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自从2006年7月全球无铅焊接全面展开以来，多层板的焊板堪称是无人无之无日无之！而各种爆板原因中又以吸水爆板占了最大宗（平均达70%）。笔者最近四年来每日仔细着手各种失效之微切片案例分析，发现最难判读与改善的头号棘手问题就是爆板。牵涉爆板的原因很多，想要从微切片画面上找到真因并不容易。而且还要关联到下游组装的条件，药到病除一劳永逸几乎不可能。
TPCA资深技术顾问 白蓉生
焊后爆板的图说故事
一、吸水板材之焊后将大幅开裂
自从2006年7月全球无铅焊接（含回焊Reflow Soldering两次，甚至再加一次波焊Wave Soldering）全面展开以来，多层板的爆板堪称是无人无之无日无之！而各种爆板原因中又以吸水爆板占了最大宗（平均达70%）。吸水爆板的特征约有：
A. 吸水特征之一；是树脂区大幅整齐开裂，若再仔细抛光切样及小心偏光取像时，将会发现常在三种介面处开裂。即：
A1. 完全在树脂本身处开裂，此即树脂部分吸水后于强热中迅速形成水蒸气而胀裂所致。未添加粉料（Fillers）者比起已添加粉料者更易开裂。
A2. 各内层铜箔光面的黑/棕氧化皮膜处整齐开裂，水蒸气虽是闯祸的原动力，但传统黑棕氧化皮膜抓地力不足，则成为爆板阵亡的祸者。（见图1、2、3）
A3. 从树脂与玻纤束的介面处理开裂，明显指出失效位置是落在玻纤布的表面耦合处理皮膜（Amino Silane式Coupling film）。通常此等耦合剂（例如Amino Silane）反应不完全者将具有极性而能吸水，皮膜太厚者也容易吸水。（见图4）
B. 吸水爆板特征之二；常见单次压合之传统多层板者，大部分开裂在板体的外表层。至于多次压合的HDI板则最外层压合处经湿制程后也容易开裂。一般HDI各种内层虽然也经过湿制程吸水，但在增层抽真空的热压中水气已被赶走。不过HDI板类的核心板第一压所成四层板处也容易开裂，那是因为后续多次压合的热应力所造成。
C. 吸水爆板特征之三；是指大幅开裂之走势只要遇到通孔或叠盲孔处即行止步，原因是强热中树脂的Z-CTE达250ppm/℃，但电镀铜的孔壁或填盲孔之孔体却只有17ppm/℃而已，在水蒸气强力顶裂过程中反而形成一种铆钉（Rivet） 的效应。
笔者最近四年来每日仔细着手各种失效之微切片案例分析，发现最难判读与改善的头号棘手问题就是爆板。牵涉爆板的原因很多，想要从微切片画面上找到真因并不容易。而且还要关联到下游组装的条件，药到病除一劳永逸几乎不可能。以下仅就所知针对吸水爆板的判读原理与改善途径详加说明。
二、树脂吸湿的原理
早先有铅焊接时代的FR-4，其板材几乎全以线性双功能环氧树脂（Epoxy）为主，即使为了拉高Tg 加强刚性（Stiffness）降低Z-CTE减少板弯板翘，而刻意加入具有立体交联之多功能官能基者，但其主要结构仍为Epoxy之班底。以下将就此种环氧树脂从分子结构中，说明其吸水的原理。
2.1 环氧树脂的单体与高分子聚合及交联反应
2.1.1 Epoxy的单体为（1） 丙二酚（Bisphenol A大陆直译为双酚A，简称BPA）；（2） 环氧氯丙烷（Epi-chlro-hydrin，简称ECH）。前者BPA 则又由两个酚（Phenol）与一个丙酮（Acetone）在酸性环境中脱水所合成的。由此可知Bisphenol A 中的A是Acetone的缩写，与A，B，C之顺序毫无关系，两岸业者对此知晓者并不多。（见图5）
2.1.2 至于ECH 之分子则在第一碳原子与第二碳原子之上（希腊文Epi在上）共同接合了一个氧原子（Oxy），而另在第三个碳原子上接了一个氯原子。因为在链状结构式两端各有一个三角环，于是经由开环破环之聚合反应与再熟化后的成品，即统称之为“环氧树脂”了（Epi+Oxy去掉i后即成为Epoxy了）。（见图6）
2.1.3 于是BPA与ECH在加速剂2MI（见图7）的触媒作用经开环破环后（2MI本身并未参加反应），即可聚合（Polymerization）成为线性的双功能寡聚物（Oligonmer），之后又经固化剂或架桥剂【Hardener 或称硬化剂（Curing Agent）】的参与反应再进一步交联（Crosslinkage）成为具立体结构的树脂。
2.1.4 溴化环氧树脂
为了能通过UL94阻燃（Flame Retardent）法规起见，环氧树脂还要进一步再做溴化反应而成为四溴丙二酚（Tetra-Bromo-Bisphenol A， 早期简称TBBA，不知何时起已被改称TBBPA）。也就是基础树脂再加入15～22%重量比的溴素而成溴化环氧树脂。（见图8）
溴化环氧树脂之所以能够阻燃的道理，是因结构式中六角形苯环上四个C-Br之间的共价键很容易断键，而唯有断下来的Br才能发挥阻燃的用处，也才能把可燃的H逮住而成为非燃性的HBr而达阻燃之目的。不过此种断键也就使得树脂发生裂解而成为爆板的起源滥觞了。加以前述之Dicy固化剂极性很强也是容易吸水的病灶，因而传统环氧树脂Tg140以下的常规FR-4 ，就很难在强热的无铅焊接中顺利过关继续存活了。
图9即再由传统FR-4溴化环氧树脂的结构式与文字说明，而深入探讨其各部分之性能。
2.2 无铅化的FR-4
由上可知常规FR-4经多次无铅焊接中容易爆板的两大主要原因是：苯环上C-Br容易断键，强极性的固化剂Dicy容易吸水。为了在无铅焊接中增强板材的耐热性与减少爆板，且还必须完成阻燃的合规条件起见，就只能将Dicy改换成较不易吸水的酚醛树脂Phenolic Novolac（简称PN）做为固化剂。无铅化的第二大改变，就是板材树脂中几乎都要添加10%重量比或25%体积比的粉料（Fillers SiO2的比重为2.5），当树脂含量减少后其Tg以上（即α2态）的Z膨胀将大幅由300ppm/ ℃降到200ppm/℃，爆板的机率当然就减少了。 不过当固化剂换为PN 与添加粉料后，好的方面虽然是吸水性降低，Tg升高（由140℃到150℃）耐热性与改善爆板减少等利多，但缺失方面却也有：（见图10）
1. 架桥能力不如Dicy，使得其添加量也由原先占树脂的3%（重量比）而增加到30%，如此一来其树脂已不再是单纯的Epoxy而是E+PN的PNE了。
2. 成本也随之上升10～15%左右（当然Tg也上升了10℃耐热性也变好了一些）。
3. 而且PN为片状结构，即使能够降低吸水下仍有爆板的可能。
4. 添加粉料后树脂黏度增加，以致玻纤布中可渗入的树脂不足而留下CAF的隐忧。
为了减少爆板的困扰，于是CCL业者们又另在主树脂配方之改进上下功夫，例如掺入其他类高功能环氧树脂（如PPE、BT、CNE）或氮系树脂（例台光E-285所用的BZ等）而成为无铅化以后各种新商品百花齐放的热闹场面。
2.3 无铅焊接PCB 改善之一：压合后树脂必须彻底熟化
无铅焊接热量（Thermal Mass）大增后，多层板除了板材须做的多项改善外，PCB本身流程也应舍弃先前某些老旧观念而往减少爆板的有利方向改革。其中首要注意的是各种不同品牌的板材，在压合（Lamination大陆称层压）后一定要到达熟化（Curing）的境界，不熟的树脂将更容易吸水，当然也更容易爆板。检查压合后半成板是否已熟化的方法就是检查其ΔTg（读为Delta Tg）。一旦其ΔTg（Tg2～Tg1） 超过3℃者，即表原先压合之热量还不到位，应按不同板材而加以个别调整。
检查ΔTg 的常用方法就是选取压合后板边全无铜箔的板材，利用“热机分析仪（Thermal Mechnical Analyzer）”分别进行两次之Tg 试验（见IPC-TM-650之2.4.24C）。事实上做Tg1时已对板材进行了强热试验，已使得板材中某些少许溶剂或尚未彻底聚合/交联的寡聚物（Oliganmer），在取得热量后又再进行熟化，因而使得Tg2就会较Tg1高出1-3℃。倘若此ΔTg超过3℃以上即表试样的Tg1可能已经比正确的Tg1要低了一些。故知无铅焊接的多层板类须在压合后检测其ΔTg，以确知半成品之Curing到位与否。不但全新板材要量产前都要小心找出其ΔTg，连常规生产的多层板也要定期（如每周一次）检测其ΔTg。（见图11）
2.4 无铅焊接PCB 改善之2：内层铜面改用替代性皮膜
无铅回焊（峰温255℃）造成板材少许吸水后之水蒸气压，自原先有铅焊接（峰温235℃）的400PSI大幅攀升到700PSI。以当年即使少许吸水而尚不至于爆板的案例而言，目前只要树脂本身内聚力不足，或与铜箔光面的附着力（即抗撕强度）欠佳者，三次无铅焊接后均毫不留情地大幅开裂。此等吸水是来自湿流程的环境与树脂本身具有的亲水基（-OH），不但完全无法避免吸水而且一旦吸入了水份，不管怎么烘烤都赶不光已吸入的少许水份。在无法彻底赶水下只好尽量加强各内层铜面与树脂的附着力，也就是让传统内层处理方式自铜面向外长出的“氧化铜皮膜”（不管是黑氧化或棕氧化）退场，而让“替代化皮膜”（Alternative Film， 如阿托Bondfilm式的OSP皮膜，或日商美格MEC的V-Bond式甲酸铜皮膜）接棒，以尽可能地减少无铅化爆板。
碱性氧化性皮膜是自铜面向外生长出的绒毛状皮膜又浓又密，大可将铜面一切瑕疵均予以覆盖；但酸性的OSP或甲酸铜等则是向内咬入并成长的薄膜，其于强热Z膨胀中的抓地力虽比氧化皮膜更好，但处理后某些铜面的外观与色泽却不如氧化皮膜来得均匀讨喜，而较不易为QA与客户所接受。尤其当多重镀铜层被咬到界面时，处理后的酸性处理后外观差异将更为明显，若能调整各层铜厚避免前处理微蚀咬到界面者，则替代化皮膜减少爆板的优点将即可广泛呈现矣。（见图12）
（未完待续，请关注下期精彩内容）
TPCA资深技术顾问 白蓉生
焊后爆板的图说故事
一、吸水板材之焊后将大幅开裂
自从2006年7月全球无铅焊接（含回焊Reflow Soldering两次，甚至再加一次波焊Wave Soldering）全面展开以来，多层板的爆板堪称是无人无之无日无之！而各种爆板原因中又以吸水爆板占了最大宗（平均达70%）。吸水爆板的特征约有：
A. 吸水特征之一；是树脂区大幅整齐开裂，若再仔细抛光切样及小心偏光取像时，将会发现常在三种介面处开裂。即：
A1. 完全在树脂本身处开裂，此即树脂部分吸水后于强热中迅速形成水蒸气而胀裂所致。未添加粉料（Fillers）者比起已添加粉料者更易开裂。
A2. 各内层铜箔光面的黑/棕氧化皮膜处整齐开裂，水蒸气虽是闯祸的原动力，但传统黑棕氧化皮膜抓地力不足，则成为爆板阵亡的祸者。（见图1、2、3）
A3. 从树脂与玻纤束的介面处理开裂，明显指出失效位置是落在玻纤布的表面耦合处理皮膜（Amino Silane式Coupling film）。通常此等耦合剂（例如Amino Silane）反应不完全者将具有极性而能吸水，皮膜太厚者也容易吸水。（见图4）
B. 吸水爆板特征之二；常见单次压合之传统多层板者，大部分开裂在板体的外表层。至于多次压合的HDI板则最外层压合处经湿制程后也容易开裂。一般HDI各种内层虽然也经过湿制程吸水，但在增层抽真空的热压中水气已被赶走。不过HDI板类的核心板第一压所成四层板处也容易开裂，那是因为后续多次压合的热应力所造成。
C. 吸水爆板特征之三；是指大幅开裂之走势只要遇到通孔或叠盲孔处即行止步，原因是强热中树脂的Z-CTE达250ppm/℃，但电镀铜的孔壁或填盲孔之孔体却只有17ppm/℃而已，在水蒸气强力顶裂过程中反而形成一种铆钉（Rivet） 的效应。
笔者最近四年来每日仔细着手各种失效之微切片案例分析，发现最难判读与改善的头号棘手问题就是爆板。牵涉爆板的原因很多，想要从微切片画面上找到真因并不容易。而且还要关联到下游组装的条件，药到病除一劳永逸几乎不可能。以下仅就所知针对吸水爆板的判读原理与改善途径详加说明。
二、树脂吸湿的原理
早先有铅焊接时代的FR-4，其板材几乎全以线性双功能环氧树脂（Epoxy）为主，即使为了拉高Tg 加强刚性（Stiffness）降低Z-CTE减少板弯板翘，而刻意加入具有立体交联之多功能官能基者，但其主要结构仍为Epoxy之班底。以下将就此种环氧树脂从分子结构中，说明其吸水的原理。
2.1 环氧树脂的单体与高分子聚合及交联反应
2.1.1 Epoxy的单体为（1） 丙二酚（Bisphenol A大陆直译为双酚A，简称BPA）；（2） 环氧氯丙烷（Epi-chlro-hydrin，简称ECH）。前者BPA 则又由两个酚（Phenol）与一个丙酮（Acetone）在酸性环境中脱水所合成的。由此可知Bisphenol A 中的A是Acetone的缩写，与A，B，C之顺序毫无关系，两岸业者对此知晓者并不多。（见图5）
2.1.2 至于ECH 之分子则在第一碳原子与第二碳原子之上（希腊文Epi在上）共同接合了一个氧原子（Oxy），而另在第三个碳原子上接了一个氯原子。因为在链状结构式两端各有一个三角环，于是经由开环破环之聚合反应与再熟化后的成品，即统称之为“环氧树脂”了（Epi+Oxy去掉i后即成为Epoxy了）。（见图6）
2.1.3 于是BPA与ECH在加速剂2MI（见图7）的触媒作用经开环破环后（2MI本身并未参加反应），即可聚合（Polymerization）成为线性的双功能寡聚物（Oligonmer），之后又经固化剂或架桥剂【Hardener 或称硬化剂（Curing Agent）】的参与反应再进一步交联（Crosslinkage）成为具立体结构的树脂。
2.1.4 溴化环氧树脂
为了能通过UL94阻燃（Flame Retardent）法规起见，环氧树脂还要进一步再做溴化反应而成为四溴丙二酚（Tetra-Bromo-Bisphenol A， 早期简称TBBA，不知何时起已被改称TBBPA）。也就是基础树脂再加入15～22%重量比的溴素而成溴化环氧树脂。（见图8）
溴化环氧树脂之所以能够阻燃的道理，是因结构式中六角形苯环上四个C-Br之间的共价键很容易断键，而唯有断下来的Br才能发挥阻燃的用处，也才能把可燃的H逮住而成为非燃性的HBr而达阻燃之目的。不过此种断键也就使得树脂发生裂解而成为爆板的起源滥觞了。加以前述之Dicy固化剂极性很强也是容易吸水的病灶，因而传统环氧树脂Tg140以下的常规FR-4 ，就很难在强热的无铅焊接中顺利过关继续存活了。
图9即再由传统FR-4溴化环氧树脂的结构式与文字说明，而深入探讨其各部分之性能。
2.2 无铅化的FR-4
由上可知常规FR-4经多次无铅焊接中容易爆板的两大主要原因是：苯环上C-Br容易断键，强极性的固化剂Dicy容易吸水。为了在无铅焊接中增强板材的耐热性与减少爆板，且还必须完成阻燃的合规条件起见，就只能将Dicy改换成较不易吸水的酚醛树脂Phenolic Novolac（简称PN）做为固化剂。无铅化的第二大改变，就是板材树脂中几乎都要添加10%重量比或25%体积比的粉料（Fillers SiO2的比重为2.5），当树脂含量减少后其Tg以上（即α2态）的Z膨胀将大幅由300ppm/ ℃降到200ppm/℃，爆板的机率当然就减少了。 不过当固化剂换为PN 与添加粉料后，好的方面虽然是吸水性降低，Tg升高（由140℃到150℃）耐热性与改善爆板减少等利多，但缺失方面却也有：（见图10）
1. 架桥能力不如Dicy，使得其添加量也由原先占树脂的3%（重量比）而增加到30%，如此一来其树脂已不再是单纯的Epoxy而是E+PN的PNE了。
2. 成本也随之上升10～15%左右（当然Tg也上升了10℃耐热性也变好了一些）。
3. 而且PN为片状结构，即使能够降低吸水下仍有爆板的可能。
4. 添加粉料后树脂黏度增加，以致玻纤布中可渗入的树脂不足而留下CAF的隐忧。
为了减少爆板的困扰，于是CCL业者们又另在主树脂配方之改进上下功夫，例如掺入其他类高功能环氧树脂（如PPE、BT、CNE）或氮系树脂（例台光E-285所用的BZ等）而成为无铅化以后各种新商品百花齐放的热闹场面。
2.3 无铅焊接PCB 改善之一：压合后树脂必须彻底熟化
无铅焊接热量（Thermal Mass）大增后，多层板除了板材须做的多项改善外，PCB本身流程也应舍弃先前某些老旧观念而往减少爆板的有利方向改革。其中首要注意的是各种不同品牌的板材，在压合（Lamination大陆称层压）后一定要到达熟化（Curing）的境界，不熟的树脂将更容易吸水，当然也更容易爆板。检查压合后半成板是否已熟化的方法就是检查其ΔTg（读为Delta Tg）。一旦其ΔTg（Tg2～Tg1） 超过3℃者，即表原先压合之热量还不到位，应按不同板材而加以个别调整。
检查ΔTg 的常用方法就是选取压合后板边全无铜箔的板材，利用“热机分析仪（Thermal Mechnical Analyzer）”分别进行两次之Tg 试验（见IPC-TM-650之2.4.24C）。事实上做Tg1时已对板材进行了强热试验，已使得板材中某些少许溶剂或尚未彻底聚合/交联的寡聚物（Oliganmer），在取得热量后又再进行熟化，因而使得Tg2就会较Tg1高出1-3℃。倘若此ΔTg超过3℃以上即表试样的Tg1可能已经比正确的Tg1要低了一些。故知无铅焊接的多层板类须在压合后检测其ΔTg，以确知半成品之Curing到位与否。不但全新板材要量产前都要小心找出其ΔTg，连常规生产的多层板也要定期（如每周一次）检测其ΔTg。（见图11）
2.4 无铅焊接PCB 改善之2：内层铜面改用替代性皮膜
无铅回焊（峰温255℃）造成板材少许吸水后之水蒸气压，自原先有铅焊接（峰温235℃）的400PSI大幅攀升到700PSI。以当年即使少许吸水而尚不至于爆板的案例而言，目前只要树脂本身内聚力不足，或与铜箔光面的附着力（即抗撕强度）欠佳者，三次无铅焊接后均毫不留情地大幅开裂。此等吸水是来自湿流程的环境与树脂本身具有的亲水基（-OH），不但完全无法避免吸水而且一旦吸入了水份，不管怎么烘烤都赶不光已吸入的少许水份。在无法彻底赶水下只好尽量加强各内层铜面与树脂的附着力，也就是让传统内层处理方式自铜面向外长出的“氧化铜皮膜”（不管是黑氧化或棕氧化）退场，而让“替代化皮膜”（Alternative Film， 如阿托Bondfilm式的OSP皮膜，或日商美格MEC的V-Bond式甲酸铜皮膜）接棒，以尽可能地减少无铅化爆板。
碱性氧化性皮膜是自铜面向外生长出的绒毛状皮膜又浓又密，大可将铜面一切瑕疵均予以覆盖；但酸性的OSP或甲酸铜等则是向内咬入并成长的薄膜，其于强热Z膨胀中的抓地力虽比氧化皮膜更好，但处理后某些铜面的外观与色泽却不如氧化皮膜来得均匀讨喜，而较不易为QA与客户所接受。尤其当多重镀铜层被咬到界面时，处理后的酸性处理后外观差异将更为明显，若能调整各层铜厚避免前处理微蚀咬到界面者，则替代化皮膜减少爆板的优点将即可广泛呈现矣。（见图12）
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