為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過爐?

為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過爐?對許多工程師來說,他們可能就是搞不懂「為什麼 PCB過期超過保存期限後一定要先烘烤才能打SMT過回焊爐呢?」,還是你覺得不管PCB有沒有過期總之先烤了再說?哪你知道PCB過期後為何需要烘烤?PCB烘烤又有那些限制?

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PCB烘烤的主要目的在去濕除潮,除去PCB內含或從外界吸收的水氣,因為有些PCB本身所使用的材質就容易形成水分子,另外,PCB生產出來擺放一段時間後也有機會吸收到環境中的水氣,而「水」則是造成PCB爆板(popcorn)或分層(delamination)的主要兇手之一。

因為當PCB放置於溫度超過100°C的環境下,比如回焊爐、波焊爐、熱風重工或手焊…等製程時,「水」就會變成水蒸氣,然後快速膨脹其體積,當加熱於PCB的速度越快,水蒸氣膨脹也會越快,當溫度越高,則水蒸氣的體積也就越大,當水蒸氣無法即時從PCB內逃逸出來,就很有機會撐脹PCB,尤其PCB的Z方向最為脆弱,有些時候可能會將PCB的層與層之間的導通孔(via)拉斷,有時則可能造成PCB的層間分離,更嚴重的連PCB外表都可以看得到起泡、膨龜、爆板等現象,有時候就算PCB外表看不到以上的現象,但其實已經內傷,隨著時間過去反而會造成電器產品的功能不穩定,或發生CAF等問題,終至造成產品失效。

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PCB烘烤的程序其實還蠻麻煩的,烘烤時必須將原本的包裝拆除後才能放入烤箱中,然後要用超過100°C的溫度來烘烤,但是溫度又不能太高,免得烘烤期間水蒸氣過度膨脹反而把PCB給撐爆,一般業界對於PCB烘烤的溫度大多設定在120+/-5°C的條件,以確保水氣真的可以從PCB本體內消除後,才能上SMT線打板過回焊爐焊接,烘烤時間則隨著PCB的厚度與尺寸大小而有所不同,而且對於比較薄或是尺寸比較大的PCB還得在烘烤後用重物壓著板子,這是為了要降低或避免PCB在烘烤後冷卻期間因為應力釋放而導致PCB彎曲變形的慘劇發生,因為PCB一旦變形彎曲,在SMT印刷錫膏時就會出現偏移或是厚薄不均的問題,連帶的會造成後面回焊時大量的焊接短路或是空焊等不良發生。

PCB烘烤的條件設定

目前業界一般對於PCB烘烤的條件與時間設定如下:

1.PCB於製造日期2個月內且密封良好,拆封後放置於有溫度與濕度控制的環境(≦30°C/60%RH,依據IPC-1601)下超過5天者,上線前需以120+/-5°C烘烤1個小時。

2.PCB存放超過製造日期2~6個月,上線前需以120+/-5°C烘烤2個小時。

3.PCB存放超過製造日期6~12個月,上線前需以120+/-5°C烘烤4個小時。

4.PCB存放超過製造日期12個月以上,基本上不建議使用,因為多層板的膠合力可是會隨著時間而老化的,日後可能會發生產品功能不穩等品質問題,增加市場返修的機率,而且生產的過程還有爆板及吃錫不良等風險。如果不得不使用,建議要先以120+/-5°C烘烤6個小時,大量產前先試印錫膏投產幾片確定沒有焊錫性問題才繼續生產。另一個不建議使用存放過久的PCB是因為其表面處理也會隨著時間流逝而漸漸失效,以ENIG來說,業界的保存期限為12個月,過了這個時效,視其沉金層的厚度而定,厚度如果較薄者,其鎳層可能會因為擴散作用而出現在金層並形成氧化,影響信賴度,不可不慎。

5.所有烘烤完成的PCB必須在5天內使用完畢,未加工完畢的PCB上線前必須重新以120+/-5°C再烘烤1個小時。

PCB烘烤時的堆疊方式

1.大尺寸PCB烘烤時,採用平放堆疊式擺放,建議一疊最多數量建議不可超過30片,烘烤完成10鐘內需打開烤箱取出PCB並平放使其冷卻,烘烤後需壓防板彎治具 。大尺寸PCB不建議直立式烘烤,容易板彎。

2.中小型PCB烘烤時,可以採用平放堆疊式擺放,一疊最多數量建議不可超過40片,也可以採直立式,數量不限,烘烤完成10鐘內需打開烤箱取出PCB平放使其冷卻,烘烤後需壓防板彎治具。

PCB烘烤時的注意事項:

1.烘烤溫度不可以超過PCB的Tg點,一般要求不可以超過125°C。早期某些含鉛的PCB之Tg點比較低,現在無鉛PCB的Tg大多在150°C以上。

2.烘烤後的PCB要盡快使用完畢,如果未使用完畢應盡早重新真空包裝。如果暴露於車間時間過久,則必須重新烘烤。

3.烤箱記得要加裝抽風乾燥設備,否則烤出來的水蒸氣反而會留存在烤箱內增加其相對濕度,不利PCB除濕。

4.以品質觀點來看,使用越是新鮮的PCB焊錫過爐後的品質就越好,過期的PCB即使拿去烘烤後才使用還是會有一定的品質風險。

工作熊個人對PCB烘烤的建議:

1.工作熊個人建議只要使用105+/-5°C的溫度來烘烤PCB就好了,因為水的沸點是100°C,只要超過其沸點,水就會變成水蒸氣,因為PCB內含的水分子不會太多,所以並不需要太高的溫度來增加其氣化的速度,溫度太高或氣化速度太快反而容易使得水蒸氣快速膨脹,對品質其實不利,尤其對多層板及有埋孔的PCB,105°C剛剛好高於水的沸點,溫度又不會太高,可以除濕又可以降低氧化的風險。況且現在的烤箱溫度控制的能力已經比以前提升不少。

2.PCB是否需要烘烤,應該要看其包裝是否受潮,也就是要觀察其真空包裝內的 HIC (Humidity Indicator Card,濕度指示卡) 是否已經顯示受潮,如果包裝良好,HIC沒有指示受潮其實是可以直接上線不用烘烤的。

2.PCB烘烤時建議採用「直立式」且有間隔來烘烤,因為這樣才能起到熱空氣對流最大效果,而且水氣也比較容易從PCB內被烤出來。但是對於大尺寸的PCB可能得考慮直立式是否會造成板彎變形問題。

3.PCB烘烤後建議放置於乾燥處並使其快速冷卻,最好還要在板子的上頭壓上「防板彎治具」,因為一般物體從高熱狀態到冷卻的過程反而容易吸收水氣,但是快速冷卻又可能引起板彎,這要取得一個平衡。

PCB烘烤的缺點及需要考慮的事項:

1.烘烤會加速PCB表面鍍層的氧化,而且越高溫度烘烤越久越不利。
PCB烘烤的迷思:PCB上線前烘烤可以增加焊錫性嗎?

2.不建議對OSP表面處理的板子做高溫烘烤,因為OSP薄膜會因為高溫而降解或失效。如果不得不做烘烤,建議使用105+/-5°C的溫度烘烤,不得超過2個小時,烘烤後建議24小時內用完。

3.烘烤可能對IMC生成產生影響,尤其是對HASL(噴錫)、ImSn(化學錫、浸鍍錫)表面處理的板子,因為其IMC層(銅錫化合物)其實早在PCB階段就已經生成,也就是在PCB焊錫前已生成,烘烤反而會增加這層已生成IMC的厚度,造成信賴性問題。


延伸閱讀:
封裝濕敏零件烘烤常見問題整理
電路板PCB板材的結構與功用介紹
IPC-JEDEC-J-STD-033 濕敏零件的烘烤條件

 
 
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濕度指示卡,在PCB有正常型,48小時就1-2變色受潮,有半敏感型 撐住2-3個月最多1-2變色,有完全不敏感型的,永不變色…基本上參考價值不高(真探究還在PCB最終烘乾及保存環境及時間),用包裝格式氣泡布或真空包裝及時間定義即可.

150°C/4hours。OSP膜的多層PCB;這是我這裡執行的;


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