2014/04/23 • 38条评论

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」所造成的爆板更佔了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（俗称爆米花效应(popcorn-effect)）的影响不大。

当温度超过100°C后，「水(H₂O)」就会成为树脂的可塑剂。（可塑剂或称塑化剂，是一种可以增加材料的柔软性或使材料液化的添加剂。当板材分子中夹杂了水分子，就会使得原本板材分子结构变得不再那么紧实，就类似纸张吸水，当水加热变成水蒸气后体积膨胀更撑开板材分子间的距离，使得分子间的结合力降件组织变软）
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温度之间最容易发生），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方向之CTE(膨胀系数)较为稳定，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。

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改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，就我们普遍的瞭解与认知，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；但不要忘了，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：

树脂分子本身具有的结构水（树脂分子结构原本具极性(polarity)处已经隐含有水分子，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（板材的构成基本上使用一条树脂与一条玻璃纤维用经纬反覆编织而成，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】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，所以烘烤的条件最好要符合下面的要求：

烘烤的温度加热到100°C之上一点点的地方（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就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重叠在一起，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。

建议延伸阅读：
PCB如何烘烤？烘烤条件与方法，为什么过期的PCB要先烘烤才能打SMT或过回焊炉？

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。

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。
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。）
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。
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。
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）。需执行炉前预烘烤（105°C+24小时）之防爆措施，或利用矫平机50片手机板一叠在氮气中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。

以上是188金宝搏苹果下载上课后的一些心得整理，欢迎留言讨论！

延伸阅读：
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38个回应

Yuri

2023/12/12

请问，使用人工焊接通孔元件时，焊锡会出现沸腾的现象产生小泡泡，是不是因为PCB放太久潮湿造成的? 谢谢

- 188金宝搏苹果下载
  
  2023/12/12
  
  Yuri,
  沸腾是因为有气泡，也就是有气体产生，其发生的原因有可能潮湿，潮湿可能来自PCB，也可能是环境或是锡丝。另外，气泡也可能来自是助焊剂，有些锡丝中会有助焊剂，如果自己又额外添加助焊剂也是可能原因。
  
Andre

2021/07/06

忘记补充，我们是六连板。
这个不能上图啊？

Andre

2021/07/06

我们生产时发生Z胀，我们怀疑PCB本身Tg问题或吸湿问题导致，但供应商拒不认同，请问这个该如何？
是不是直接请第三方测试Tg就可以层别问题？

供应商认同我们的Reflow Proflie，均符合需求。
供应商怀疑是我司外力造成… … 无以言对

- 188金宝搏苹果下载
  
  2021/07/06
  
  Andre,
  1. 部落格是不允许访客上传图片的。你必须先上传到一般的图库，然后贴连结。你可以直接上Facebook的讨论区 https://www.facebook.com/groups/researchmfg/
  2. Z胀是分层还是起泡？如何确认是Z胀。
  3. 供应商怀疑是外力造成，那可以请应商把问题模拟出来再来说。
  
- 188金宝搏苹果下载
  
  2021/07/06
  
  Andre,
  刚看了你有电子邮件传过来的图片，你的问题应该不叫「Z胀」吧？还是我的理解有误？「Z胀」通常指的是Z方向的膨胀，也就是PCB厚度的变化。
  你的问题应该是PCB单纯的X-Y方向的热胀冷缩。
  你确定你第一次(面)及第二次(面)量测的是同一片板子？还是随便抽取的板子？
  X-Y方向的热胀冷缩与CCL的材质及玻璃纤维的方向有很大的关系。另外，还与PCB过完炉后多久量测有关，如果是在温度还没冷却前就量测，误差会相当大。
  还有就是板厂一般都会有其X-Y方向伸缩的容许公差，如果你们对这个拼板尺寸很重视，就要特别标是在给板厂的规格上。
  话说回来，大部分的SMT厂都会依据PCB实际的尺寸去开钢板来克服这种拼板间尺寸的问题，还有建议第二次SMT要等冷却了才印锡膏。
  
  - Andre
    
    2021/07/28
    
    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。
    
  - 188金宝搏苹果下载
    
    2021/07/30
    
    Andre,
    我个人的推测是板子弯曲变形导致你认为板边与单板的距离有变异。
    从你之前板子的连筋在每片单板上只有上面一个连筋、下面一个连筋，基本上结构不是很强壮，尤其是连板的最左边与最右边的单板变形应该会醉严重。
    一般我们会让连筋连在单板靠近最边边的位置才会比较强壮。
    
Nick Wu

2020/02/04

大大，我家的板子570mm(L)*440mm(W)*2.63mm(H)，烘烤完后放于湿气20％除湿柜约两个月，请问使用多少温度与烘烤时间最少大约需要多久？？

- 188金宝搏苹果下载
  
  2020/02/04
  
  Nick,
  这个你得自己决定，建议你可以先参考这篇文章 为什么过期的PCB要先烘烤才能打SMT或过炉？
  
Nick Wu

2020/01/10

请问大大，PCB进入烤箱当下的温度是几度最合适？烤箱需要预烤吗？

- 188金宝搏苹果下载
  
  2020/01/10
  
  Nick,
  对PCB来说，是否预烤关系不大，因为PCB的Tg值高于100°C，而且PCB预烤的温度也不会高到100°C，所以差异不大。
  当然，最好是从室温开始慢慢加热是最安全的。
  预温可以节省时间，如果你需要预温，绝对不能高于100°C，否则水分马上变水蒸气，反而会出问题。预温还得考虑人员操作问题。
  
Da Da

2018/07/21

熊大您好，

想请教您，若是大爆板比例的状况，是否跟其压合前后以及仓储温湿度控管较有关是吗？

谢谢您

- 188金宝搏苹果下载
  
  2018/07/22
  
  DaDa,
  首先，你的「大爆板比例」就没有描述清楚，是同一片板子有大面积的爆板？还是同一批料有很多板子爆板？
  就如文章中提到的，爆板最大的兇手是「水」，所以储存环境能否有效防止水气是一大关键，而且板子存放多久后出现爆板也是个条件，这也是很多公司内规选择板子存放超过一定时间就医定要烘板才能使用的原因。
  如果是刚从板厂送来的新鲜板子出现爆板，应该可以直接找板厂来处理，你认为的压合问题也应该由板厂来回答。
  
Da Da

2018/07/21

熊大，您好

小弟想请教，所以若是大比例的爆板，在PCB的制程中应该特别留意其压合制程前后跟其仓储储存温湿度管控是吗？

谢谢您

RICHARD

2018/04/18

感谢188金宝搏苹果下载大，上述有个点看不太懂
1. 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
2. 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

1. 跟2. 逻辑有点对不上，树脂吸水(水变多)Tg下降，烘烤(水变少)Tg也下降
请帮忙解惑一下，感谢

Karen

2017/11/14

您好，请问PCB除溼烘烤后有规范多久时间内，需上线进行打件？
查询IPC1601 3.4除溼烘烤、5.3打开隔潮袋后，均没有明确说明烤后、拆封后多久内需打件完毕。
是否有建议的时间呢？

- 188金宝搏苹果下载
  
  2017/11/15
  
  Karen,
  这个没有固定的时间，一般要求越早焊锡越好，有人规定2H，有人规定5天内用完，而且还跟板厚与表面处理及环境温湿度有关，个人建议拆封后在4H内用完。
  
Jerry

2017/09/12

188金宝搏苹果下载您好,

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?

谢谢您!

- 188金宝搏苹果下载
  
  2017/09/12
  
  Jerry,
  我想要需要的答案应该已经在你的心里了。
  J-STD-020基本上只是规定给封装元件使用，印象中有一份PCB的操作及储存手册，好像是IPC-1601，自己找一下，我没有文件，如果你可以找到也欢迎分享给我参考。
  
Allen

2017/03/29

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

- 188金宝搏苹果下载
  
  2017/03/29
  
  Allen,
  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。
  
Ivan

2017/02/16

Hi 感谢您的回覆; 再跟您请教, 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?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2017/02/17
  
  Ivan,
  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，因为你提供的资讯并不是很清楚，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。
  
Ivan

2017/02/15

您好, 请问您所提到的爆板问题, 会再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?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2017/02/16
  
  Ivan,
  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且不是急剧昇温，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。
  
123

2016/12/20

讲归讲,理论归理论,实际上
有谁出货前会烘烤?
上SMT前会烘烤?
走IR会开氮气?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2016/12/20
  
  很多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。
  
James Wu

2016/10/03

您好:

请问爆板后的PCB对电性有没有影响,或是仅影响外观?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2016/10/03
  
  James Wu;
  理论上有机会爆板只影响外观，也就是我们一般说得起泡，但没有人可以绝对保证它不会影响PCB的信赖度以及后续的功能，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。
  
Hank

2015/11/26

您好想询问各位先进对于PCB版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。

- 188金宝搏苹果下载
  
  2015/11/26
  
  Hank;
  就个人了解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。建议可以到【FB讨论区】去问看看。
  
Mike

2015/07/15

熊大您好:
想请教您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?谢谢。

- 188金宝搏苹果下载
  
  2015/07/15
  
  Mike;
  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。
  
潇潇

2014/07/07

你好，您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

- 188金宝搏苹果下载
  
  2014/07/07
  
  潇潇;
  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。
  
erictrim

2014/04/24

188金宝搏苹果下载您好，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)?

另外一个问题是：PCB烘烤之后Tg值会下降。
请问1.是只要烘烤，Tg值就会下降，
还是2.因为含水后Tg下降，烘烤后Tg值回不去，
请再帮忙解答，谢谢!!

- 188金宝搏苹果下载
  
  2014/04/24
  
  erictrim;
  1. 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。