PCB-afblæring: Årsager, forebyggelse og løsninger

Introduktion

Printkortet (pcb) er hjertet i enhver elektronisk enhed og står stille og leverer strøm til vores telefoner, køretøjer, medicinsk udstyr og satellitter. Mens Kinas produktion og fremstillingsprocesser, kapaciteter og teknologier inden for printkort fortsat forbedres, er selv de mest højkvalitetssikrede kort ikke immune over for en af de mest vedvarende og kostbare fejl i elektronik: pcb-afblæring. Når lagene i kortet begynder at skilles ad, følger elektriske fejl og produkttilbagekaldelser ofte lige i hælene.

Forståelse af PCB-afskælling og hvordan man forhindrer det. Først er det nødvendigt at forstå, at årsagerne til afskælling kan groft opdeles i fire kategorier: materialeproblemer, produktionsprocesser, ydre miljøpåvirkninger og upassende kemiske behandlinger osv. Hvis vi ser på det fra et detaljeret perspektiv i forhold til produktionsprocessen, men hvordan fugt, varmebehandling, samling og lagringsforhold samspiller. Fejl som afskælling, hvidt skæl (measling) og revnede strukturer (crazing) kompromitterer overfladelaget af en PCB og den indre struktur, hvilket svækker pålideligheden og undertiden sikkerheden.

Hvad er PCB-afskælling?

PCB (Printed Circuit Board) delaminering henviser til fænomenet med delaminering eller adskillelse mellem forskellige lag i kredsløbspladen under produktionsprocessen. PCB-delaminering opstår, når lagene i pladen – kombinationer af kobber, harpiks og substrat – begynder at skilles ad på grund af forskellige mekaniske, termiske eller kemiske udløsende faktorer. Delaminering kan vise sig som bobler eller sprækker, misfarvning og bobling, blærer eller endda forvrængning af PCB-overfladelaget. Når lagdeling opstår, kan det, hvis det ikke kontrolleres, føre til øget fugtighed i PCB'en og dermed fremskynde yderligere skader, hvilket resulterer i tab af PCB'ens funktionalitet.

Ud fra nogle almindeligt anvendte materialer bruges pladematerialer som FR-4-materiale eller polyimid som basis for printplader. Disse laminater, limstoffer og kobberfolier er teknisk avancerede, men forbliver sårbare. Når de udsættes for overdreven fugtighed eller termiske cyklusser, kan selv topkvalitet laminatmateriale resultere i adskillelse, hvis det ikke fremstilles og håndteres korrekt.

Hvorfor delaminering er et kritisk problem

Hvorfor tiltrækker delaminering så meget opmærksomhed i verden af printkredsløb? Ganske enkelt: Hvis delaminering sker, kan hele printkredsløbet fejl. Printkredsløb fungerer som den grundlæggende komponent for signal- og kredsløbsoverførsel i hele styrepladen.

Hvorfor delaminering er så farligt:

• Elektriske fejl: Den mest direkte konsekvens er afbrudte ledningsbaner; strøm eller data går tabt, og der opstår tilfældige fejl.
• Termiske varmepunkter: Fordi luftmellemrum, forårsaget af delaminering, har dårlig varmeledning, opstår lokale 'varmepunkter', der til sidst fremskynder yderligere fejl.
• Strukturel svaghed: Set fra en strukturel vinkel, når basis-PCB-materialer delaminerer, mister de deres mekaniske styrke og er sårbare over for revner, især under samling eller reparation.
• Langsigtet skade: Fugt i PCB-substratet fortsætter med at angribe indefra, hvilket fører til korrosion, møgpletter og yderligere bobler. Dette er en faktor forårsaget af det ydre miljø.
• Skjulte risici: Selvom delaminering måske ikke stopper en enhed fra at fungere i starten, forkorter det PCB's levetid – hvilket får produkter til at svigte lang før deres beregnede levetid udløber, og PCB'et har mistet sin mest grundlæggende ydeevne.

Årsager til PCB-delaminering: De vigtigste faktorer

Hvis du vil løse problemet med lagdeling, skal du begynde med årsagerne.

At forstå årsagerne til PCB-delaminering og hvorfor delaminering opstår, er det første skridt mod forebyggelse.

1. Fugtoptagelse og luftfugtighed

PCB-basematerialer er hygroskopiske—fænomenet vedrørende fugtabsorption er typisk tæt forbundet med faktorer såsom den kemiske struktur og porøsiteten af de anvendte materialer samt omgivende luftfugtighed. Almindelige PCB-underlag, såsom FR-4 (epoxyharpglasvævs kompositmateriale), har visse porer og kan optage fugt fra luften. Det betyder, at de absorberer fugt fra omgivelserne, især hvis kredsløbskortet forbliver uekspanderet i et miljø med høj luftfugtighed. Overskydende fugt i PCB'et kan blive fanget i basematerialet og udsat for fugt under produktion, lagring eller transport. Senere, når det udsættes for høje temperaturer under lodningsprocesser, omdannes denne fugt til damp.

• Når fugt, der er fanget i printpladen, opvarmes over kogepunktet for vand, opstår der et kraftigt internt tryk. Hvis laminatet ikke kan aflede eller absorbere dette tryk, begynder lagene at skilles ad, hvilket fører til et fald i den elektriske ydelse, uregelmæssig termisk udvidelse, nedsat mekanisk styrke og endda problemer som elektriske kortslutninger, og til sidst opstår der delaminering.
• Opbevaringsbetingelserne for laminatmaterialer er kritiske. Når luftfugtigheden stiger, fremskyndes også optagelsen af fugt. Hvis overfladen af substratet optager fugt, øges fugtoptagningshastigheden med stigende luftfugtighed. Derfor er det en af de primære årsager, hvis printplader ikke vakuumsiegles eller forgases før samling.
• Fugt i printpladens substrat kan også forårsage measling (se nedenfor).

2. Termisk spænding og termisk behandling

Når printkortet går ind i SMT-assembly og bearbejdningstrinnet, udsættes hver enkelt plade for gentagne gange varmebelastning under samlingen. Termisk behandling (reflow-lodning, bølgelodning, reparation) opvarmer pladen over 200°C. Efter at have været udsat for høje temperaturer kan der opstå lagdeling, hvis laminatet er gammelt, har forkert harpikstype eller ikke er blevet udbaget.

• Dårlig termisk profil eller overskridelse af harpiksens angivne Tg (glasovergangstemperatur, f.eks. anvendelse af FR-4 materiale med forkert type Tg) er almindelige udløsende faktorer. Derfor bør produktets endelige anvendelseskrav også vurderes ved valg af materialer, og en passende Tg-kvalitet bør vælges.
• Når de udsættes for termisk cyklus, 'arbejder' udvidelsen og sammentrækningen af lagene sig løs, især i HDI-kort eller kort med tykke kobberledere.

3. Produktion og materialeproblemer

• Dårlige produktionsprocesser : Enhver partikler, olier eller upassende laminering under pladepressing kan altid forårsage delaminering. I dagens fuldt automatiserede produktionslinjers værksteder er denne faktor blevet kraftigt reduceret.
• Forkert type Tg : FR-4 eller polyimid skal matche den faktiske termiske proces i din montage.
• Gamle, ikke-specifikationsmæssige pladematerialer eller udløbet harpiks kan medføre delaminering . Det anbefales at bruge materialer fra almindeligt anvendte internationale mærker.
• Materiale med forkert type Tg : Hvis reflow konsekvent bliver varmere end dit substrat er godkendt til, er det kun et spørgsmål om tid, før der dannes blærer pga. delaminering. Som nævnt ovenfor kan valg af passende substrat for Tg reducere sandsynligheden for dette problem.

4. Mekaniske og kemiske udløsende faktorer

• Bøjning af pladen, dårlig håndtering eller stød vil forårsage delaminering, især når bindingerne allerede er svækket af fugt eller varme.
• Rengøringsmidler, flux og lodmaskeaflejringer, hvis de ikke rengøres korrekt, kan forringe grænsefladen mellem overfladelaget og underlaget, hvilket skaber betingelser for afbladning.

Mekaniske og kemiske udløsende faktorer ses ofte under senere genbehandling og samling i produktionen og skyldes eksterne faktorer.

Oversigtstabel: Årsager til afbladning af PCB

Measling og PCB-sprækkedannelse: Relaterede former for delaminering

Delaminering, measling og sprækkedannelse forveksles ofte, men repræsenterer forskellige defekter i verden af printkredsløbsplader – hver med deres egen række af risici og årsager. Disse kvalitetsproblemer påvirker ikke kun udseendet af PCB'et, men kan også alvorligt påvirke dets elektriske ydeevne og pålidelighed.

Measling og PCB-defekter

Measling er dannelsen af meget små delaminerende hvide pletter, typisk ved skæringspunkterne mellem glasfibertråde i PCB-materialets bund. De vises som fine hvide prikker under lodmasken eller laminatet og kan nogle gange forveksles med delaminering i et tidligt stadium. Measling og PCB-delaminering er beslægtede fænomener, da begge skyldes nedbrydning af laminatmaterialer, ofte udløst af for stor fugtighed i PCB'et eller dårlige produktionsprocesser.

• Meandring skyldes typisk oxidation eller korrosion af metalaget på PCB-overfladen (såsom kobberlaget), fugt, eller kan skyldes uegnede belægninger eller overfladebehandlinger, især når boards udsættes for hurtige temperaturændringer eller termiske chok under lodning.
• Når fugt er fanget i PCB-basematerialerne, eller når materialer gennemgår ukorrekt hærdning, opstår små hvide pletter. Med tiden kan disse pletter vokse og føre til mere alvorlig lagdeløsning, hvis de ikke behandles.

Crazing

Crazing er kendetegnet ved et netlignende mønster af mikrorevner, der løber gennem baselaminatet på printpladen. Det opstår typisk som følge af materialetræthed, upassende kontrol af tekst og grafik under lodningsprocessen samt upassende mekaniske operationer såsom dårlig bore- og skæreudførelse. I modsætning til measling, som er lokaliseret, dækker crazing ofte større områder og skaber et netlignende eller maskeagtigt udseende under lodningsmasken. Selvom crazing ikke altid medfører delaminering, er det en synlig indikator for spændinger og kan svække pladens strukturelle integritet.

Når relaterede former for delaminering er et problem

• Measling og crazing kan føre til delaminering, hvis pladen udsættes for yderligere termisk eller mekanisk belastning, eller hvis fanget fugt udvider sig under montage eller produktets brug.
• Plader, der viser dannelse af meget små hvide delamineringspletter, skal isoleres til yderligere inspektion og test. Udfør regelmæssigt fejlkontrol af materialer eller grundlæggende tests før brug.
• Ved at anvende videnskabelige design-, produktions- og testprocesser kan forekomsten af disse problemer markant reduceres, og pålideligheden samt langtidsholdbarheden af PCB'er kan forbedres.

Hurtig sammenligningstabel: Measling vs. Crazing vs. Delaminering

Effekter og konsekvenser af PCB-laminatdelaminering

PCB, som et højpræcist elektronikmateriale. Hvis delaminering opstår, er konsekvenserne langtrækkende og påvirker enhedens elektriske, termiske og mekaniske egenskaber. Den mest direkte konsekvens er et fald i pladens mekaniske og elektriske egenskaber, og endda funktionsfejl.

Elektriske ydelsesproblemer

Kortslutninger og åbne kredsløb er de mest almindelige og også de rutinemæssige diagnostiske symptomer, der bedst afspejler delamineringsfænomenet.

• Ledningsafbrydelse: Hvor ledere eller baner adskiller sig fra grundmaterialet , bliver kredsløb åbne, hvilket fører til fejl i enheden eller intermitterende fejl.
• Kortslutninger og CAF: Afløftning kan føre til nye veje for ledende anodisk filamentdannelse (CAF), der forbinder loddeøjne eller kobberbaner.

Termiske og strukturelle konsekvenser

Ofte forværres afløftning under svejsningsprocessen, når den udsættes for varme. Eller revner og deformationer forårsages af ydre kræfter.

• Termisk isolation: Blister og sprækker nedsætter varmeledningen, hvilket medfører overophedning og hurtig lokal nedbrydning af komponenter nær de afløftede områder.
• Mekanisk svaghed: Pladen mister sin evne til at bøje eller modstå stødkræfter, hvilket fører til revner og yderligere omfattende afløftning.

Fugt og korrosion

Indflydelsen fra substrater såsom FR-4 og CM-1, der optager fugt fra luften i et miljø med høj luftfugtighed.

• Fanged fugt i printpladen forårsager ikke kun udvidelse ved opvarmning, men kan også fremskynde korrosion, især ved udsatte kobber via-huller eller baner i delamineringsområdet.
• Gentagne eksponeringer for høj luftfugtighed og dårlige lagervilkår for laminatmaterialer medfører fortsat nedbrydning, hvilket dermed fører til.

Indvirkning på produktets levetid og pålidelighed

For en storstilet producent af printplader har optimering af det ydre miljø og håndtering af driftsprocedurer undgået problemet med delaminering, men hvis det once opstår, vil det have en kæmpe indvirkning på printpladens egen levetid og pålideligheden af de endelige produkter.

• Delaminering og dets varianter (measling, crazing) nedsætter den effektive levetid for printpladen, og betyder, at selv enheder, der består de første funktionsprøver, kan begynde at svigte måneder eller år senere. Det forkorter produktets brugslevetid betydeligt.
• Disse skjulte fejl kan medføre kostbare tilbagekaldelser og skade på brandets omdømme, da enheder uventet går i stykker under brug.

Hvordan man kan se, om en printplade er beskadiget (symptomer og typer af delaminering)

Den bedste måde at løse problemer på er at forhindre dem. At kende symptomerne på printpladedelaminering er afgørende for tidlig opdagelse og håndtering; vi kan identificere problemet gennem følgende tegn.

Visuelle signaler

• Misfarvede områder under lodmasken peger ofte på fugtopbygning eller begyndende delaminering.
• Blærer eller bobler langs overfladelaget eller ved interne lagingspunkter er direkte indikatorer.
• Delamineringsblære: Et svulmet eller svampet område, der stikker op fra printpladens overflade.
• Små delaminede hvide pletter: Tyder på measling, især efter termiske cyklusser.

Elektriske og funktionelle tegn

• Pludselige eller periodiske fejl, især efter at kortet har været udsat for høje temperaturcyklusser.
• Kredsløb fejler efter reflow- eller bølgesoldervæske er uventet forbundet.
• Ulige resistensmålinger eller tab af kontinuitet over kobberbaner.

Mekaniske signaler

• Kort viser unormal bukning, bøjning eller en følelse af 'svampethed', når de håndteres nær delaminerede områder.

Hvorfor og hvordan delaminering opstår under solderværk og termisk behandling

Hvert print skal gennemgå en proces med høj temperatur, men delaminering er særligt sandsynlig under trin med høj temperatur, og flere årsager til delaminering på print skaber sammenhæng mellem design, materiale og proces. Derfor kan det opsummeres, hvilke led i produktionen og designet af dette print, der skal optimeres.

Soldering og Reflow som udløsende faktorer

• Termisk proces som reflow og bølgesoldring udsætter plader for temperaturer over kogepunktet for vand (100°C) og nogle gange over 250°C. Denne temperatur er en udfordrende minimumsværdi for pcbs varmebestandighed.
• Fugt fanget i pcb-basen fordampes, hvilket skaber indre tryk. Denne situation opstår, når der er restfugt i det indre lag af PCB'et.
• Hvis trykket overstiger limets holdfasthed, vil der forekomme lagdelaminering – især i de svageste områder såsom via-indgange eller kanten af kobberplader.

Almindelige udløsende faktorer for delaminering under samling:

• Utilstrækkelig eller forkert Tg i laminatmaterialer (f.eks. anvendelse af FR-4 materiale med forkert type Tg til blyfri soldring). I kravene til pcb-processens produktion er det særlig vigtigt at vælge den passende specifikation og model af grundmateriale.
• Plader, der ikke er forudbagede eller vakuumforseglede, og som er udsat for fugt før lodning. I dagens produktionsprocesser udgør denne faktor næppe en medvirkende årsag. Men for åbnede emballagematerialer bør de dog forbruges så hurtigt som muligt for at undgå materialebeskadigelse.
• PCB-basematerialer af dårlig kvalitet, der har absorberet fugt eller er nedbrudt.

Hvorfor omfattende delaminering kan opstå

• Hvis delaminering starter ved ét lodningspunkt, kan den brede sig udad og føre til omfattende delaminering, der påvirker flere lag af basematerialet.

Typer af tests til måling af PCB-delaminering

I PCB-industrien anvendes omfattende typer af tests til måling af delaminering, hvilket gør det muligt at opdage fejl proaktivt og sikre kvaliteten.

Nøgler til testmetoder

Metoder til at forhindre lagdelning og løsninger

Beskyttelse mod lagdelning er mangefacetteret og afhænger af design, lagring, proces og endda leverandørrelationer.

Design og materialevalg

• Når den endelige ydeevne og anvendelse af materialet er forstået, vælges FR-4-materiale eller alternative PCB-materialer med passende Tg og fugtbestandighed.
• Hvis produktet anvendes i miljøer med høj luftfugtighed, anvend under PCBA-produktion forstærkede harpikser eller påfør beskyttende konformbelægninger.

Produktions- og proceskontrol

• Hold streng kontrol med fugtindholdet i lager- og fremstillingsområder, og overhold strengt driftsregler og procedurer.
• Forvarm alle plader for at fjerne fugt før lodning, især før højtemperatur- eller flere-passes samling.
• Revider leverandører for sporbarhed af råmaterialer og kræv materiale med korrekt type Tg.

Bedste praksis ved samling

• Anvend korrekte profiler, så overfladen af en PCB og kobber aldrig overskrider fabrikantens anbefalede grænser.
• Lad køle mellem termiske cyklusser for at minimere udmattelse pga. udvidelse/kontraktion.

Sikker håndtering

• Uddannelse af personale i forsigtig håndtering – brug handsker for at undgå mikrorevner.
• Undersøg regelmæssigt efter mosing, bobler og mindre delamineringsområder. Når der opdages anormalt materiale, skal det straks klassificeres som ubrugeligt materiale og opbevares adskilt.

Miljøkontrol

• Brug klimastyrrede lagre til lagring af laminatmaterialer.
• Overvåg med fugt- og temperatursensorer for at undgå optagelse af fugt.

Trin til reparation af PCB-delaminering

Hvis delaminering er sket, kan funktionen af nogle materialer stadig gendannes gennem professionel reparation:

• Diagnosticer ved hjælp af visuel inspektion eller SAM.
• Stop yderligere håndtering (for at forhindre udbredelse af bobler eller sprækker).
• Rengør området forsigtigt – undgå aggressive rengøringsmidler, der opløser limstoffer.
• Bor et lille aflastningshul, hvis det er nødvendigt, for at injicere epoxy i det delaminede område.
• Indsprøjt højkvalitets epoxy og anvend komprimerende tryk.
• Hærd under kontrolleret temperatur for at genoprette klæbehæftningen.
• Test igen ved hjælp af elektrisk kontinuitet og spændingstests.

Ofte stillede spørgsmål

Q: Hvad er den primære årsag til delaminering i moderne flerlags PCB'er?

A: De vigtigste faktorer, der kan føre til delaminering i dag, er ukontrolleret fugt i PCB-substratet og opbevaring, brug af laminatmaterialer med en forkert eller utilstrækkelig Tg for samleprocessen samt dårlige fremstillings- eller lamineringsspraksis.

Q: Hvordan kan jeg forhindre delaminering, hvis PCB'erne skal gennemgå flere lodnings- eller reparationscykler?

A: Brug materiale med høj Tg, overvåg fugt nøje, pak i vakuum mellem processer og bage pladerne, inden de udsættes for høje temperaturer igen.

Q: Indikerer hver misfarvede zone eller boble kritisk delaminering?

A: Ikke alle visuelle anomalier kræver bortskaffelse. Små, delaminerede hvide pletter (mæsling) medfører ikke altid delaminering, men overvåg altid for sprening. Misfarvning er ofte et tegn på fanget fugt – løs de underliggende årsager, inden samlingen fortsætter.

Q: Hvad er forskellen på mæsling, revner og delaminering?

A: Mæsling er dannelsen af små hvide pletter, revner viser sig som et netværk af fine sprækker, og delaminering opstår, når der sker en egentlig fysisk adskillelse eller blærer i printpladenes laminat eller mellem kobber og substrat.

Q: Kan ukorrekte rengøringsmidler forårsage delaminering?

A: Ja – især aggressive opløsningsmidler kan nedbryde klæbrigheden i printpladens overfladelag eller mellem lagene, hvilket til sidst kan føre til delaminering.

Q: Hvorfor delaminerer visse områder af pladen mere end andre?

A: Afløsning starter ofte ved termiske eller mekaniske spændingspunkter – kanter, via-klynger eller omkring loddeøjne – især hvor lederdensiteten er høj, eller hvor lagene har lavere klæbehæftning.

Q: Hvilke typer tests bør indgå i vores indgående og udgående kvalitetskontrol for PCB'er?

A: Brug mikrosektionsanalyse, TMA, IST, SAM og loddflydetest til at måle både potentiel og eksisterende afløsning i alle kritiske partier. Dokumenter altid fejltyper, og følg tendenserne over tid.

Konklusion og gennemgang af bedste praksis

PCB er et elektronisk materiale, der er bearbejdet med høj præcision. Det stiller meget høje krav og standarder til materialevalg og opbevaring, proceskontrol samt vakuumemballering og opbevaring af færdige produkter. Afløftning er en kompleks fejlmekanisme, der skyldes fugt, materialevalg, dårlige produktionsprocesser og ukorrekt varmebehandling. Katastrofer såsom omfattende afløftning, pludselige feltfejl og tilbagekaldelsesaktioner stammer alle fra disse primære årsager til PCB-afløftning; efter at problemet er identificeret, skal man vælge en passende løsning og minimere tabene så meget som muligt.

Din tjekliste for forebyggelse af afløftning:

• Brug altid de rigtige pladematerialer, som har den korrekte, certificerede Tg-værdi for dine specifikke proces-temperaturer.

• Hold en stram kontrol med, hvordan og hvor du opbevarer laminatmaterialer, og sørg for, at alle PCB'er —der ankommer eller afsendes—håndteres i overensstemmelse med strenge klimaregler.

• Indstil fugtovervågning, og spring ikke forudvarmeskridtet over, især ikke for plader, der måske har optaget fugt.

• Vælg leverandører, der har solide certificeringer for deres processer og materialer, og tjek regelmæssigt hos dem.

• Uddann alle personer, der håndterer eller samler plader, i hvad delaminering er og hvordan man forhindrer det —det betyder at lære dem at genkende og rapportere alt, der ser eller opfører sig usædvanligt.

• Udfør stærke og pålidelige tests for at kontrollere delaminering som en del af dine normale proceskontroller og endelige kvalitetskontrol.