Деламинация на PCB: Причини, превенция и решения

Въведение

Печатната платка (PCB) е сърцето на всяко електронно устройство, което тихо захранва нашите телефони, превозни средства, медицинско оборудване и сателити. Докато производството и производствените процеси, възможностите и технологиите на Китай за печатни платки продължават да се подобряват, дори и най-висококачествените платки не са имунни срещу един от най-упоритите и скъпоструващи дефекти в електрониката: деламинация на PCB. Когато слоевете на платката започнат да се отделят, често следват електрически повреди и отзоваване на продукти.

Разбиране на отслояването при PCB и как да се предотврати. Първо, необходимо е да се разбере, че причините за отслояване могат условно да се разделят на четири категории: проблеми с материала, производствени проблеми, външни околните влияния и неподходящи химически обработки и др. Ако разгледаме от гледна точка на детайли в производствения процес, но как влажността, топлинната обработка, монтажът и условията за съхранение взаимодействат. Дефекти като отслояване, образуване на петна и микротрещини компрометират повърхностния слой на PCB и вътрешната структура, което подкопава надеждността и понякога безопасността.

Какво е отслояване при PCB?

Разслояването на ПП (печатна платка) се отнася за явлението разделяне или отлепване между различните слоеве на платката по време на производствения процес. То възниква, когато слоевете на платката — комбинации от мед, смола и основа — започнат да се отделят поради различни механични, топлинни или химически причини. Разслояването може да се прояви чрез образуване на мехурчета или пукнатини, оцветявания и пърхане, възлести образувания или дори деформация на повърхностния слой на ПП. Когато се появи слоистост, ако не бъде открито навреме, това може да доведе до увеличено влагопоглъщане в ПП, което ускорява допълнителни повреди и води до загуба на функционалността ѝ.

Съдено по някои често използвани материали, за основни материали на печатни платки се използват плочи от FR-4 или полиимид. Тези ламинати, адхезиви и медни фолиа са високотехнологични, но остават уязвими. При висока влажност или термични цикли дори ламинатни материали от първа класа могат да се отделят, ако не са правилно произведени и обработени.

Защо разслояването на PCB е сериозен проблем

Защо разслояването привлича толкова голямо внимание в света на печатните платки? Просто казано: ако се появи разслояване, цялата PCB може да бъде повредена. Печатната платка служи като основен компонент за предаване на сигнали и електрически вериги в цялата контролна платка.

Защо разслояването е толкова опасно:

• Електрически повреди: Най-пряката последица е прекъсване на проводниковите пътища; губи се захранване или данни, което води до произволни повреди.
• Топлинни точки: Тъй като въздушните процепи, причинени от разслояване, имат нисък топлообмен, се създават локални „горещи точки“, които в крайна сметка ускоряват допълнително повреждане.
• Структурна слабост: От структурна гледна точка, когато основният материал на PCB се разслои, губи механична якост и е склонен на пукане, особено по време на монтаж или преработка.
• Дългосрочни щети: Влагата в подложката на PCB продължава да атакува отвътре, което води до корозия, жълтеники и допълнително надуване. Това е фактор, причинен от външната среда.
• Скрити рискове: Дори ако разслояването първоначално не спира работата на устройството, то съкращава живота на PCB — причинявайки продуктите да излязат от строя задълго преди предвидения им краен срок, като платката вече е изгубила своята най-основна производителност.

Причини за разслояване на PCB: Основните фактори

Ако искате да решите проблема със слоистостта, започнете от причините.

Разбирането на причините за разслояване на PCB и защо се случва, е първата стъпка към предотвратяването му.

1. Възприемане на влага и влажност

PCB основните материали са хигроскопични — явлението на абсорбиране на влага обикновено е тясно свързано с фактори като химическата структура и порестостта на използваните материали, както и с влажността на околната среда. Често срещани субстрати за PCB, като FR-4 (епоксидна смола с комбинирана стъклено платно), имат определена порестост и могат да абсорбират влага от въздуха. Това означава, че те абсорбират влага от околната среда, особено ако платката е оставена незащитена при висока влажност. Излишната влага в PCB може да бъде уловена в основата на платката и изложена на влажност по време на производство, съхранение или транспортиране. По-късно, при излагане на висока температура по време на процеса на леене, тази влага се превръща в пара.

• Когато влагата, уловена в платката, се нагрее над точката на кипене на водата, тя създава мощно вътрешно налягане. Ако ламинатът не може да отведе или абсорбира това налягане, слоевете започват да се отделят, което води до намаляване на електрическите параметри, неравномерно топлинно разширение, намалена механична якост и дори проблеми като електрически къси съединения, а в крайна сметка се появява деламинация.
• Условията за съхранение на ламинатните материали са от решаващо значение. Когато влажността във въздуха нараства, това ускорява адсорбцията на влага. Ако повърхността на подложката абсорбира влага, скоростта на абсорбция на влага нараства с увеличаването на влажността. Поради това пропускането на вакуумно запечатване или изпичане на платките преди монтаж е основна причина.
• Влагата в подложката на PCB също може да причини образуването на петна (вж. по-долу).

2. Топлинен стрес и термична обработка

Когато платката навлиза в етапа на SMT сглобяване и обработка, всяка платка преминава през многократно топлинно напрежение по време на сглобяването. Топлинната обработка (рефлуксно леене, вълново леене, ремонт) нагрява платката над 200°C. След въздействие на високи температури, ако ламинатът е стар, има неподходящ тип смола или не е изсушен чрез изпичане, може да настъпи разслояване.

• Неправилен термичен профил или превишаване на указаната Tg на смолата (температура на стъклен преход, например използване на FR-4 материал с неподходящ тип Tg) са чести причини. Затова при избора на материали трябва да се оценят и изискванията за крайното приложение на продукта, като се избере подходящ клас Tg.
• При термично циклиране разширяването и свиването на слоевете „разхлабва“ връзките, особено при HDI платки или такива с дебели медни проводници.

3. Проблеми в производството и материала

• Некачествени производствени процеси : Всякакви частици, масла или неправилно ламиниране по време на пресоване на платката винаги могат да причинят разслояване. В днешните напълно автоматизирани производствени цехове този фактор е значително намален.
• Неправилен тип Tg : FR-4 или полиимидът трябва да съответстват на действителната термична обработка на вашата сглобка.
• Стари, негодни за употреба материали за платки или изтекла смола могат да доведат до разслояване . Препоръчва се използването на материали от често използвани международни марки.
• Материал с неправилен тип Tg : Ако процесът на рефлоу постоянно достига по-високи температури от тези, за които подложката е предвидена, образуването на мехурчета поради разслояване е само въпрос на време. Както бе споменато по-горе, изборът на подходяща подложка според Tg може да намали вероятността от този проблем.

4. Механични и химически предизвикатели

• Огъване на платката, неправилно обращане или ударите могат да причинят разслояване, особено когато връзките вече са ослабени от влага или топлина.
• Агенти за почистване, флюс и остатъци от лепило за запояване, ако не са правилно почистени, могат да влошат сцеплението между повърхностния слой и основата, което води до разслояване.

Механични и химически предизвикатели, често срещани при последваща обработка и производство на сглобяване, причинени от външни фактори.

Обобщаваща таблица: Причини за разслояване на PCB

Меланж и разкъсване на PCB: Свързани форми на разслояване

Разслояването, меланжът и разкъсването често се смесват, но представляват различни дефекти в света на печатните платки — всеки със своя набор от рискове и причини. Тези качествени проблеми не само засягат външния вид на PCB, но могат сериозно да повлияят и на електрическите му характеристики и надеждност.

Меланж и дефекти на PCB

Меланжът представлява образуването на много малки бели петна поради локално разслояване, типично в точките на пресичане на стъклени влакна в основния материал на PCB. Те изглеждат като фини бели точици под защитния слой или ламината и понякога се бъркат с ранен стадий на разслояване. Меланжът и разслояването на PCB са свързани, тъй като и двете са резултат от разрушаване на ламинирания материал, често предизвикано от прекомерна влажност в PCB или ниско качество на производствения процес.

• Мехурчетата обикновено се причиняват от окисление или корозия на металния слой върху повърхността на PCB (например меден слой), от влага или може да са резултат от неподходящо покритие или повърхностна обработка, особено когато платките са изложени на бързи температурни промени или термични шокове по време на леене.
• Когато влагата е затворена в основните материали на PCB или когато материалите не са правилно втвърдени, се появяват малки бели петна. С течение на времето тези петна могат да нарастват, което води до по-сериозно разслояване, ако не бъдат отстранени.

Напукване

Напукването се характеризира с мрежовиден модел от микротръни, преминаващи през основния ламинат на платката. Често се причинява от умора на материала, неправилен контрол на текста и графичните елементи по време на процеса на запояване, както и от неправилни механични операции като лошо свърлене и рязане. За разлика от образуването на бели петна (measling), което е локализирано, напукването често засяга по-големи площи, като създава видима мрежа под защитния слой за запояване. Въпреки че напукването не винаги води до разслояване, то е видим индикатор за напрежение и може да отслаби структурната цялостност на платката.

Когато съществува загриженост относно свързани форми на разслояване

• Образуването на бели петна и напукването могат да доведат до разслояване, ако платката бъде подложена на допълнително термично или механично натоварване или ако задържана влага се разшири по време на сглобяване или употреба на продукта.
• Платките, показващи образуване на много малки бели петна поради разслояване, трябва да бъдат поставени под карантина за допълнителна проверка и тестване. Редовно извършвайте проверки за проблеми с материалите или основни тестове преди употреба.
• Чрез прилагане на научни процеси за проектиране, производство и тестване, честотата на възникване на тези проблеми може значително да се намали, като се повиши надеждността и дългосрочната стабилност на PCBs.

Бърза сравнителна таблица: Measling срещу Crazing срещу Delamination

Ефекти и последствия от разслояване на ППС

ППС, като високоточно електронно устройство. Последствията от разслояването и свързаните с него форми при ППС са обширни и засягат електрическите, топлинните и механични аспекти на устройството. Най-непосредственото следствие е намаляване на механичните и електрически свойства на платката, както и функционална неизправност.

Проблеми с електрическите параметри

Къси съединения и прекъснати вериги са най-честите и рутинни диагностични прояви, които най-добре отразяват явлението разслояване.

• Прекъсване на проводника: Където проводниците или дирите се отделят от основния материал , веригите се прекъсват, което води до повреда на устройството или до променливи неизправности.
• Къси съединения и CAF: Деламинацията може да доведе до нови пътища за проводима анодна филаментация (CAF), свързващи отвори за запояване или медни следи.

Топлинни и структурни последици

Често по време на процеса на заваряване деламинацията се засилва при въздействие на топлина. Или пукнатини и деформации се причиняват от външни сили.

• Топлинна изолация: Мехурчетата и зазорините намаляват топлообмена, което причинява прегряване и бързо локално разграждане на компоненти в близост до деламинирани зони.
• Механична слабост: Плочата губи способността си да огъва или издържа ударни натоварвания, което води до пукнатини и по-значителна деламинация.

Влага и корозия

Влиянието на субстрати като FR-4 и CM-1, които абсорбират влага от въздуха в среда с висока влажност.

• Задържаната влага в платката не само причинява разширение при нагряване, но също така може да ускори корозията, особено в изложени медни контактни отвори или проводници в зоната на отделяне.
• Многократното въздействие на висока влажност и неподходящите условия за съхранение на ламинатните материали позволяват продължаващо влошаване, което води до това.

Въздействие върху живота и надеждността на продукта

За производител на големи серии платки, въпреки че оптимизирането на външната среда и управлението на операционните норми е предотвратило проблема с отделянето, ако веднъж се появи, това ще има голямо влияние върху живота на самата платка и надеждността на крайните продукти.

• Отделянето и неговите варианти (микропушене, фини пукнатини) намаляват ефективния живот на платката и означават, че дори уреди, преминали първоначални функционални тестове, могат да започнат да излизат от строй след месеци или години, което значително съкращава експлоатационния живот на продукта.
• Тези скрити повреди могат да доведат до скъпи отзивания и щети за репутацията на марката, тъй като устройствата неочаквано се повреждат на терен.

Как да разберете дали една PCB е повредена (симптоми и видове отслойване)

Най-добрият начин да се решават проблемите е да се предотвратяват. Познаването на симптомите на отслойване на PCB е от съществено значение за ранно откриване и ограничаване, можем да идентифицираме проблема чрез следните признаци.

Визуални сигнали

• Зачервена област под маската за лепене често сочи натрупване на влага или начално отслойване.
• Мехури или пухтения по повърхностния слой или във вътрешни точки на наслагване са директни индикатори.
• Мехур от отслойване: Подута или гъбеста област, която изглежда издадена от повърхността на PCB.
• Малки бели петна от отслойване: Указват на мекота, особено след термични цикли.

Електрически и функционални признаци

• Внезапни или прекъснати повреди, особено след като платката е подложена на високотемпературни цикли.
• Повреда на веригите след рефлуксно или вълново леене, при което контактните площи неочаквано се свързват.
• Необичайни показания за съпротивление или загуба на непрекъснатост по медните проводници.

Механични индикатори

• Платките показват необичайно изкривяване, огъване или усещане за „мекота“, когато се докосват в зони с отслойване.

Защо и как възниква отслойването по време на леене и термична обработка

Всяка ППС трябва да премине през процес на сглобяване при висока температура, но отслойването е особено вероятно по време на етапите на сглобяване при висока температура, като няколко причини за отслойване на ППС свързват елементи от конструкцията, материала и процеса. Следователно може да се обобщи, кои елементи в производството и проектирането на тази ППС трябва да бъдат оптимизирани.

Леенето и рефлуксът като предизвикатели

• Топлинната обработка, като рефлоу и вълново леене, подлага платките на температури над точката на кипене на водата (100°C), а понякога и над 250°C. Тази температура е предизвикателна минимална стойност за топлоустойчивостта на пп.
• Влагата, затворена в основата на пп, се изпарява и създава вътрешно налягане; тази ситуация възниква, когато има остатъчна влага във вътрешния слой на пп.
• Ако налягането надвишава адхезивната устойчивост на материала, ще се получи разслояване — особено в най-слабите зони, като входовете на чупки или ръбовете на медните площи.

Чести причини за разслояване по време на монтаж:

• Недостатъчна или неправилна стъклена преходна температура (Tg) в ламинатните материали (например използване на FR-4 материал с неподходящ тип Tg за безоловно леене). При изискванията за производствения процес на пп е от особено значение правилният подбор на спецификацията и модела на основния материал.
• Плоски не са предварително изпечени или вакуумно запечатани и са били изложени на влага преди леенето. В съвременните производствени процеси този фактор едва ли представлява стимул. Въпреки това, отворените опаковки с материали трябва да се използват възможно най-бързо, за да се избегне загуба на материал.
• Нискокачествени основни материали за платки, които са абсорбирали влага или са деградирали.

Защо може да възникне мащабно разслояване

• Ако разслояването започне в една точка за леене, то може да се разпространява навън, което води до мащабно разслояване, засягащо няколко слоя основен материал.

Видове тестове за измерване на разслояването при PCB

В индустрията на печатни платки се използват строги видове тестове за измерване на разслояването, които позволяват превантивно откриване и гарантиране на качеството.

Основни методи за тестване

Методи за предотвратяване на разслояване и решения

Защитата от разслояване е многоаспектна и се основава на проектиране, съхранение, обработка и дори връзки с доставчици.

Дизайн и избор на материал

• След като се разберат крайните работни характеристики и приложението на материала, изберете FR-4 материал или алтернативни материали за PCB с подходящ Tg и устойчивост на влага.
• Ако продуктът се използва в среди с висока влажност, по време на PCBA монтаж използвайте подобрени смоли или нанасяйте защитни конформни покрития.

Контроли при производство и обработка

• Осигурете строг контрол на влажността в складовите и производствените площи, стриктно спазвайте правилата и предписанията за работа.
• Печете всички платки, за да се премахне влагата преди леенето, особено преди високотемпературни или многопроходни сглобявания.
• Проверявайте доставчиците за проследимост на суровините и изисквайте материали с правилния тип Tg.

Най-добри практики при монтаж

• Използвайте правилни температурни профили, така че повърхностният слой на PCB и медта никога да не надвишават препоръчаните от производителя стойности.
• Позволете охлаждане между топлинните цикли, за да се минимизира умората от разширяване/свиване.

Безопасно обработване

• Информирайте персонала за внимателно обращение и използване на ръкавици, за да се избегнат микротръньове.
• Проверявайте регулярно за мътнини, мехури и малки зони с частично отлепване; при установяване на някакви аномални материали, те незабавно трябва да бъдат класифицирани като негодни за употреба и да бъдат складирани отделно.

Контрол на околната среда

• Използвайте складове с контролиран климат за съхранение на ламинирани материали.
• Наблюдавайте чрез сензори за влажност и температура, за да се избегне абсорбиране на влага.

Стъпки за ремонт на отлепване на PCB

Ако е настъпило отлепване, функцията на някои материали все още може да бъде възстановена чрез професионален ремонт:

• Диагностицирайте чрез визуална проверка или SAM.
• Сприйте допълнителното обращение (за предотвратяване на разпространение на мехурчета или пукнатини).
• Почистете внимателно зоната — избягвайте агресивни почистващи средства, които разтварят лепилата.
• Просейте малко отдушно отверстие при нужда, за да се инжектира епоксид в отлепената област.
• Инжектирайте висококачествен епоксид и приложете компресионно налягане.
• Овършете при контролирана температура, за да възстановите адхезията.
• Проверете отново чрез тестове за електрическа проводимост и натоварване.

Често задавани въпроси

В: Каква е основната причина за разслояване при съвременните многослойни PCB платки?

О: Основните фактори, които могат да доведат до разслояване днес, са неконтролираната влажност в подложката на PCB и при складирането, използването на ламинатни материали с неправилна или недостатъчна Tg за процеса на монтаж и слаба производствена или ламинациона практика.

В: Как мога да предотвратя разслояване, ако PCB платките трябва да преминат през множество процеси на запояване или преработка?

О: Използвайте материал за платка с висока Tg, внимателно следете влажността, запечатвайте под вакуум между процесите и изпичайте платките преди повторно излагане на високи температури.

В: Дали всяка оцветена област или мехур сочи критично разслояване?

A: Не всяко визуално отклонение изисква скрапиране. Малки бели петна от разслояване (мънистене) не винаги предизвикват разслояване, но винаги следете за разпространение. Промяната в цвета често сочи на задържана влага – отстранете основната причина, преди да продължи монтажът.

В: Каква е разликата между мънистене, напукване и разслояване?

A: Мънистенето представлява образуването на малки бели петна, напукването се проявява като мрежа от фини пукнатини, а разслояването е физическо отделяне или появата на мехури в ламината на PCB или между медта и подложката.

В: Могат ли неподходящи почистващи средства да причинят разслояване?

A: Да — особено агресивни разтворители могат да деградират адхезията в повърхностния слой на PCB или между слоевете, което в крайна сметка води до разслояване.

В: Защо определени области на платката се разслояват повече от други?

A: Разслояването често започва в точки на топлинно или механично напрежение — ръбове, групи от преходни отвори или около оловни люспи — особено където плътността на проводниците е висока или където слоевете имат по-ниска адхезивна якост.

В: Какви видове изпитвания трябва да включваме в контрола при получаване и изпращане на PCB платки?

О: Използвайте микросечени анализи, TMA, IST, SAM и тест за задържане при потапяне в олово, за да измервате както потенциалното, така и съществуващото разслояване във всички критични партиди. Винаги документирайте и проследявайте видовете повреди.

Заключение и преглед на най-добри практики

ППС е електронен материал, обработван с висока прецизност. Той има много високи изисквания и стандарти за избор и съхранение на материали, контрол на процеса и вакуумно опаковане и съхранение на готовата продукция. Разслояването е сложен механизъм на повреда, причинен от влага, неподходящ избор на материали, лоши производствени процеси и неправилна термична обработка. Трагедии като масови разслоения, внезапни откази на полето и отзоваване на продукти произлизат всички от тези основни причини за разслояване на ППС; след като се установи проблемът, трябва да се избере подходящо решение и да се минимизират загубите в най-голяма възможна степен.

Вашият контролен списък за предотвратяване на разслояване:

• Винаги използвайте правилните платки, които имат подходящ, сертифициран Tg рейтинг за вашата конкретна работна температура.

• Строго контролирайте начина и мястото на съхранение на ламинатните материали и се уверете, че всички ППС —които влизат или излизат—се обработват според строги климатични правила.

• Настройте наблюдение на влажността и не пропускайте стъпката с предварителното изсушаване, особено при платки, които може да са втеглили влага.

• Избирайте доставчици със здрави сертификати за своите процеси и материали и ги проверявайте редовно.

• Обучете всеки човек, който докосва или сглобява платки, какво е разслояване и как да го предотврати —което означава да ги учите да разпознават и докладват всичко, което изглежда или се държи необичайно.

• Провеждайте силни, надеждни тестове за проверка на разслояването като част от обикновените ви процесни проверки и окончателен контрол на качеството.