爆板真因分析

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1、失效分析案例判讀TPCA資深技術顧問白蓉生2009.11.25初編2009.12.29二編2010.01.18三編2010.02.02四編2010.04.23五編2010.06.252010.06.21六編爆板真因之剖析•爆板主因是耐熱性不足，以致樹脂在α2強熱中之Z-CTE太大所脹裂。（IPC-4101C規定LF與HF兩板材之α2/Z-CTE均應小於300ppm/℃，一般僅250ppm）•強熱中Z膨脹太大而開裂的次要原因是板材吸水與應力釋放等效應。•從材料學原理來看，板材開裂是韌度(Tough

2、ness)不足的結果。至於其他爆板原因尚有PCB結構之脹縮不均、冷熱不均、製程受傷與黑化不良等。至於樹脂耐熱性內容根據IPC-4101C(2009.08)對LF/HF高階板材者之規定有：①樹脂Tg以中Tg(150-155℃)韌度(Toughness)良好者為宜。凡PCB所測之Tg值低於供應商規格值5℃以上者即表確已吸水。100℃到Tg之間才是爆板之關鍵區。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採TMA所測耐熱裂時間之T288須5分鐘以上，T260應須30

3、分鐘以上。④α2/Z-CTE須低於300ppm/℃；α1者與大板類之工作及耐候(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板有關。•不均勻的脹厚與縮薄容易引發爆板，HDI內核板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，即為常見的爆板顯例。•板子愈厚愈大內外冷熱差異頗劇者也愈容易爆板，而且看不到的內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。2板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

4、水氣及CTE差異），只有韌度良好者才能減少爆板σεOA為Hook’sLow；θ角大則剛性強；θ角小表示撓性好；IPC6012只談抗拉強度σ與延伸率ε；藍色面積即為韌度（Toughness）是耐爆板的重要指標。水份在板材內的狀態與強熱中的行為•水份成為樹脂之可塑劑：樹脂吸水較多時Tg會下降(△Tg應少於5℃)且橡膠態會提早到來，將引發Z方向瞬間腫脹(Swelling)而快速開裂(100℃到Tg之間最容易發生)。通常板材X與Y之CTE較穩定約在15-16ppm/℃之間。•板材內隱性的水份成為樹脂之可

5、塑劑：(1)樹脂中原有的結構水(2)樹脂與玻纖介面處的藏水(3)樹脂與銅箔介面處的藏水(4)板材中空洞處的藏水•水的來源：(1)樹脂分子結構原本具極性(Polarity)處已吸著的含水(2)PCB製程所吸入者(3)完工板儲存中從環境所逐漸擴滲(Diffusion)進入。•板材中水的壞處：(1)增大Z膨脹，促使橡膠態提早到來，以及水蒸氣的瞬間引爆(2)逐漸形成CAF之後患(3)會降低各種介面的附著力•水份與高溫兩者對爆板的影響：100℃以下者水份對爆板影響不大，Tg以上則已轉為劇脹的橡膠態此時水份

6、對爆板而言已不再是主角。唯獨100℃到Tg間之高溫區則水氣對爆板影響最大。4吸水後高溫中會形成水蒸氣，將對板材產生鼓漲撐裂的力量此圖說明板材溫度愈高時，其中蒸氣壓(PSI)也愈大的關係圖。5吸水爆板與烤板改善（一）1.樹脂吸水與Tg之關係1.1完成壓合與後烘烤的多層板，可取試樣以相同方法相同機台量測兩次Tg值；凡Tg-Tg之△Tg超過2-3℃者(按不同板材而有異)，即表壓合製程之固化反應21(Hardening含聚合與交聯)尚不到位，此等未熟化之板類將容易吸水也易爆板。1.2按TM-650試驗手

7、冊2.4.24.1節TMA法去量測問題板的Tg值，並與供應商之規格值對比。凡實測值低於規格值5℃者或更多者，即表問題板已存在吸水的病灶。樹脂中的水份形同可塑劑(Plasticizer)，不但會拉低Tg還會讓橡膠態提早到來。1.3存放超過三個月的多層板，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)。須執行焊前烘板(105℃24小時)之防爆措施，或利用矯平機50片手機板一疊在氮氣中185℃70PSI壓烤2小時。客戶端超過三個月的板類若先烤再焊者將可減少爆板，烘烤不但增加成本而且對O

8、SP也不利。2.吸水與Td/T288之關係吸水對HF板材的Td（指斷鍵開裂）影響不大，但Td對傳統FR-4卻更有意義。至於吸水對無鹵板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），但爆板與否還須參考板材的其他特性。3.板材吸水對100℃到Tg間公認可能爆板之危險區對其Z膨脹之貢獻最大，而α1+α2之總Z脹值(指50-260℃之%平均值)卻更與下游回焊爆板直接有關，故其%應愈小愈好。6吸水爆板與烤板改善（二）板材吸水與兩種Z/CTE(