#中國産業名片#
前言：目前中國提出的“新基建”七大領域包含：
而以上七大領域的新基建中資訊網分支：PCB行業在近年來蓬勃發展，本文基于對PCB行業的研究來為大家呈現PCB行業産品在異常問題的處理應對。
本文主要為大家分享5G産品在PCB(印制電路闆)組裝焊接過程中發生時的分析與改善。
1）爆闆主因是耐熱性不佳(含固化不足)，以緻樹脂在α2強熱中之Z-CTE太大所脹裂。（IPC-4101C規定LF與HF兩闆材之α2/Z-CTE均應小于300ppm/℃)。
2）爆闆另一主因是闆材吸水，特征是大面積開裂，約占全部爆闆比率的65%以上。
3）不談吸水隻從材料學原理來看，闆材開裂是韌度(Toughness)不足的結果。至于其他爆闆原因尚有PCB結構之漲縮不均、冷熱不均、制程受傷與黑化不良等。至于樹脂耐熱性内容根據IPC-4101C(2009.08)對LF/HF高階闆材者之規定有：
①樹脂Tg以中Tg(150-155 ℃)韌度(Toughness)良好者為宜。凡PCB所測之Tg值低于供貨商标準規格值5 ℃ 以上者即表确已吸水。
②耐熱裂(斷鍵)溫度之Td須超過325℃，以失重5%之溫度為準(2%做參考)。
③采TMA所測耐熱裂時間之T288須5分鐘以上，T260另須30分鐘以上。
④α2/Z-CTE須低于300ppm/℃；α1者與大闆類之工作及耐候(指寒帶)有關；而(α1+ α2）總Z脹%值(50℃-260℃)之大小則與回焊過程之耐爆闆有關。
4）不均勻的脹厚與縮薄容易引發爆闆，HDI核心闆PTH密孔區(銅的三向熱脹率僅為17ppm/ ℃ )若外層又出現集熱的大銅面者，即為常見的外層爆闆顯例。
5）闆子愈厚愈大内外冷熱差異劇烈者也愈容易爆闆，而且看不到的内部微裂更是無所不在！外層大銅面區瞬間強熱中也容易起泡與浮裂。
1.闆材之應力應變曲線
從應力應變曲線可知，純就材料本身而言（暫不考慮水氣及CTE差異），隻有韌度良好者才能在無鉛焊接中減少爆闆。下右圖即為熱固型樹脂之曲線。
說明：θ角大則剛性強； θ角小表示撓性好；IPC 6012隻談抗拉強度σ與延伸率ε ；
2.無鉛回焊之熱量 ( Thermal mass ) 遠超過有鉛者甚多 !一般說法之“無鉛焊接溫度較高”其實隻對了一半。至于無鉛波焊則因錫池中溶銅量增多使得熔點(mp)更高不但焊性變差而且對PCB傷害更大。
較厚大的闆類（如外形尺寸在300*300mm以上且厚度超過1mm者）宜改采成本稍貴的無鉛化或無鹵化闆材， 以減少多次焊接後的爆闆！
3.水份在闆材内的狀态與強熱中的行為
1)水份成為樹脂之可塑劑：樹脂吸水較多時其Tg會下降(△Tg應少于5℃)并使得橡膠态會提早到來，将引發Z方向瞬間腫脹(Swelling)而快速開裂(100℃到Tg之間最容易發生)。通常闆材X與Y之CTE因有玻纖布的協助故較穩定，約在15-16ppm/℃之間。
2)闆材内隐性的水份成為樹脂之可塑劑：(1) 樹脂中原有的結構水 (2)樹脂與玻纖接口處的藏水 (3)樹脂與銅箔界面處的藏水 (4)闆材中空洞處的藏水。
3)水的來源：(1)樹脂分子結構原本具極性( Polarity )處即已吸着的含水 (2)PCB制程所吸入者 (3)完工闆儲存中從環境所逐漸擴滲(Diffusion)進入。
4)闆材中水的壞處：(1)增大Z膨脹，促使橡膠态提早到來，以及水蒸氣的瞬間引爆 (2)逐漸形成CAF之後患 (3)會降低各種界面的附着力(4)據統計吸水爆闆者占65%之多。
5)水份與高溫兩者對爆闆的影響：100℃以下者水份對爆闆影響不大，Tg以上則已轉為劇脹的橡膠态此時水份對爆闆而言已不再是主角。唯獨100℃到Tg間之高溫區則水氣對爆闆影響最大。
4.水在高溫中會形成水蒸氣，将對闆材産生鼓漲撐裂的力量
此圖說明闆材溫度愈高時，其中蒸氣壓(PSI)也愈大的關系圖。
5.吸水爆闆與烤闆改善（一）：
1).樹脂吸水與Tg之關系
1.1 完成壓合與後烘烤的多層闆，可取試樣以相同方法相同機台量測兩次Tg值;凡Tg2-Tg1之△Tg超過2-3℃者(按不同闆材而有異)，即表壓合制程之固化反應 (Hardening含聚合與交聯)尚不到位，此等未熟化之闆類将容易吸水也易爆闆。
1.2按TM-650試驗手冊2.4.24.1節TMA法去量測問題闆的Tg值，并與供貨商之規格值對比。凡實測值低于規格值5℃者或更多者，即表問題闆已存在吸水的病竈。樹脂中的水份形同可塑劑(Plasticizer)，不但會拉低Tg還會讓橡膠态提早到來。
1.3存放超過三個月的多層闆，可能會出現應力（來自壓合）集中行為以及吸水之事實 (會增大Z脹)。須執行焊前烘闆(105℃24小時)之防爆措施，或利用矯平機50片手機闆一疊在氮氣中185℃70PSI壓烤2小時。用戶端超過三個月的闆類若先烤再焊者将可減少爆闆，烘烤不但增加成本而且對OSP也不利。
2).吸水與Td/T288之關系
吸水對HF闆材的Td（指斷鍵開裂）影響不大，但Td對傳統FR-4卻更有意義。至于吸水對無鹵闆材反而無關緊要則可能與粉料（Fillers）較多有關。不良吸水者雖然也會縮短耐熱裂時間（T288，T260），但爆闆與否還須參考闆材的其他特性。
3).闆材吸水對100℃到Tg間公認可能爆闆之危險區對其Z膨脹之貢獻最大，而α1+α2之總Z脹值 (指50-260℃之%平均值)卻更與下遊回焊爆闆直接有關，故其%應愈小愈好。
6.吸水爆闆與烤闆改善（二）
7.吸水爆闆與烤闆改善（三）
8.吸水爆闆與烤闆改善（四）
9.吸水爆闆與烤闆改善（五）
10.多層闆吸水爆闆(1)：非HDI無内通孔的一般性多層 闆，無鉛焊接後發現外層大幅度開裂者絕大部份是出自吸水所脹破。存貨超過兩個月者打件焊接前最好先在105℃中烘烤兩小時，以減少由于吸水而造成的爆闆(OSP處理者可視情況烘烤) 。
11.多層闆吸水爆闆(2)：壓合前各内層銅面均應舍棄外觀均勻且抗撕強度(Peel Strength)較好的傳統黑棕氧化皮膜，而盡量改用耐爆性較好的替代化有機皮膜(Alternative organic film ，例如Bondfilm或V-Bond)以減少爆闆。下列20層140mil的反瘤(RTF)厚闆經260 ℃/10sec漂錫6次後隻裂内層者即為替代化皮膜的案例。
12.多層闆吸水爆闆(3)：一般而言輕薄短小的多層闆，因其在回焊中内外溫差不大彼此脹縮程度接近，是故爆闆機會較少。然而一旦内層闆制程發生吸水（内層太薄者經常會降低吹風量，以減少水準線所産生之飄浮而卡闆），且後續壓合又有大銅面阻止水份逸出時，則完工闆在烘烤不易趕光水份之下也會自抗爆能力不強的氧化皮膜處全面大幅開裂。
13.黑棕氧化爆闆：若爆闆是從黑棕氧化面整齊開裂者，則應判讀為黑棕氧化之附着力不足。通常室溫中所做的機械式的抗撕強度(Peel Strength)結果并不等同強熱中之耐爆能力，通常較厚氧化層其本身已容易開裂。一般FR-4其棕替代化平均要比傳統黑棕氧化在LF回焊中耐爆性較好，但也随闆材的不同而有差異。
14.Black Oxide或Brown Oxide等氧化銅皮膜，不管是深黑或是棕黑或是品牌名氣，對多次壓合與多次無鉛焊接而言，從太多案例看來已不再是安全的制程了。應徹底改革為棕色替代化皮膜(如Bondfilm或V-Bond等) 才能遠離爆闆。注意傳統氧化性皮膜或替化皮膜其等外觀是否均勻與耐爆能力并不能畫上等号。
從銅面氧化皮膜之外形與結構強度的原理，以及無鉛焊接耐爆闆之經驗，均已證明棕替化在多次LF回焊中之耐爆能力确實優于黑氧化。一般常溫抗撕強度( Peel Strength )試驗不但無法表達多次LF回焊之結果，且将對其結合強度造成誤導。
15.黑棕氧化皮膜與替代皮膜的比較:為了看清楚傳統黑氧化棕氧化皮膜與非氧化而改變為有機替代性皮膜兩類的差別起見，刻意小心制作高倍顯微畫面進行對比1)日商MEC的V-Bond皮膜;2)德商ATO的Bondfilm(BTA皮膜);3)日商MEC的Etchbond CZ-8100/8300;4)為傳統黑氧化皮膜。
16.HDI/ELIC等多次增層多次壓合之多層闆，為了減少數次無鉛焊接之爆闆起見，Smart Phone業者們已逐漸放棄傳統銅面向外長出的氧化皮膜（黑氧化或棕氧化），而改為銅面向内咬入的有機皮膜了。事實上全世界大型封裝載闆業者們早已全面采用日商MEC昂貴的CZ8100/CZ8300了。
17.日商I公司已在第五代Smart Phone十層ELIC主機闆(2011.6)的第一次壓合，與從8層闆增到10層的第四次壓合，其兩處銅面已完全放棄黑棕氧化皮膜而改為“超粗化+有機皮膜”(CZ-8100/8300)類似Bondfilm之處理，以減少兩外層的容易爆闆.
18.HDI或ELIC多次壓合的闆類雖然很薄很小，但卻在NO.1壓合處最容易爆闆(約占70%) 。考慮原因應出自該處闆材經過多次強烈脹縮而劣化所緻，下例10L闆中Core闆處，前後共經4次壓合與兩次焊接的考驗後所出現的爆闆。
19.為了耐得住無鉛回焊三次不爆闆起見，内層黑棕氧化或替代化前的銅面須先做好微蝕粗化，以增強其附着力。下列上二圖為I公司在NO.1壓合與最後外層壓合之外的其它壓合面的V-Bond替代化皮膜，下二圖則為PCB廠一般爆闆時黑氧化斷毛與分裂的畫面，可見到其皮膜平滑與微蝕粗化不足。
20.當HDI多次增層多次壓合的過程中，最内層雙面闆往四層闆之壓合稱為“一壓” 。該處大銅面的氧化皮膜（黑色棕色隻是外觀稱呼而已）将受到後續多次壓合，經由強烈熱脹冷縮之折磨而傷及氧化皮膜的強度。甚至可能在下遊數次無鉛焊接中開裂，宜改為非氧化性之替代性有機皮膜才較安全。
大銅面積熱處爆闆：左上為三個爆闆的連圖，其餘三個為爆闆的單圖，可見到其鋸齒狀開裂，是出自大銅面與無玻布RCC的樹脂間平面性拉扯的結果。
21.外層大銅面區再遇到核心闆有通孔處，LF回焊強熱中在外脹多而内脹少之不均下将成為起爆點。原因是樹脂之α2/Z-CTE約250ppm/℃，而銅材僅17而已。
22.密孔區爆闆：外層與次外層均有大銅面者也經常爆闆，且一旦還有密集通孔之闆材鑽孔受傷處也容易爆闆；原因是密集鑽孔使闆材連續受創下，不但外層銅面浮起爆開且内層核闆也容易微裂造成後續的CAF問題。
23.HDI外有大銅面迅速吸熱且内有通孔鉗制處，在彼此膨脹不均下也經常發生爆闆。可将Vcc/GND之大銅面改成網狀銅面即可改善，但客戶很少會同意。
24.楔形孔破造成爆闆(1)：多層闆的通孔銅壁一旦發生楔型孔破(Wedge Void)者，也必然成為爆闆的起點，下列四圖說明切片所剩半個孔壁“機關槍點放”式的畫面。
25.楔形孔破造成爆闆(2):通孔之環狀楔形孔破（連續小洞，如郵票孔）在空闆階段不易由電測檢出，但卻會在下遊LF無鉛焊接多次強熱Z脹中，經常出現被拉斷而失效。
26.IPC-4101C版中FR- 4全新無鹵含磷（ 3%w/w左右）環氧樹脂者之規格單如下：/92，/93，/94，/95，/122，/125，/127，/128，/130，/131，共1 0 種是含有機磷為阻燃劑者。至于低階CEM闆材則有/14的CEM-3與/15的CEM-1，以及/05的FR-2等3項，總共13項無鹵闆材與目前各種量産PCB有關。無鹵闆材脆性較大，厚闆之機械加工要特别小心！
由于無鹵闆材本身附着力及内聚力都不強，一旦吸水則很容易發生爆闆。闆體愈厚者愈容易存在内部之微裂！将成為ECM的濫觞!
27.樹脂脆性較大者也很容易爆闆，除無鹵闆材外其他高Tg的闆材也是爆闆的高危險群，其特征是闆材開裂的裂口中尚有小裂紋存在。下列者即為高Tg闆又不幸遇到内通孔的鉗住與外層大銅面的快速集熱，多次爆接中就容易爆闆了。
28.壓合前有異物附着于闆材：内層闆成線後黑化前須100%經黏塵滾輪及AOI外觀檢測，但不小心貼上的銅碎則很難被檢出，有時連D/F殘屑也可能漏檢而成為爆闆的源頭。
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