PCB爆板的真因剖析與防止對策

溫度與蒸氣壓的關係

PCB電路板會發生爆板(popcorn)分層(Delamination)的主要原因不外乎①板材吸水α2/z-CTE太大這兩大類,而「板材吸水」所造成的爆板更佔了70%的不良,其他原因如PCB結構之漲縮不均,冷熱不均、製程受傷與黑化不良…等雖然也不能排除其可能性,但其比率都不太高就是了。

為什麼「水」是造成PCB爆板的主要原因?

PCB的「水」從哪裡來?

既然「水」對爆板這麼重要,那我們得好好研究一下水從哪裡來,就我們普遍的瞭解與認知,大部分的「水」可能都來自於外界,可能是在PCB製程時吸入附著,或是PCB存放時從環境中逐漸擴散(diffusion)進入;但不要忘了,板材內部結構容易藏水也是可能的原因之一;另外一個你可能想不到的,PCB樹脂的分子式裡也藏著水分子,加熱之後會自行產生水分。所以總結板材吸「水」及藏水處有:

PCB吸水爆板的改善方案-烘烤

既然「水」是造成PCB爆板的主要原因,所以只要把PCB內的水分去除應該就可以解決大部分的爆板問題了,而【烘烤】就是去除PCB外部水份的最佳方法。既然烘烤的目的是在去除水份,所以烘烤的條件最好要符合下面的要求:

建議延伸閱讀:
PCB如何烘烤?烘烤條件與方法,為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過回焊爐?

從PCB板材的選擇及製程就開始管控吸水的條件

雖然烘烤是改善爆板的最佳方法,但是烘烤不但浪費時間,也浪費設備與人力,而且PCB烘烤之後Tg值會下降也是問題,比較好的方法是從PCB板材的選擇及製程就開始管控吸水的條件。

以上是工作熊上課後的一些心得整理,歡迎留言討論!


延伸閱讀:
PCB焊接強度與IMC觀念
錫鉛焊料的二元金相圖解釋
SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清

 
 
訪客留言內容(Comments)

工作熊您好,文中提到:Tg2-Tg1之△Tg超過2~3°C者,即表示壓合製程之固化反應還不到位,容易發生爆板。
既然△Tg對預測爆板是一明顯指標,請教此測試在PCB板廠算是標準檢驗嗎?如果出貨時要求板廠提供△Tg測試報告算不算過分要求(不增加成本下)?

另外一個問題是:PCB烘烤之後Tg值會下降。
請問1.是只要烘烤,Tg值就會下降,
還是2.因為含水後Tg下降,烘烤後Tg值回不去,
請再幫忙解答,謝謝!!

erictrim;
1. 板廠能不能測試Tg附上Report必須要請你跟板廠討論,測試Tg屬於破壞性試驗,不過這應該屬於板廠內部的測試項目之一。
2. PCB烘烤後Tg值會下降是因為含水後Tg下降,烘烤後Tg值會比原來的稍微下降,因為結構水烤不掉。

你好,您文中提到了線路板的烘烤溫度,卻沒有提到烘烤時間,是否有時間上的參考值

瀟瀟;
烘烤時間一般視潮濕程度烘烤1~4小時。烘烤的時候必須將板子分開成一片一片。

熊大您好:
想請教您因廠內最近客戶有燒爆的問題,已排除水的因素,我們也自行模擬電測的情況對應客戶的嚴苛條件,若是內層有異物造成內短,會有爆版的問題嗎?謝謝。

Mike;
燒板跟爆板是不一樣的,一般會燒板應該都是有短路造成,短路的原因也很多,要自己找看看問題在哪。

您好 想詢問各位先進 對於PCB版表層受潮的難易程度,是否會因為Solder Mask影響或是表面處理方式不同而有所差別。

Hank;
就個人了解PCB受潮以FR4材質影響最大,綠漆或許也有關係但綠漆並無法把全部的FR4都包覆起來,表面處理的影響就更低了,有些表面處理反而更害怕受到潮濕影響。建議可以到【FB討論區】去問看看。

您好:

請問爆板後的PCB對電性有沒有影響,或是僅影響外觀?

James Wu;
理論上有機會爆板只影響外觀,也就是我們一般說得起泡,但沒有人可以絕對保證它不會影響PCB的信賴度以及後續的功能,因為爆板就表示PCB的內部受損,長期使用也不知道那裡會變得更嚴重,就像坍方,沒有影響到交通,但你敢保證幾天後坍方的地方不會變得更嚴重。

講歸講,理論歸理論,實際上
有誰出貨前會烘烤?
上SMT前會烘烤?
走IR會開氮氣?

很多工廠在板子有問題或是超過規定的存放時限後,都會要求烘烤後才進SMT,這是這個業界很多人的作法。
花點烘烤的時間,確保reflow不會出問題是值得的。

您好, 請問您所提到的爆板問題, 會再做過高低溫測試之後才發生嗎? 也就是一般打件完成後都很正常, 但是必須作高低溫測試, 才有可能將問題浮現出來. 這種爆板狀況, 又該如何分析呢?

Ivan,
PCB爆板的問題絕大部分為水蒸氣所造成,如果你的高低溫環測沒有超過100˚C且不是急劇昇溫,基本上不會有爆板出現。
另一種可能是之前板子已經有De-lamination分層的問題,再高低溫的時候變嚴重,這樣還比較有機會。

Hi 感謝您的回覆; 再跟您請教, 在高低溫的測試, 其實已經是 thermal shock 測試了 (-15~65, 2分鐘內). 所以這樣會達到爆版的條件嗎? 另外, 如果是懷疑是De-lamination, 從切板看的出來嗎?

Ivan,
我沒有辦法直接回答你thermal shock測試(-15~65, 2分鐘內)是否會達到爆版板的條件,因為你提供的資訊並不是很清楚,還是那句老化,爆板最大原因為水汽膨脹,你應該要看那些情況下會有水汽膨脹的問題。
切片可以看到De-lamination,但必須先確定De-lamination的位置切片才能找到問題,否則一大片板子,不太可能每個地方都切片。

最近遇到一個問題,化金板PCB超出2年,我是不接收出貨使用,但客戶還是要使用說出貨前烘烤就可以接受,但出貨後到終端客戶就出現不開機情形(我司、客戶都有加溫55度測試24小時才出貨),回廠後分析確定是PCB異常,至PCB板廠進行飛針測試,結果是Pass的,但量測異常點確有阻抗過大(正常:1.5ohm以下 異常:3~4ohm),目前正在進行切片作業,我在想是不是爆板的原因,還是VR孔有問題呢

Allen,
烘烤只是除濕,防止爆板,但無法完全防止分層(De-lamination)。
客戶硬要用就請客戶出具文件,同意允收,以後如果有PCB分層或是via孔破裂問題自行吸收。

工作熊您好,

近日碰到華南客戶持續反映爆板, 但同樣製程做出來的同料號PCB也有出貨到客戶的墨西哥工廠, 卻從未發生過爆板, 對方告知因氣候關係保存倉庫不需做溫濕度管控, 且上件前會烘烤

我們認為多半是與氣候環境有關, 但華南客戶非常排斥在上件前烘烤(客戶同意烘烤了一段時間皆未發生爆板), 請問有相關的SMT規範要求上件前應該做烘烤嗎? 因為J-STD-020似乎只對元器件作規範?

謝謝您!

Jerry,
我想要需要的答案應該已經在你的心裡了。
J-STD-020基本上只是規定給封裝元件使用,印象中有一份PCB的操作及儲存手冊,好像是IPC-1601,自己找一下,我沒有文件,如果你可以找到也歡迎分享給我參考。

您好,請問PCB除溼烘烤後有規範多久時間內,需上線進行打件?
查詢IPC1601 3.4除溼烘烤、5.3打開隔潮袋後,均沒有明確說明烤後、拆封後多久內需打件完畢。
是否有建議的時間呢?

Karen,
這個沒有固定的時間,一般要求越早焊錫越好,有人規定2H,有人規定5天內用完,而且還跟板厚與表面處理及環境溫濕度有關,個人建議拆封後在4H內用完。

感謝工作熊大,上述有個點看不太懂
1. 當溫度超過100°C後,「水」就會成為樹脂的可塑劑。 樹脂吸水較多時Tg值會下降
2. PCB烘烤後Tg值會下降是因為含水後Tg下降,烘烤後Tg值會比原來的稍微下降

1. 跟2. 邏輯有點對不上,樹脂吸水(水變多)Tg下降,烘烤(水變少)Tg也下降
請幫忙解惑一下,感謝

熊大,您好

小弟想請教,所以若是大比例的爆板,在PCB的製程中應該特別留意其壓合製程前後跟其倉儲儲存溫濕度管控是嗎?

謝謝您

熊大 您好,

想請教您,若是大爆板比例的狀況,是否跟其壓合前後以及倉儲溫濕度控管較有關是嗎?

謝謝您

DaDa,
首先,你的「大爆板比例」就沒有描述清楚,是同一片板子有大面積的爆板?還是同一批料有很多板子爆板?
就如文章中提到的,爆板最大的兇手是「水」,所以儲存環境能否有效防止水氣是一大關鍵,而且板子存放多久後出現爆板也是個條件,這也是很多公司內規選擇板子存放超過一定時間就醫定要烘板才能使用的原因。
如果是剛從板廠送來的新鮮板子出現爆板,應該可以直接找板廠來處理,你認為的壓合問題也應該由板廠來回答。

請問大大,PCB進入烤箱當下的溫度是幾度最合適?烤箱需要預烤嗎?

Nick,
對PCB來說,是否預烤關係不大,因為PCB的Tg值高於100°C,而且PCB預烤的溫度也不會高到100°C,所以差異不大。
當然,最好是從室溫開始慢慢加熱是最安全的。
預溫可以節省時間,如果你需要預溫,絕對不能高於100°C,否則水分馬上變水蒸氣,反而會出問題。預溫還得考慮人員操作問題。

大大,我家的板子570mm(L)*440mm(W)*2.63mm(H),烘烤完後放於濕氣20%除濕櫃約兩個月,請問使用多少溫度與烘烤時間最少大約需要多久??

Nick,
這個你得自己決定,建議你可以先參考這篇文章 為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過爐?

我們生產時發生Z脹,我們懷疑PCB本身Tg問題或吸濕問題導致,但供應商拒不認同,請問這個該如何?
是不是直接請第三方測試Tg就可以層別問題?

供應商認同我們的Reflow Proflie,均符合需求。
供應商懷疑是我司外力造成… … 無以言對

Andre,
1. 部落格是不允許訪客上傳圖片的。你必須先上傳到一般的圖庫,然後貼連結。你可以直接上Facebook的討論區 https://www.facebook.com/groups/researchmfg/
2. Z脹是分層還是起泡?如何確認是Z脹。
3. 供應商懷疑是外力造成,那可以請應商把問題模擬出來再來說。

Andre,
剛看了你有電子郵件傳過來的圖片,你的問題應該不叫「Z脹」吧?還是我的理解有誤?「Z脹」通常指的是Z方向的膨脹,也就是PCB厚度的變化。
你的問題應該是PCB單純的X-Y方向的熱脹冷縮。
你確定你第一次(面)及第二次(面)量測的是同一片板子?還是隨便抽取的板子?
X-Y方向的熱脹冷縮與CCL的材質及玻璃纖維的方向有很大的關係。另外,還與PCB過完爐後多久量測有關,如果是在溫度還沒冷卻前就量測,誤差會相當大。
還有就是板廠一般都會有其X-Y方向伸縮的容許公差,如果你們對這個拼板尺寸很重視,就要特別標是在給板廠的規格上。
話說回來,大部分的SMT廠都會依據PCB實際的尺寸去開鋼板來克服這種拼板間尺寸的問題,還有建議第二次SMT要等冷卻了才印錫膏。

熊大大,是我描述错误。Sorry
所有的测量都是等到完全冷却之后,第一面生产之前量测没有问题,第一面过完炉后出现问题,XY热胀冷缩。第二面再印刷的时候,无法补偿,每一片连板涨缩比例不一,哪怕单panel上的single piece 都不一样。最后我们是重新制作过炉治具,把连板裁切后,单板放进治具再印刷生产。这种涨缩,看样子只是板边和单板的joint位置,毕竟单板尺寸没有变。只是间隙差异,斜掉了。

Andre,
我個人的推測是板子彎曲變形導致你認為板邊與單板的距離有變異。
從你之前板子的連筋在每片單板上只有上面一個連筋、下面一個連筋,基本上結構不是很強壯,尤其是連板的最左邊與最右邊的單板變形應該會醉嚴重。
一般我們會讓連筋連在單板靠近最邊邊的位置才會比較強壯。

忘記補充,我們是六連板。
這個不能上圖啊?

請問,使用人工焊接通孔元件時,焊錫會出現沸騰的現象產生小泡泡,是不是因為PCB放太久潮濕造成的? 謝謝

Yuri,
沸騰是因為有氣泡,也就是有氣體產生,其發生的原因有可能潮濕,潮濕可能來自PCB,也可能是環境或是錫絲。另外,氣泡也可能來自是助焊劑,有些錫絲中會有助焊劑,如果自己又額外添加助焊劑也是可能原因。


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