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PCB爆板的真因剖析与防止对策

发布时间 :2016-06-15 09:53 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
PCB爆板的真因剖析与防止对策
 
PCB电路板会发生爆板(popcorn)或分层(Delamination)的主要原因不外乎一板材吸水二α2/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。
 
为什么「水」是造成PCB爆板的主要原因?
「水」在100°C以下的时候对爆板的影响不大。
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虐。
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制程时吸入附著,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著水分子,加热之后会自行产生水分。所以总结板材吸「水」及藏水处有:
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)。
树脂与玻璃纤维介面处容易藏水(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)。
树脂与铜箔介面处也容易藏水。
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:
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。
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。
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介面的空隙,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。) 
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。
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。
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,并与供应商之规格值对比。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。


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