PCB部落格 - fr4印刷電路板生產遭遇高溫

模擬背面焊接：一般而言，下游 PCBA 組裝製程約有五次加熱經驗，分別為

(1) 正面印刷焊膏及點膠，進行熱風焊接。

(2)反面翻轉，再將錫膏焊回。

(3) 針腳部位須採波峰焊。

(4) 可經過 1-2 次的返修與修焊。

因此，大多數的組裝廠商都要求fr4板廠的空板也要根據特定的回流曲線模擬五次以上的回流焊，作為是否能承受強熱的參考標準。事實上，即使空白多層板能夠通過五次模擬回流焊的測試，也很難保證組裝人員在回流焊作業中的安全，在實際安裝中仍會有一定的爆裂率。主要原因是由於板上元件的附加應力所致。

熱風背焊爐的上風口通常比板材的下風口高約 50-60 ℃。下風面的目的是保持板材的基本熱度，完全不需要與上風面保持相同的熱度，以免造成不必要的能源浪費及板材損傷。此外，當反面進行第二次焊接時，也可減少第一面焊接時對人的強熱傷害及零件掉落的可能性。然而，這些上下板的熱量差異，必然會導致兩面 fr4 板的熱膨脹差異，在背面焊接時，板面會發生輕微的駝弧凸起，導致緊密組裝與 fr 4 pcb 之間產生拉伸應力。尤其是整合回流焊溫度與時間所獲得的巨大熱量，不僅遠遠超過了板材的Tg，更使得板材從低於Tg α- 1的玻璃狀態，過渡到超過Tg α- 2的軟膠狀態，此時一旦產生大量的局部應力，就會造成厚層多層板表面起泡爆裂。

載板橡膠膝的弱點

當載板上有幾個大的 BGA 或 QFN 前擋板時，載板內的晶片(chips)的熱膨脹率(CTE)只有 3-4 ppm/℃，這將迫使 X、Y 軸的熱膨脹率達到 15 ppm/℃。在背面焊接時，必須將載板拉起並翹曲。這些載板的向上翹曲和 fr4 pcb 主板的向下彎曲，如果互相拉扯，就難免會損壞焊點和膨脹板。板材有一個不成文的加熱原則，就是當溫度升高 10 ℃時，樹脂的反應能量會增加一倍，在熱風回流的過程中，體積和質量最大的? 加熱程度也遠高於板上各種元件。事實上，FR-4 板在玻璃狀態下，Z 軸的 CTE 高達 55-60 ppm/℃，遠遠超過玻璃纖維布夾住的 X、Y 軸的 14-15 pm/℃。

方向上的 14-15 pm/℃。一旦在 α 2. 橡膠狀態下，其 Z 軸的 CTE 高於 250pm/℃，板面上任何局部不均勻的應力都可能造成外層起泡或爆裂。

易爆板位置及原因

(1)內層銅面積大

由於銅的熱膨脹係數(CTE)(CTE僅17pm/℃)與樹脂Z方向距離太遠，銅面積大，在強熱下(指溫度與時間的整合)容易爆炸。解決的方法是刻意在大面積的銅面安排幾個無功能的通孔做為鉚釘，不但可以幫助散熱，也可以減少多層厚板的爆炸災害。然而，前面的問題是 PTH 孔銅的品質一定要夠好，其延伸率要控制在 20% 以上才有意義。事實上，由於目前鍍銅製程有很大的進步，優良的液藥供應商在鍍銅層的延伸率已經超過 30%，這並不是難事。目前背板製造商與下游客戶最新協商的結果，暫定18%為製程下限。

未來在無鉛焊接普及的壓力下，遲早也會提升到 20% 的最低規格。話雖如此，但仍有許多二線、三線的鍍銅製程供應商，其品質與目前厚板的要求相差甚遠，只有18%，甚至比一般多層板要求的15%還要低。當然，對於fr4 pcb的現場鍍銅槽的管理和孔銅質量的檢測也不能馬虎，以減少板材在無鉛回流時的膨脹和爆裂。在銅面積大的情況下發生板材爆裂，很多人直覺反應是內部黑棕膜不良，附著力不足。但當微小切面製作精緻，且裂縫經過兩次膠水填充，並在裂縫中進一步細磨後，就能清楚裂縫是否因銅箔黑化層所造成。

(2)通孔密集區

例如大型BGA的球墊與肚底內層連接的許多密集通孔，如果在背焊前沒有堵住，大量的熱能就會從下風處進入空氣中，造成上下兩部分的熱量相加而難以散去。當然在雙苦時容易造成局部板材爆炸，甚至球腳焊點也會過熱。此外，在翻板進行二次重焊時，也可能造成前一個焊點的重熔或強度降低。

至於多腳連接器，無論是使用傳統的波峰焊或PIH焊膏背焊，都會帶來額外的應力而容易爆裂，這也是一個非常棘手的問題。然而，當成品板要用綠漆封住這些孔洞隔絕熱空氣時，可說是工程艱鉅，困難重重，誰也不敢保證完全填滿沒有瑕疵。至於以品質優良的特殊樹脂為填充物者，對一般電路板製造商來說，成本過於昂貴。在濕式表面處理中很難防止未堵牢的通孔在後續的焊墊中滲入藥液。

即使在噴錫的過程中，也有可能擠進錫渣而形成隱患。fr4 pcb製程中的任何瑕疵都會造成後續的致命傷害。至於連接器的多腳插入區，雖然也是多孔密集的孔洞區，但由於泰半採用單面短強熱的波峰焊或選擇性焊接（強熱時間只有4-5秒），其災難與痛苦遠不及熱風回流焊「在熔點以上持續90秒」的可怕。此外，零件腳本體也能輔助吸熱與散熱，因此也能降低板材爆裂的機率。

(3)外層局部起泡

多層板早已跳脫一次性的傳統加壓方式。無論是使用 RCC 或薄膜貼合，或是高階多層板的非 HDI 漸進式壓合，外層在背焊時的加熱速率與熱量都必須遠高於內芯板。因此，一旦下游組裝廠的背焊爐不理想，或其背焊曲線仍延續舊有不當的含鉛作法，甚至對於升溫慢、吸熱長、峰值溫度平的無鉛背焊新概念一無所知，則難免會因組裝廠的無知而成為相當多的錯爆板。 

一般來說，fr4板廠對於下游背焊原理了解較不深入，而組裝業者普遍對於無鉛背焊的可怕性認識太少，一直以強硬的態度站在買方的立場。一旦爆板，fr4 pcb廠一定難辭其咎。因此，陸續上演切割賠償無錯無誤的場面！這些局部的外起泡，多半是在大型BGA或QFN附近，尤其是低矮無腳的QFN，最容易出問題。至於內層 PTH 的埋孔環，在壓外層之前有沒有做過良好的黑色氧化處理？即使有做，但孔環的面積太小，抓地力不足，能不能成功突破？這也是問題所在。其他如板材邊角等通孔密集的區域也是高風險區域，熱度太大時發生問題的機率也不小。

(4)多次強熱造成多片板爆裂

fr4 pcb的無鉛焊接會沿用以往的做法，主要是採用雙面SMT焊膏回流焊，再加上一次傳導波峰焊或局部選擇性浪湧焊接。如果 fr4 pcb 的焊盤表面處理為無鉛噴錫，則意味著另一次波峰焊。在3-4次強熱的折磨下，多層板已經岌岌可危。一旦板子放置時間過長，造成應力能量的累積，或加壓後未經烘烤消除應力，板子構件（玻璃纖維、樹脂、銅層）與其他構件間的CTE差異就會逐漸浮現，發生應力釋放行為，或當成品板子吸入水分後，情況就更糟糕了；一旦有機會因強熱而鬆弛汽化，當然就會露出本性，造成結合力的瞬間破壞。

此時，若能在回流焊前進行適當的烘烤，可減少爆板的發生。若在上述三種常規焊接後，再有其他強熱，如以背焊、波峰焊等方式進行修補焊接，或以更換活性元件的方式進行返修修補焊接，都有可能造成板材爆裂，操作者不可大意處理。根據生產線長期的經驗，無鉛回流焊對多層板的損害約為無鉛波峰焊的2-3倍。因此，一旦發現某些局部焊接缺陷，應盡量採用手動焊接，以取代原本在 fr4 pcb 上再大動作上线的回流焊和波峰焊。