脫層非CCL、PCB之錯

銅箔業者，經常接到客戶報怨“他們加工制造的CCL或PCB發生脫層”，其實很多時候，脫層是因構成基板的樹脂發生不良所致，使用動態機械分析儀（Dynamic Mechanical Analyzer，DMA）可以幫助確認這個問題。

銅箔在成膜后，尚需歷經表面粗糙化及活性化，目的是為增強與基材間之黏結力。經過廠內品檢合格的銅箔送交下游銅箔基板（CCL）廠，放置在堆棧好的樹脂預浸板最外層，依需要熱壓成單面或雙面基板，即是一般所謂的銅箔基板。接著，將此CCL送交下制程依續完成線路制作步驟，稱為線路基板。然后，若要制作多層板時，尚需將線路基板與預浸板堆棧后再經過熱壓合的步驟，此時CCL已是二次受熱了。之后，再要經外層線路涂布防焊漆、鉆孔、電鍍等熱及化學處理過程，最后的成品稱為印刷電路板（PCB）。通常，各種電子零件會以焊錫固定在PCB 上，此焊接過程又增加一次受熱過程。

圖1.  PCB的DMA標準圖譜。

在先后若干次的受熱過程中，由于銅箔與基板間的接著不佳，或者基板劣解變質，或者基板釋出水或其它小分子等不良作用，均可能導致銅箔與基板間引起脫層現（Delamination），造成CCL 或PCB 的不堪使用。

身為銅箔業者，最常接到的客戶報怨，就是他們加工制造的CCL或PCB發生脫層而要求索賠。其實很多時候，脫層是因構成基板的樹脂發生不良所致，銅箔只是受到牽連而已。但是，如何證明是基板樹脂不良呢？善用動態機械分析儀（Dynamic Mechanical Analyzer，DMA）可以有效幫助解答這個問題。

首先，完成正常CCL或PCB的DMA圖譜以為標準，并建檔，當然，試片要先將防焊涂料與表面銅箔處理掉。其次，分析發生脫層的CCL或PCB的DMA圖，以發現其環氧樹脂的反應質量。

圖2.  去防焊、去銅箔的PCB#1板升溫至170℃，觀察2小時后的DMA圖。

PCB的DMA標準譜圖如圖1所示，在DMA圖中通常會顯示三個黏彈量：彈性模量（Storage Modulus，E’），可以視為材料的軟硬度；黏性模量（Loss Modulus，E”），可以視為材料的運動磨擦能量損失；阻尼（Damping，Tan Delta），即E”/E’，每儲存一個單位能量的同時所損失的能量。從圖1中可以看出，FR4 級PCB的軟化溫度為124℃，E”的峰值為128℃，Damping的峰值為134℃，傳統以來，一般習慣取阻尼峰值為Tg，是前述三個值中最高的。圖1中在整個玻璃轉移范圍內（100~180℃）阻尼的形狀恰如一鐘狀常態分布圖，表示交聯的三度空間環氧樹脂網目（Network）的大小分布也是常態分布，較低溫度的阻尼強度代表寬大網目的比率，而較高的溫度的阻尼強度代表細密網目的比率，常態分布表示反應均勻，無過度反應（Over Curing）或反應不足（Under Curing）。

案例1

PCB#1，在焊錫后發現電路孔四周有輕微脫層現象，但將PCB施以170℃與2小時的后反應之后，脫層有改善，故先將去防焊、去銅箔的PCB板升溫至170℃觀察2小時，結果見圖2。本圖說明在Tg后的橡膠區持溫使反應得以持續，此由E’值穩定的增加而加以證實。也就是說，本試樣的問題在于反應不足。

圖3.  正常PCB、發生脫層的PCB#1的第一次加熱圖、經170℃后反應2小時的第二次加熱圖比較。

將圖1正常PCB、會發生脫層的PCB#1的第一次加熱圖、經170℃后反應2小時的第二次加熱圖重迭比較，顯然發現經后反應的PCB其Tg提高了，阻尼圖也接近正常，唯Tg仍較正常低，且高溫部份有肩形（Shoulder），表示二次加熱的PCB反應均勻度畢竟比較差，見圖3。

圖4.  CCL#2發生脫層的局部、稍遠于脫層處的局部、標準品的DMA比較。

案例2

CCL#2，發現表面銅箔有局部脫層現象，由此做成的PCB #4，在焊錫后仍發現電路孔四周有脫層現象。首先將CCL#2表面銅箔除去后，各取在發生脫層的局部與稍遠于脫層處之局部各完成DMA測試，并與標準比較如上，結果見圖4，由此可知遠離脫層處的特性圖較接近標準圖，而脫層處的阻尼顯然強度較矮Tg較低，故可判斷本件樣品的Network結構并不均勻，其原因可能是如下幾點：1，熱壓合溫度控制并不均勻；2，耐熱性差，由于Over Curing 造成劣化，使Tg降低，且不均勻。經進一步分析，將證明由CCL#2所制作的成品PCB#4，其所發生的導電孔周圍脫層的成因是原因2所致。圖5中，除去防焊油墨與銅箔的樣品，其阻尼峰Tg值由134℃降為124℃，并且阻尼峰不是鐘形對稱，Network 結構有所破壞，表示在由CCL→PCB 的過程中環氧樹脂持續劣化。另外，在本項試驗中，也比較了未將防焊油墨去除的DMA圖譜，發現其阻尼峰Tg值由124℃降為114℃，表示防焊油墨會影響測試結果。

圖5.  PCB#4與標準品的DMA譜圖比較。

案例3

PCB#3，在焊錫后發現電路孔四周有輕微脫層現象，故先將防焊油墨與銅箔磨去以后，將試樣在DMA中先后試驗兩次（1st Run與2nd Run），并與標準圖譜比較，如圖6。可以看出第一次升溫的阻尼峰僅120℃，而第二次升溫的阻尼峰達127℃，表示PCB#3的反應并未完全，證實了本試樣的問題仍在于環氧樹脂的反應不足，而不是銅箔質量有問題。

圖6.  PCB#3兩次DMA測試結果與標準譜圖的比較。