由於無鉛化時代的到來，無鉛電裝工藝帶來的高熱容、小工藝窗口、低潤溼性等對PCB帶來極大的挑戰。特別是無鉛焊接溫度的提升，由傳統的有鉛焊料Sn63Pb37熔點為183℃轉變為典型無鉛焊料熔點217～227℃，40℃左右的變差意味著PCB會承受更高的熱衝擊，從而導致PCB分層起泡缺陷的風險在加大。
IPC-A-610標準已對分層起泡給出明確的定義，具體如下。
從圖片解釋看，分層、起泡的定義是相近的或者說沒有本質區別，其機理都是內部產生的膨脹應力大於層間的結合力導致最終剝離分層的現象。若非要區別，那就是分層在板表面的表徵為出現「泛白」，而起泡的表徵為出現「隆起」，具體可參見下圖。
為了進一步闡述PCB分層起泡的分析方法，作者結合實際案例，通過光學顯微鏡、金相切片、SEM+EDS、熱分析DSC（差示掃描量熱儀）等分析手段來論證。
某工業類電子產品SMT回流後出現一定比例的分層起泡，失效位置集中出現在板邊緣部，有明顯的「泛白」現象，集中在某一周期PCB，工藝排查、過程管控均未發現問題，所以將問題鎖定到PCB來料上。
3.1 外觀檢查
使用電子光學顯微鏡對失效部位進行觀察，發現板片邊緣部出現明顯的分層現象，具體觀測結果如下：
3.2 金相切片分析
查找該款PCB的層間結構，此板為4層板，層間結構如下：
對分層區域進行切片，觀察其截面形貌並判定其分層位置，經分析發現分層位置出現在PP膠層與芯板CORE之間，切片圖如下：
3.3 剝板分析
對分層區域進行剝板，剝開分層位置未發現有異物殘留，可以排除是異物導致。分層出現在PP層與芯板基材區，所以也可以排除與棕化有關。
分層區域剝開後發現有明顯的樹脂層，由於PP膠層有用填料，而芯板層沒有，可用SEM/EDS對該樹脂區域進行觀察並檢測其元素來進一步判定分層位置，若打出填料元素，則可以判定斷裂位置在PP層樹脂內部，說明PP層與芯板基材區結合良好，若沒有打出，則可以判定分層區域在芯板基材界面處，PP與芯板結合可能存在異常。
3.4 熱分析DSC
對分層區域取樣做DSC，通過測試得出其Tg及△Tg值，來判定PCB樹脂的固化度。
該款PCB板材使用的是普通Tg板料（Tg>=130℃）,△Tg值高達5.71，烘烤板後Tg值超過板材Tg值要求，所以可以判定PCB壓合是良好的，滿足固化要求，而分層的出現是與吸溼有關。
3.5 實驗驗證
依據IPC-TM-650 2.6.8標準，對問題批次空板做熱應力對比實驗，對比結果如下：
通過實驗可以發現預處理的PCB可以滿足熱衝擊實驗，而未處理的PCB受熱後問題復現，可以說明吸潮是導致PCB發生分層起泡的原因，後板廠查詢了當時的生產記錄，確實有一部分PCB存在工序滯留時間過長問題，導致板料受潮。
3.6 機理小結
本案例中的PCB分層原因與板件受潮直接相關，由於PCB屬於複合材料，其中含有大量的環氧高分子材料，高分子材料屬於大分子材料（分子直徑約為50～200nm），而水分子為小分子材料（分子直徑約為1nm以下），所以PCB屬於典型的潮敏器件。PCB吸潮後在高溫中會形成水汽，將會對板材產生膨脹應力，其所受溫度越高，所受的蒸汽壓也越大（見附關係圖），根據業內統計PCB 60%以上的分層起泡問題都來自吸潮導致，所以需要引起大家的重視。
4.1 PCB的疊層結構
若要明確PCB分層起泡的原因，必須先要了解PCB的疊層結構以及各層間的結合狀況，附圖是典型的4層板結構，用於分析說明。
4.1 分層起泡的特性要因圖
以下分析來源於廠內的失效案例總結，同時也收集了PCB板廠的現場經驗及時業內同行的分析數據。
4.3 分層起泡的失效分布
以下數據分布來源於組裝廠內以及PCB板廠的失效品數據總結，對PCB分層起泡分析有一定的指導作用。
PCB的分層起泡涉及的因素廣，涉及到PCB設計、板材選型、PCB加工管控、PCBA的裝聯等，作者根據自身的實踐給出一些簡單建議，供大家參考。
⏩ 設計方面
1） PCB的疊層設計、圖形分布是否合理。需要考慮熱應下的熱分布的均勻性，避免局部受熱過度，產生超出結合力的膨脹應力。
2） 板材選型。無鉛化下，需要選擇可以滿足無鉛工藝的板料，特別關注材料的以下幾個熱性能，如Tg（玻璃態轉化溫度）、Td（熱分解溫度）、Z-CTE（熱膨脹係數）、TMA T260\288\300耐分層時間，以及板材的吸水率，具體技術指標可以參考IPC-4101（剛性及多層印製板用基材規範）標準。
⏩ PCB製程
PCB加工過程需要管控的方面很多，但作者認為，以下幾點需要特別關注。
1） PP及芯板存儲。應該做好防潮措施，對溫溼度進行嚴格管控，確保管控條件滿足材料商的Datasheet要求，同時板料必須在有效期內使用完畢，不可過期使用。
2） 棕化工序控制。對有機金屬沉積的管控，選擇品質優良的棕化藥水，對棕化層的汙染嚴格進行監控。
3） 層壓工序控制。嚴格按照板材供應商提供的壓合曲線操作，確保材料完全固化，同時對壓合板件定期做Tg及△Tg檢測。
⏩ 板材來料檢驗
PCB典型的工藝評價手段是熱應力+切片的方法，這是PCB評價中手段最簡單實用的一種手段，也是預先發現來料異常的最經濟的方法。
⏩ 板件的存儲及使用
1） 存儲條件。使用真空包裝且包裝材料的透氣率符合EIA 583（潮溼敏感物品包包裝材料標準）的要求，材料的透氣率小於0.02g/100in2/24hrs，同時具有靜電防護及機械強度。另外倉庫、生產環境滿足溫度<=30℃，相對溼度<=75%。
2）板件的拆包使用。在溫溼度受控（溫度<=30℃，相對溼度<=75%）且無酸、無硫的環境下，拆包PCB需要在24hrs內完成SMT工序貼裝，SMT工序完成後在48hrs內完成Dip工序。
⏩ 裝聯過程
1） 回流曲線。建議溫度曲線設置在滿足規範，焊點質量滿足品質標準的前期下，儘量縮短焊接時間及溫度，減少板材受熱。
2） 器件維修。建議儘量採取自動設備對需要維修的器件進行更換，這樣器件及板材的熱輸入可受控，且一致性比較好，可以避免出現局部過熱導致PCB分層起泡的現象。
最後，特別強調，除非確定PCB受潮之外，不建議對PCB做不必要的烘烤動作，烘烤本身是一個「雙刃劍」，一方面確實可以起到除溼作用，但其產生的負作用也不少，若烘烤溫度、時間設置不當會加速其分層起泡的風險，同時PCB鍍層也是一個考驗，會加速鍍層的氧化影響其焊接性，特別是OSP表面處理需謹慎處理。
PCB的分層起泡作為PCB加工及電子裝聯中常見的問題需要引起我們重點關注。本文作者根據自身的實踐經驗以及業內同仁的觀點做了整理總結，分享了分層起泡可能的產生原因、改善建議以及失效分析方法、流程，希望大家掌握了這些方法後能夠從源頭避免問題發生，減少失效造成的損失，提高產品的可靠性，因為我們做失效分析不僅是為了「治病救人」改善問題，更應是「強身健體」預防問題發生，這才是我們所追求的，才是真正的價值所在。
許琳，男，高級工程師，廣東省電子協會SMT專委會委員，《SMT China表面組裝技術》及一步步新技術研討會技術顧問，IPC 7-31B CN_610技術組專家。從事PCBA電子裝聯十餘年，主要負責過程質量管理，過程工藝優化以及板級失效分析等工作，發表技術論文多篇。