PCB 分層詳解：成因、檢測及預防

PCB 分層通常在焊接前就已開始，起因是電路板吸收了水分。在無鉛回流焊約 260 °C 的上限溫度下，水會沸騰並產生約 46 倍大氣壓的壓力。抵抗這股壓力、將各層固定在一起的，只有一層薄薄的固化環氧樹脂。多層板由銅箔及以環氧樹脂黏合的玻璃布組成，而環氧樹脂是其中最脆弱的部分。銅和玻璃受熱時幾乎不會膨脹，樹脂卻會沿板厚方向大幅膨脹，因為該方向沒有玻璃纖維加以約束。

圖 1：含有分層預浸料層的多層 PCB 截面

因此，每次焊接都會拉扯相同的黏結面，而水分則從內部施加壓力。當其中一個黏結面脫開時，就形成分層。這解釋了為何電路板可以通過來料檢驗，卻在第二次進入焗爐時失效。本指南介紹分層如何開始、造成分層的原因、檢測方法、預防措施，以及何時可以修復已分層的電路板。

甚麼是 PCB 分層？

PCB 分層是黏結失效，而不是材料本體失效。銅、玻璃和樹脂通常仍保持完整，先失效的是它們之間的界面，因此界面所在位置決定了損壞是否容易看見。

PCB 分層如何發生

PCB 分層是電路板各層之間的分離，可能發生在層壓板層間、層壓板與銅箔之間，或預浸料與內層芯板之間。IPC-T-50 將其中局部隆起的形式稱為起泡。兩者都始於界面應力超過樹脂黏結能力。

圖 2：厚度膨脹及蒸氣壓力作用於預浸料與芯板的黏結面

大部分應力來自熱。玻璃布將平面膨脹限制在接近銅的 17 ppm/°C，但厚度方向沒有加強材料。在玻璃轉移溫度（Tg）以上，樹脂開始軟化，標準 FR-4 沿厚度方向的膨脹約為 250 ppm/°C，因此每次高溫製程都會拉開各層。

為何 PCB 分層值得重視

已分層的電路板仍可能通過導通測試，使缺陷難以及時發現。空洞本身是絕緣體，所有網絡仍然連通，但穿過空洞的鍍通孔失去支撐，每次熱循環都會使孔壁受力，最終在實際使用中間歇性裂開。

空洞也會改變電路板的電氣特性。空氣的介電常數為 1.0，而 FR-4 約為 4.4，因此空隙上方的走線阻抗會發生偏移。聚集在分離界面的水分會促成導電陽極絲（CAF），沿脫黏玻璃纖維生長的銅絲可能連接相鄰孔位。

PCB 分層的成因

分層有三個根本來源，而且通常會共同作用。材料或壓合黏結力不足，使界面容易受潮氣和熱負荷影響；鑽孔及佈局選擇則可能集中應力。

材料及壓合問題

樹脂系統決定黏結面可承受多少熱量。標準 FR-4 使用雙氰胺（dicy）固化，吸水量較高，分解時間也早於酚醛固化的無鉛系統。IPC-4101 規格表透過分解溫度（Td）以及在 260°C 和 288°C 下的分層時間（T260 和 T288）反映這項差異。

水分及熱應力

環氧樹脂具有吸濕性，因此裸板從出貨當天起便會從空氣中吸收水分。電路板能承受多少水分，取決於樹脂系統、結構和焊接溫度，沒有一個適用於所有設計的單一上限。

界面的水分在回流焊時會瞬間變成蒸氣，260°C 的飽和蒸氣壓接近 4.7 MPa（680 psi）。完整的黏結面可以抵抗這股壓力，但已被熱量或不良壓合曲線削弱的黏結面會裂開，這是大多數組裝階段起泡的形成方式。

即使電路板乾燥，熱量仍會負載黏結面。每次超過 Tg 的製程都會令樹脂沿厚度方向大幅膨脹，增加一個應力循環。兩次回流焊、一次波峰焊及返工都會消耗部分餘量，因此失效往往在最後一道製程出現，而非在溫度最高的一次出現。

製造及設計因素

即使層壓板原本黏結良好，鑽孔仍可能啟動分離。鈍化或過熱的鑽頭會推擠玻璃而非切削，令孔壁周圍樹脂裂開，形成稱為暈圈（haloing）的白色環。電鍍化學品接著可能沿裂縫滲入，令外觀乾淨的孔在回流焊時變成分層通道。

佈局決定應力集中位置，而銅平衡是第一個可調整的槓桿。內層大面積空白會令預浸料樹脂向更遠處流動，在黏結力最弱的位置形成缺樹脂區。正如銅箔鋪設基礎指南所述，讓每一對層都有均勻覆銅可以消除這些區域。

PCB 分層的跡象及檢測

到達表面的分層通常會自行顯現，而內部分層則必須有目的地檢測。前者需要受訓人員目視判斷，後者需要能穿透電路板或將其切開的測試。

PCB 分層的常見跡象

到達表面的分層有四種表現，以下按由易至難發現的順序列出。每種跡象都對應不同深度，也能提示下一步應檢查的位置。

圖 3：比較起泡、白色分層斑及麻點

• 起泡：層壓板內或阻焊膜下方出現隆起、圓形的凸點，通常在回流焊後立即可見。
• 白點及白斑：樹脂從玻璃纖維脫離後形成較淺色區域，光線穿過電路板時最明顯。
• 新出現的彎曲或扭曲：焊接前平坦的電路板焊後變形，因為已釋放的層不再約束相鄰層。
• 焊盤翹起及間歇性故障：返工時剝離的焊盤，或隨溫度時有時無的開路，表示問題已深入疊層內部。

麻點是最常被誤認為分層的跡象。它在玻璃纖維交織點分離處呈現小白十字。IPC-A-600 對麻點的接受程度遠高於起泡，因為麻點很少影響可靠性。微切片可以確定兩者差異，分層會使層間分離或銅箔從層壓板翹起，而麻點只停留在織物交織點。

內部分層的檢測方法

三種方法涵蓋大部分內部檢查工作，差別在於需要犧牲整塊電路板、測試片，還是原始層壓材料樣本。

圖 4：分層電路板的聲學顯微鏡 C 掃描，以及旁邊對應的微切片

• 掃描聲學顯微鏡（SAM）：超聲波換能器在水下掃描電路板，任何空氣層都會反射幾乎全部聲波，因此空洞會顯示為明亮區域。
• 熱應力及微切片：測試片按照 IPC-TM-650 2.6.8 方法在 288°C 焊料中浮放 10 秒，再切割、拋光並檢查分離情況。
• 以 TMA 測量分層時間：熱機械分析儀按照 IPC-TM-650 2.4.24.1 方法，將層壓材料保持在 260°C 或 288°C，記錄至分離所需的分鐘數。

X 光是隱藏焊點的常用工具，但不適合檢測分層。薄薄的空氣層幾乎不會改變輻射穿透量，卻會反射幾乎全部超聲波脈衝。因此分層篩查應使用聲學顯微鏡，而不是 X 光。

如何預防 PCB 分層

預防措施是將三個成因反向控制。讓材料保持乾燥、給予黏結面完整的壓合曲線，並限制鑽孔及熱製程對電路板造成的損傷。

控制材料及水分

材料選擇應放在首位，因為它決定後續每一步可使用的餘量。需要雙面無鉛回流焊或任何返工的電路板，應採用 IPC-4101/99 或 /126 層壓板，而不是未指定等級的 FR-4。 PCB Tg 選擇指南介紹了厚多層板的取捨。水分控制可以保護這些餘量。製造商會在受控溫濕度的房間儲存預浸料和芯板，成品則應以真空袋、乾燥劑和濕度指示卡包裝出貨。濕度上升時，指示卡上的色點會變色。包裝一旦打開，電路板便會重新吸收水分，因此應在數天內完成組裝。

優化壓合製程

壓合必須在樹脂固化前排除空氣、水分及污染物。真空會在樹脂流動前抽走被困的空氣和水分。升溫速率必須保持在層壓材料製造商製程指南規定的範圍內，因為它決定熔融預浸料在凝膠前能流動多遠。流動不足會留下乾燥點，並在回流焊時失效。

圖 5：FR-4 層壓壓機的溫度、壓力及真空隨時間變化曲線

內層銅的處理與壓合同樣重要。棕化或替代氧化處理會蝕出粗糙表面，讓樹脂牢牢咬合。處理後的芯板必須在短時間內完成疊板，避免吸收水分或沾染手部污染物。

控制鑽孔及熱製程

使用鋒利刀具並提供適當支撐，可以控制鑽孔損傷。製造商會限制每支鑽咀的鑽孔次數，並設定進給和轉速，使鑽咀切削而非摩擦。鋁製入口板和背襯板夾住整個拼板，防止出口側向外裂開。

PCB 分層的預防及修復

電路板一旦分層，問題便變成如何控制。若損壞細小、淺表且穩定，可以封住缺陷；如果無法承受下一次熱循環，就應報廢電路板。

已分層的 PCB 可以修復嗎？

只有當分離區域細小、接近表面且遠離導體時，PCB 分層才可以修復。在這種情況下，IPC-7711/7721 描述了注入修復方法。在空洞處鑽出小孔，從其中一孔注入低黏度環氧樹脂，另一孔用於排氣，待樹脂固化後即可封住該區域。

限制很嚴格，因為環氧樹脂只能填入鑽孔可到達、且不會切到銅的空洞。內層分離和鍍通孔附近的損壞都無法觸及。注入樹脂也不能恢復孔壁支撐或原有介電特性。因此，修復只適合作為穩定原型的手段，而高可靠性產品通常需要先取得客戶批准。

何時應更換 PCB？

只要分層不符合 IPC-A-600 限值、接觸到銅結構，或仍在持續擴大，就應更換電路板。對第 2 類及第 3 類電路板，標準只接受每側板面面積 1% 以內的分層。分層跨越相鄰導體間隙不得超過 25%，並且在熱測試中不得繼續擴大。

專業 PCB 製造如何降低分層風險

大部分分層控制措施都在看見電路板之前完成，因此製造商的製程紀律會直接影響可靠性餘量。最重要的是兩方面，一是整個流程的控制，二是與電路板複雜度相匹配的驗證。

端到端製程控制

端到端控制意味着從進料層壓材料到包裝成品，都遵守同一套水分和溫度管理。材料保持乾燥，處理後的芯板在規定時間內壓合，壓合曲線也按材料特性設定。任何一個步驟出現空缺，都會消耗其他步驟建立的餘量。

圖 6：從乾燥層壓材料儲存到真空密封包裝的端到端分層控制

JLCPCB 使用來自 Nan Ya、KB 和 Shengyi 的 A 級 FR-4 製造硬板，其 PCB 能力頁面列出可選材料。其 TG170 選項採用 Shengyi S1000-2M，這是符合 IPC-4101/126 的層壓材料，資料表顯示 T288 約為 30 分鐘。電路板會以真空密封方式出貨，內含乾燥劑及濕度指示卡，因此收貨時可透過卡片確認包裝是否保持乾燥。

複雜 PCB 的品質控制

高層數、厚疊層或混合材料的複雜電路板具有更多界面，也承受更多熱量。因此，IPC-6012這項硬板性能規範要求對測試片進行熱應力處理、微切片及分層和起泡評估。選擇第 3 類會收緊抽樣要求及允許限值。

你需要提供可平衡、保持乾燥的電路板設計，包括對稱疊層、成對層均勻覆銅、製造備註中的層壓材料等級，以及預計的回流焊和返工次數。一般的 PCB 設計規則及最佳實務涵蓋其餘要求，而 JLCPCB 線上報價頁面可讓你在下單時選擇 Tg 等級。

PCB 分層常見問題

結論

PCB 分層很少由單一錯誤造成，通常是材料選擇不當、吸濕、製造問題及反覆暴露於高溫共同作用的結果。每塊 PCB 能承受的熱應力有限。層壓材料品質、壓合條件及儲存方式決定電路板的耐熱能力。每一次回流焊、波峰焊或返工都會增加應力，逐步提高內層分離的風險。

預防 PCB 分層要從選擇合適材料及控制製造流程開始。選用具有合適 T260 評級的層壓材料，保護電路板免受潮氣，並避免不必要的加熱循環。與 JLCPCB 這類採用受控生產流程及真空防潮包裝的可靠製造商合作，有助降低這些風險並提升 PCB 長期可靠性。