PCB爆板起泡的真因剖析与防止对策

发布日期：2021-08-03

PCB电路板会发生爆板(popcorn)或分层(Delamination)的主要原因不外乎①板材吸水②α2/z-CTE太大这两大类，而「板材吸水」所造成的爆板更占了70%的不良，其他原因如PCB结构之涨缩不均，冷热不均、制程受伤与黑化不良…等虽然也不能排除其可能性，但其比率都不太高就是了。

温度与蒸气压的关系

为什么「水」是造成PCB爆板的主要原因？

①「水」在100°C以下的时候对爆板的影响不大。
② 当温度超过100°C后，「水」就会成为树脂的可塑剂。

树脂吸水较多时Tg值会下降（△Tg应该小于5°C）且橡胶态会提早到来，将引发板材Z方向瞬间肿胀(Swelling)而快速开裂（100°C～Tg之间最容易发生），参考文章最前面的图表，水蒸气超过100°C后的气压(psi)将成等比级数增加。

通常板材的X与Y之CTE(膨胀系数)较稳定，约在15～16ppm/°C之间。另外，板材内的隐性水份也会变成树脂的可塑剂，与外部的水份一起助纣为孽。

③ 当树脂温度超过Tg点之后，就会转变为橡胶态，这时候「水」份对爆板已经转变成为配角，而且这时候的水份也大多已经该变成水蒸气蒸发掉了，再说橡胶态是软的，也不容易有爆板才对。

PCB的「水」从哪里来？

既然「水」对爆板这么重要，那我们得好好研究一下水从哪里来，就我们普遍的了解与认知，大部分的「水」可能都来自于外界，可能是在PCB制程时吸入附着，或是PCB存放时从环境中逐渐扩散(Diffusion)进入；但板材内部结构容易藏水也是可能的原因之一；另外一个你可能想不到的，PCB树脂的分子式里也藏着水分子，加热之后会自行产生水分。所以总结板材吸「水」及藏水处有：

① 树脂分子本身具有的结构水（树脂分子结构远本具极性(polarity)处已经隐含水分子，只要化学式中含有OH就有机会形成水）。
② 树脂与玻璃纤维接口处容易藏水（板材使用一条树脂与一条玻璃纤维用经纬编织而成，如果编织不够密实，就会有缝隙，一般建议选用低透气率的扁纤布比较不易藏水）。
③ 树脂与铜箔接口处也容易藏水。
④ 板材的空洞处会藏水。

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内的水分去除应该就可以解决大部分的爆板问题了，而【烘烤】则是去除PCB外部水份的最佳方法。既然烘烤的目的是在去除水份，所以烘烤的条件最好要符合下面的要求：

① 烘烤的温度加热到100°C以上一点点的地方（建议105°C，因为烤箱的温度会有误差），让水份可以变成水蒸气可以比较容易散发掉。
② 烘烤时最好把每片板子分开来摆放，这样水分才比较容易挥发掉。如果PCB重迭在一起，水份将无法有效逸出。
③ 烤箱一定要有排气装置，否则烘烤时烤箱内全都是水蒸气也没有用。

从PCB板材的选择及制程就开始管控吸水的条件

虽然烘烤是改善爆板的最佳方法，但是烘烤不但浪费时间，也浪费设备与人力，而且PCB烘烤之后Tg值会下降也是问题，比较好的方法是从PCB板材的选择及制程就开始管控吸水的条件。

① 板材本身如果有极性，就容易吸水。尽量选用不会吸水的树脂来防止板材吸水。
② 可以选用开(扁)纤布。减少树脂与玻璃纤维接口的空隙，以降低容易藏水的可能性。（下面的图片只是示意图，并不是真正的玻纤布，基本上由经纬两股材料交错编织而成，经纬的交错间如果有空隙，就容易藏水分，所以一般会以透气性来检查其密合度，密合度越好，透气度越小，越不容易藏水，对高频的电路板也比较没有耗损及讯号不等一的问题。）
③ PCB压合过程管控。PCB完成压合与后烘烤的多层板，可以取试样以相同方法、相同机台量测两次Tg值；凡Tg2-Tg1之△Tg超过2～3°C者（按不同板材而有异），即表示压合制程之固化反应（Hardening含聚合与交联）还不到位，此等未熟化之板类将容易吸水，也容易发生爆板。
④ 按TM-650试验手册2.4.24.1节TMA法去量测问题板之Tg值，并与供货商之规格值对比。凡实测值低于规格值5°C以上者，即表示问题板已存在吸水的病灶。树脂中的水分形同可塑剂，不但会拉低Tg，还会让橡胶态提早到来。
⑤ 存放超过三个月的多层PCB，可能会出现应力（来自压合）集中行为以及吸水之事实（会增大Z胀）。需执行焊前烘烤（105°C+24小时）之防爆措施，或利用矫平机50片手机板一迭在氮气中185°C+70PSI压烤2小时。客户端超过三个月的板类先烘烤再焊者将可减少爆板，烘烤不但增加成本且对OSP也不利。烘烤时需单片分开烘烤，以利水分充分排出。

关于文中所描述内容的几点常见问答

1、文中提到：Tg2-Tg1之△Tg超过2～3°C者，即表示压合制程之固化反应还不到位，容易发生爆板。既然△Tg对预测爆板是一明显指标，请教此测试在PCB线路板厂算是标准检验吗？如果出货时要求板厂提供△Tg测试报告算不算过分要求(不增加成本下)？

答：PCB板厂能不能测试Tg附上Report必须要请你跟板厂讨论，测试Tg属于破坏性试验，不过这应该属于板厂内部的测试项目之一。

2、PCB烘烤之后Tg值会下降，是只要烘烤，Tg值就会下降，还是说因为含水后Tg下降，烘烤后Tg值回不去？

答：PCB烘烤后Tg值会下降是因为含水后Tg下降，烘烤后Tg值会比原来的稍微下降，因为结构水烤不掉。

3、文中提到了线路板的烘烤温度，却没有提到烘烤时间，是否有时间上的参考值？

答：烘烤时间一般视潮湿程度烘烤1~4小时。烘烤的时候必须将板子分开成一片一片。

4、因厂内最近客户有烧爆的问题，已排除水的因素，我们也自行模拟电测的情况对应客户的严苛条件，若是内层有异物造成内短，会有爆版的问题吗?

答：烧板跟爆板是不一样的，一般会烧板应该都是有短路造成，短路的原因也很多，要自己找看看问题在哪。

5、对于PCB板表层受潮的难易程度，是否会因为Solder Mask影响或是表面处理方式不同而有所差别？

答：PCB受潮以FR4材质影响最大，绿漆或许也有关系但绿漆并无法把全部的FR4都包覆起来，表面处理的影响就更低了，有些表面处理反而更害怕受到潮湿影响。

6、请问爆板后的PCB对电性有没有影响,或是仅影响外观?

答：理论上有机会爆板只影响外观，也就是我们一般说的起泡，但没有人可以绝对保证它不会影响PCB的可靠性以及后续的功能，因为爆板就表示PCB的内部受损，长期使用也不知道那里会变得更严重，就像坍方，没有影响到交通，但你敢保证几天后坍方的地方不会变得更严重。

7、理论归理论，但是有谁出货前会烘烤?上SMT前会烘烤?走IR会开氮气?

答：很多SMT贴片加工厂在板子有问题或是超过规定的存放时限后，都会要求烘烤后才进SMT，这是这个业界很多人的作法。花点烘烤的时间，确保reflow不会出问题是值得的。

8、问中提到的爆板问题, 会在做过高低温测试之后才发生吗? 也就是一般打件完成后都很正常, 但是必须作高低温测试, 才有可能将问题浮现出来. 这种爆板状况, 又该如何分析呢?

答：PCB爆板的问题绝大部分为水蒸气所造成，如果你的高低温环测没有超过100˚C且不是急剧升温，基本上不会有爆板出现。另一种可能是之前板子已经有De-lamination分层的问题，再高低温的时候变严重，这样还比较有机会。

9、在高低温的测试, 其实已经是 thermal shock 测试了 (-15~65, 2分钟内). 所以这样会达到爆版的条件吗? 另外, 如果是怀疑是De-lamination, 从切板看的出来吗?

答：我没有办法直接回答你thermal shock测试(-15~65，2分钟内)是否会达到爆版板的条件，因为你提供的信息并不是很清楚，还是那句老化，爆板最大原因为水汽膨胀，你应该要看那些情况下会有水汽膨胀的问题。切片可以看到De-lamination，但必须先确定De-lamination的位置切片才能找到问题，否则一大片板子，不太可能每个地方都切片。

10、最近遇到一个问题，化金板PCB超出2年，我是不接收出货使用，但客户还是要使用说出货前烘烤就可以接受，但出货后到终端客户就出现不开机情形(我司、客户都有加温55度测试24小时才出货)，回厂后分析确定是PCB异常，至PCB板厂进行飞针测试，结果是Pass的，但量测异常点确有阻抗过大(正常:1.5ohm以下异常:3~4ohm)，目前正在进行切片作业，我在想是不是爆板的原因，还是VR孔有问题呢？

答：烘烤只是除湿，防止爆板，但无法完全防止分层(De-lamination)。客户硬要用就请客户出具文件，同意允收，以后如果有PCB分层或是via孔破裂问题自行吸收。

11、近日碰到华南客户持续反映爆板，但同样制程做出来的同料号PCB也有出货到客户的墨西哥工厂,却从未发生过爆板,对方告知因气候关系保存仓库不需做温湿度管控,且上件前会烘烤。我们认为多半是与气候环境有关, 但华南客户非常排斥在上件前烘烤(客户同意烘烤了一段时间皆未发生爆板), 请问有相关的SMT规范要求上件前应该做烘烤吗? 因为J-STD-020似乎只对元器件作规范?