|
![]() |
PCB爆板的真因剖析與防止對策
PCB電路板會發生爆板(popcorn)或分層(Delamination)的主要原因不外乎①板材吸水②α2/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?
-
「水」在100°C以下的時候對爆板(俗稱爆米花效應(popcorn-effect))的影響不大。
-
當溫度超過100°C後,「水(H2O)」就會成為樹脂的可塑劑。(可塑劑或稱塑化劑,是一種可以增加材料的柔軟性或使材料液化的添加劑。當板材分子中夾雜了水分子,就會使得原本板材分子結構變得不再那麼緊實,就類似紙張吸水,當水加熱變成水蒸氣後體積膨脹更撐開板材分子間的距離,使得分子間的結合力降件組織變軟)
樹脂吸水較多時Tg值會下降(△Tg應該小於5°C)且橡膠態會提早到來,將引發板材Z方向瞬間腫脹(Swelling)而快速開裂(100°C~Tg溫度之間最容易發生),參考文章最前面的圖表,水蒸氣超過100°C後的氣壓(psi)將成等比級數增加。
通常板材的X與Y方向之CTE(膨脹係數)較為穩定,約在15~16ppm/°C之間。另外,板材內的隱性水份也會變成樹脂的可塑劑,與外部的水份一起助紂為孽。 -
當樹脂溫度超過Tg點之後,就會轉變為橡膠態,這時候「水」份對爆板已經轉變成為配角,而且這時候的水份也大多已經改變成水蒸氣蒸發掉了,再說橡膠態是軟的,也不容易有爆板才對。
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:
-
樹脂分子本身具有的結構水(樹脂分子結構原本具極性(polarity)處已經隱含有水分子,只要化學式中含有OH就有機會形成水)。
-
樹脂與玻璃纖維介面處容易藏水(板材的構成基本上使用一條樹脂與一條玻璃纖維用經緯反覆編織而成,如果編織不夠密實,就會有縫隙,一般建議選用低透氣率的扁纖布比較不易藏水)。
-
樹脂與銅箔介面處也容易藏水。
-
板材的空洞處會藏水。
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:
-
烘烤的溫度加熱到100°C之上一點點的地方(建議105°C,因為烤箱的溫度會有誤差),讓水份可以變成水蒸氣就可以比較容易散發掉。
-
烘烤時最好把每片板子分開來擺放,這樣水分才比較容易揮發掉。如果PCB重疊在一起,水份將無法有效逸出。
-
烤箱一定要有排氣裝置,否則烘烤時烤箱內全都是水蒸氣也沒有用。
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。
-
板材本身如果有極性,就容易吸水。盡量選用不會吸水的樹脂來防止板材吸水。
-
可以選用開(扁)纖布。減少樹脂與玻璃纖維介面的空隙,以降低容易藏水的可能性。(下面的圖片只是示意圖,並不是真正的玻纖布,基本上由經緯兩股材料交錯編織而成,經緯的交錯間如果有空隙,就容易藏水分,所以一般會以透氣性來檢查其密合度,密合度越好,透氣度越小,越不容易藏水,對高頻的電路板也比較沒有耗損及訊號不等一的問題。)
-
PCB壓合過程管控。PCB完成壓合與後烘烤的多層板,可以取試樣以相同方法、相同機台量測兩次Tg值;凡Tg2-Tg1之△Tg超過2~3°C者(按不同板材而有異),即表示壓合製程之固化反應(Hardening含聚合與交聯)還不到位,此等未熟化之板類將容易吸水,也容易發生爆板。
-
按TM-650試驗手冊2.4.24.1節TMA法去量測問題板之Tg值,並與供應商之規格值對比。凡實測值低於規格值5°C以上者,即表示問題板已存在吸水的病灶。樹脂中的水分形同可塑劑,不但會拉低Tg,還會讓橡膠態提早到來。
-
存放超過三個月的多層PCB,可能會出現應力(來自壓合)集中行為以及吸水之事實(會增大Z脹)。需執行爐前預烘烤(105°C+24小時)之防爆措施,或利用矯平機50片手機板一疊在氮氣中185°C+70PSI壓烤2小時。客戶端超過三個月的板類先烘烤再焊者將可減少爆板,烘烤不但增加成本且對OSP也不利。烘烤時需單片分開烘烤,以利水分充分排出。
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)
// Begin Comments & Trackbacks ?>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?
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
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!
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
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
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。
訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,請前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知,如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
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!!