果 54
5.4 多次迴焊驗證結果 56
5.5 初步結論 64
第六章 冷熱衝擊試驗 66
6.1 實驗目標與流程 66
6.2 冷熱衝擊參數設定 67
6.3 冷熱衝擊試驗結果 68
6.4 可靠度分析與壽命預估 71
6.5 初步結論 77
第七章 吸收濕氣試驗 78
7.1 實驗目標與流程 78
7.2 吸收濕氣參數設定 79
7.3 吸收濕氣試驗結果 81
7.4 初步結論 83
第八章 結論 84
8.1 研究限制與應用範圍 84
8.2 結論與建議 84
參考文獻 87
附錄A Gamma函數表 91
作者簡歷 92
英 文 部 分
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