2023/08/03 • 没有评论

什么是PCB及电子零件的【爆米花效应(Popcorn Effect)】？

一般我们称唿PCB及电子零件的【爆米花效应(Popcorn Effect)】是指PCB或电子零件(通常为封装IC)在进入焊接的高温时产生气泡或爆板的现象，因为其发生的原因与制作爆米花的原理类似，都是因为内含水气，进入高温后，内部水份快速变成水蒸气，温度越高，水蒸气的气压就越大，当气压超过玉米粒外壳或电子零件或PCB叠层结合力所能承受的极限，玉米粒就会瞬间炸开，变成白白胖胖的爆米花；而PCB的爆米花效应则是造成瞬间分层(delamination)或起泡(blistering)，严重的从外观就可以看到局部白化肿胀(膨龟)现象，轻微的外观看不出来，但是内伤，还检查不出来，成为不定时的品质隐患。

发生【爆米花效应(Popcorn Effect)】的三个基本要件

电子产品要发生【爆米花效应(Popcorn Effect)】基本上需要符合三个条件，分别为：

第一个为水气。也就是要有湿气(H₂O)，大气环境中其实到处都有湿气。
第二个为高温。急速进入高温环境，必须超过100˚C以上的环境温度，而且温度越高，水蒸气的体积越大，爆米花的现象就越严重，这是因为H₂O的沸点温度在一个大气压下为100˚C，而PCBA的焊接温度必须高于183˚C(Sn63Pd37)或217˚C(SAC305)，甚至更高。
第三个为储水空间。严格来说应该是要有半封闭式可容纳水气的容器，也就是要有一个可以让水气缓慢进入，在水份气化膨胀后无法快速逃逸的空间，而符合这个条件的几乎只有封装IC零件与经由叠层黏合而成的PCB。

电子零件发生【爆米花效应(Popcorn Effect)】的原因

电子零件的【爆米花效应(Popcorn Effect)】通常只会发生在封装IC零件的身上，这是因为封装IC是经由上下模具来压合填充材料(EMC, Epoxy Molding Compounds)成型零件外观，而上下模具的中间则还有一片贴有晶片(die)的导线架(lead-frame)必须伸出零件本体以为成型后的零件引脚，在EMC与金属导线架之间会因为材质不同而有不同的CTE，在热涨冷缩的过程中就容易在其接合处出现细小缝隙。

另一个可能问题是EMC在填充时由于技术限制而容易出现内部气泡，尤其是在连接晶片与导线架的金线或铜线附近，这两个条件都使水气有机会渗透进入封装IC驻留，且在其进入焊接回焊高温时，水份快速气化膨胀而发生【爆米花效应】。

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PCB发生【爆米花效应(Popcorn Effect)】的原因

在PCB组装过程中发生【爆米花效应(Popcorn Effect)】一般指PCB发生爆板现象，但不论是爆米花或爆板都只是我们一般口语的用法，「popcorn effect」一词在西方使用得比较多，而「爆板」一词基本上只有中文使用，在IPC标准的专业术语中我们会用「分层(delamination)」及「起泡(blistering)」来描述爆米花效应及爆板。

分层(delamination)是指PCB的叠层之间分离的现象，严重的时候甚至会拉断连接铜箔层与铜箔层之间的导通孔(via)，导致功能失效。而起泡(blistering)则指PCB的层与层局部分离现象，较严重者从外观就可以看到PCB表面有局部白化肿胀(膨龟)情形。

Blistering: Delamination in the form of a localized swelling and separation between any of the layers of a lamination base material, or between base material and conductive foil or protective coating

Delamination: A separation between plies within a base material, between a base material and a conductive foil or any other planar separation with a printed board.

我们前面说过【爆米花效应(Popcorn Effect)】不只会出现在封装IC的身上，它也会出现在PCB上，这是因为PCB的结构是由一层层的铜箔线路与绝缘层叠加黏合而成，而构成单层PCB的组成中，铜箔是必须的，但只有铜箔的话太软无法支撑起PCB的整体刚性需求，所以，一般还会使用玻璃纤维(glass fiber)来当成强化材料(reinforcement)、树脂(resin)来当成主材料，最后再加入填充粉料(fillers)。

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如果你细看玻璃纤维，会发现它是由数小条的圆形玻璃纤维线捻成的纤维束，而不同的玻璃纤维束还会上下交叠互相交叉组成织布的经纬编织成为玻纤布，树脂与填充料就是用来填满玻纤布的间隙线用的，可想而知，当使用经纬密度编织不够紧实的玻纤布时，就越容易在玻纤布的经纬间留下填不满的缝隙与孔洞，而这些地方正是PCB藏水之所在，PCB一旦有水气，快速进入高温后水分气化就可能造成爆板。