Delaminazione della PCB: Cause, Prevenzione e Soluzioni

Introduzione

La scheda a circuito stampato (PCB) è al centro di ogni dispositivo elettronico, alimentando silenziosamente i nostri telefoni, veicoli, apparecchiature mediche e satelliti. Mentre i processi, le capacità e le tecnologie di produzione e manifattura della Cina per le schede a circuito stampato continuano a migliorare, anche le schede di qualità più elevata non sono immuni a uno dei guasti più persistenti e costosi nell'elettronica: la delaminazione della PCB. Quando gli strati della scheda iniziano a separarsi, spesso seguono immediatamente malfunzionamenti elettrici e richiami di prodotto.

Comprensione del delaminazione dei PCB e come prevenirla. Innanzitutto, è necessario comprendere che le cause della delaminazione possono essere approssimativamente suddivise in quattro categorie: problemi dei materiali, difetti del processo produttivo, influenze ambientali esterne e trattamenti chimici inadeguati, ecc. Se analizziamo il processo produttivo in modo più dettagliato, ma anche come umidità, trattamento termico, assemblaggio e condizioni di stoccaggio interagiscono. Difetti come delaminazione, formazione di macchie bianche (measling) e craquelure compromettono lo strato superficiale di un PCB e la struttura interna, riducendone l'affidabilità e talvolta la sicurezza.

Cos'è la delaminazione dei PCB?

La delaminazione della PCB (Printed Circuit Board) si riferisce al fenomeno di separazione tra i diversi strati della scheda circuitale durante il processo produttivo. La delaminazione della PCB si verifica quando gli strati della scheda—combinazioni di rame, resina e substrato—iniziano a separarsi a causa di diversi fattori meccanici, termici o chimici. La delaminazione può manifestarsi come bolle o crepe, cambiamenti di colore e formazione di bolle, vesciche o addirittura deformazioni dello strato superficiale della PCB. Quando si verifica la stratificazione, se non viene controllata, la delaminazione può portare a un aumento dell'umidità all'interno della PCB, accelerando ulteriori danni, il che conduce alla perdita della funzionalità della PCB.

A giudizio di alcuni materiali comunemente utilizzati, materiali per schede come FR-4 o poliimide sono impiegati come materiali di base per pcb. Questi laminati, adesivi e fogli di rame sono altamente tecnologici ma rimangono vulnerabili. Se esposti a umidità eccessiva o sottoposti a cicli termici, anche i laminati di prima qualità possono causare separazione se non adeguatamente prodotti e maneggiati.

Perché la delaminazione dei PCB è un problema critico

Perché la delaminazione riceve tanta attenzione nel mondo dei PCB? Semplicemente perché: se si verifica una delaminazione, l'intero PCB potrebbe guastarsi. Il PCB rappresenta il componente fondamentale per la trasmissione di segnali e circuiti nell'intera scheda di controllo.

Perché la delaminazione è così pericolosa:

• Guasti elettrici: Il più diretto è l'interruzione dei percorsi conduttivi; si perde alimentazione o dati, con conseguenti malfunzionamenti casuali.
• Punti caldi termici: Poiché gli spazi d'aria causati dalla delaminazione presentano un basso trasferimento di calore, si creano 'punti caldi' locali che alla fine accelerano ulteriori guasti.
• Debolezza strutturale: Dal punto di vista strutturale, quando i materiali della PCB di base si delaminano, perdono resistenza meccanica e sono soggetti a crepe, specialmente durante l'assemblaggio o la riparazione.
• Danni a lungo termine: L'umidità nel substrato della PCB continua ad attaccare dall'interno, provocando corrosione, formazione di macchie (measling) e ulteriore rigonfiamento. Questo è un fattore causato dall'ambiente esterno.
• Rischi nascosti: Anche se la delaminazione inizialmente potrebbe non bloccare il funzionamento di un dispositivo, riduce la durata della PCB, causando il malfunzionamento dei prodotti molto prima della loro vita utile prevista, e la PCB ha perso la sua prestazione fondamentale.

Cause della delaminazione della PCB: i fattori principali

Se vuoi risolvere il problema della stratificazione, devi partire dalle cause.

Comprendere le cause della delaminazione della PCB e perché si verifica è il primo passo per prevenirla.

1. Assorbimento di Umidità e Umidità

I materiali di base per PCB sono igroscopici—Il fenomeno dell'assorbimento di umidità è solitamente strettamente correlato a fattori come la struttura chimica e la porosità dei materiali utilizzati, nonché all'umidità ambientale. I substrati comuni per PCB, come l'FR-4 (materiale composito in tessuto di vetro e resina epossidica), presentano alcune porosità e possono assorbire umidità dall'aria. Ciò significa che assorbono umidità dall'ambiente, specialmente se la scheda viene lasciata senza protezione in condizioni di alta umidità. Un'eccessiva umidità nel PCB può rimanere intrappolata nel supporto del circuito e venire esposta all'umidità durante la produzione, lo stoccaggio o il trasporto. Successivamente, l'esposizione ad alte temperature durante i cicli di saldatura trasforma tale umidità in vapore.

• Quando l'umidità intrappolata nel PCB viene riscaldata oltre il punto di ebollizione dell'acqua, genera una pressione interna elevata. Se il laminato non riesce a smaltire o assorbire questa pressione, gli strati iniziano a separarsi, causando un calo delle prestazioni elettriche, un'espansione termica irregolare, una riduzione della resistenza meccanica e persino problemi come cortocircuiti elettrici, fino al delaminamento finale.
• Le condizioni di stoccaggio dei materiali laminati sono fondamentali. Quando l'umidità nell'aria aumenta, si accelera anche l'adsorbimento di umidità. Se la superficie del substrato assorbe umidità, la velocità di assorbimento aumenta con l'aumentare dell'umidità. Pertanto, non sigillare sottovuoto o preriscaldare i PCB prima del montaggio è una delle cause principali.
• L'umidità nel substrato del PCB può causare anche il fenomeno del measling (vedi sotto).

2. Stress Termico e Processi Termici

Quando la PCB entra nella fase di assemblaggio e lavorazione SMT, ogni scheda subisce ripetuti stress termici durante l'assemblaggio. I processi termici (saldatura in forno, saldatura ad onda, riparazione) riscaldano la scheda oltre i 200°C. Dopo essere stata esposta ad alte temperature, se il laminato è vecchio, ha un tipo di resina errato o non è stato preriscaldato, potrebbe verificarsi una delaminazione.

• Un profilo termico inadeguato o il superamento della Tg specificata per la resina (temperatura di transizione vetrosa, ad esempio utilizzando materiale FR-4 con un tipo di Tg non corretto) sono cause comuni. Pertanto, nella selezione dei materiali, è necessario valutare anche i requisiti applicativi finali del prodotto e scegliere un grado di Tg appropriato.
• Sottoposti a cicli termici, l'espansione e la contrazione degli strati tendono a allentare i collegamenti, specialmente nelle schede HDI o in quelle con conduttori in rame spesso.

3. Problemi di produzione e materiale

• Processi produttivi scadenti : Qualsiasi particella, olio o laminazione impropria durante la pressatura della scheda può sempre causare delaminazione. Nei moderni impianti di produzione completamente automatizzati, questo fattore è stato notevolmente ridotto.
• Tipo errato di Tg : FR-4 o poliimide devono corrispondere alla reale lavorazione termica del vostro assemblaggio.
• Materiali vecchi, fuori specifica o resina scaduta possono causare delaminazione . Si consiglia di utilizzare materiali di marchi internazionali comunemente impiegati.
• Materiale con tipo errato di Tg : Se la saldatura in riflusso raggiunge temperature superiori a quelle consentite dal vostro substrato, la formazione di bolle da delaminazione è solo questione di tempo. Come menzionato in precedenza, scegliere il substrato appropriato in base al Tg può ridurre la probabilità di questo problema.

4. Fattori meccanici e chimici

• Curvare la scheda, una manipolazione scorretta o urti possono causare delaminazione, specialmente quando i legami sono già indeboliti dall'umidità o dal calore.
• Agenti di pulizia, flussanti e residui di maschera saldante, se non rimossi correttamente, possono degradare l'interfaccia tra lo strato superficiale e il substrato, creando le condizioni per la delaminazione.

Stimoli meccanici e chimici sono comunemente riscontrati nelle successive fasi di riprocessazione e produzione di assemblaggio, causati da fattori esterni.

Tabella riassuntiva: cause della delaminazione dei PCB

Measling e craquelure della PCB: Forme correlate di delaminazione

La delaminazione, il measling e la craquelure sono spesso confusi ma rappresentano difetti distinti nel campo delle schede a circuito stampato—ciascuno con un proprio insieme di rischi e cause. Questi diversi problemi di qualità non solo influiscono sull'aspetto della PCB, ma possono anche compromettere gravemente le sue prestazioni elettriche e l'affidabilità.

Measling e difetti della PCB

Il measling consiste nella formazione di piccolissimi punti bianchi delaminati, tipicamente alle intersezioni delle fibre di vetro nel materiale di base della PCB. Questi appaiono come minuscoli puntini bianchi sotto la maschera saldante o il laminato e a volte vengono scambiati per una fase iniziale di delaminazione. Il measling e la delaminazione della PCB sono in relazione tra loro, poiché entrambi derivano da rotture nei materiali laminati, spesso causate da umidità eccessiva nella PCB o da processi produttivi non adeguati.

• Le macchie sono generalmente causate dall'ossidazione o dalla corrosione dello strato metallico sulla superficie del PCB (ad esempio lo strato di rame), dall'umidità o possono essere dovute a un rivestimento o trattamento superficiale inadeguato, specialmente quando le schede sono esposte a rapide variazioni termiche o soggette a shock termici durante la saldatura.
• Quando l'umidità è intrappolata nei materiali di base del PCB o quando i materiali subiscono una polimerizzazione inadeguata, compaiono piccole macchie bianche. Col tempo, queste macchie possono aumentare di dimensioni, portando a un delaminamento più grave se non vengono affrontate.

Crazing

La craquelure si caratterizza per un pattern a rete di microfessure che si sviluppano nel laminato di base del PCB; è comunemente causata da fatica del materiale, controllo inadeguato dei test e della grafica durante il processo di saldatura e operazioni meccaniche improprie, come foratura o taglio difettosi. A differenza della formazione di macchie bianche (measling), localizzata, la craquelure spesso interessa aree più ampie, creando un aspetto reticolare al di sotto della maschera di saldatura. Sebbene la craquelure non provochi sempre delaminazione, rappresenta un indicatore visibile di stress e può indebolire l'integrità strutturale del circuito.

Quando sono presenti forme correlate di delaminazione

• La formazione di macchie bianche (measling) e la craquelure possono portare alla delaminazione se il circuito viene ulteriormente sollecitato da cicli termici o meccanici, oppure se l'umidità intrappolata si espande durante l'assemblaggio o l'utilizzo del prodotto.
• I circuiti che mostrano la formazione di piccolissime macchie bianche delaminate devono essere posti in quarantena per ulteriori ispezioni e test. Eseguire regolarmente controlli sui materiali o test di base prima dell'uso.
• Adottando processi scientifici di progettazione, produzione e collaudo, la frequenza di questi problemi può essere significativamente ridotta, migliorando l'affidabilità e la stabilità a lungo termine dei PCB.

Tabella Comparativa Rapida: Measling vs. Crazing vs. Delaminazione

Effetti e conseguenze della delaminazione nei PCB

Il PCB, essendo un materiale elettronico ad alta precisione, se soggetto a delaminazione, provoca effetti estesi che influiscono sugli aspetti elettrici, termici e meccanici di un dispositivo. La conseguenza più diretta è il deterioramento delle proprietà meccaniche ed elettriche del laminato, fino al malfunzionamento completo.

Problemi di prestazioni elettriche

I cortocircuiti e i circuiti aperti sono i più comuni e rappresentano le manifestazioni diagnostiche routinarie che meglio evidenziano il fenomeno della delaminazione.

• Interruzione del conduttore: Dove i conduttori o le piste si separano dal materiale di base , i circuiti si aprono, causando malfunzionamenti del dispositivo o guasti intermittenti.
• Cortocircuiti e CAF: La delaminazione può creare nuovi percorsi per la filamentazione anodica conduttiva (CAF), collegando punti di saldatura o tracce di rame.

Implicazioni Termiche e Strutturali

Spesso durante il processo di saldatura, la delaminazione peggiora quando esposta al calore. Oppure si verificano crepe e deformazioni causate da forze esterne.

• Isolamento Termico: Le bolle e i vuoti riducono il flusso di calore, provocando surriscaldamento e rapido degrado localizzato dei componenti vicini alle zone delaminate.
• Debolezza Meccanica: La scheda perde la capacità di flettersi o resistere a carichi d'urto, portando a crepe e ulteriore delaminazione su larga scala.

Umidità e Corrosione

L'influenza di substrati come FR-4 e CM-1 nell'assorbire umidità dall'aria in ambienti ad alta umidità.

• L'umidità intrappolata nel circuito stampato non solo provoca espansione quando riscaldata, ma può anche accelerare la corrosione, in particolare nei fori passanti di rame esposti o nelle piste nella zona delaminata.
• L'esposizione ripetuta ad alta umidità e a condizioni di stoccaggio inadeguate dei materiali laminati permette un degrado continuo, con conseguente deterioramento.

Impatto sulla durata e affidabilità del prodotto

Per un produttore di circuiti stampati su larga scala, anche se l'ottimizzazione dell'ambiente esterno e la gestione delle norme operative hanno evitato il problema della delaminazione, una volta che si verifica, ha un impatto notevole sulla vita utile del circuito stampato stesso e sull'affidabilità dei prodotti finali.

• La delaminazione e le sue varianti (measling, crazing) riducono la vita utile effettiva del circuito stampato e fanno sì che anche dispositivi che superano i test funzionali iniziali possano cominciare a guastarsi dopo mesi o anni; ciò riduce significativamente la vita operativa del prodotto.
• Questi guasti nascosti possono causare costosi richiami e danni alla reputazione del marchio, poiché i dispositivi si guastano in modo imprevisto durante l'uso.

Come capire se una PCB è danneggiata (sintomi e tipi di delaminazione)

Il modo migliore per risolvere i problemi è prevenirli. Conoscere i sintomi della delaminazione della PCB è fondamentale per individuare precocemente il problema e mitigarlo; possiamo identificare il problema attraverso i seguenti indizi.

Indizi visivi

• Un'area scolorita sotto la maschera saldante spesso indica un accumulo di umidità o una delaminazione iniziale.
• Vesciche o bolle lungo lo strato superficiale o nei punti di sovrapposizione interna sono indicatori diretti.
• Vescica da delaminazione: Una zona gonfia o spugnosa che appare sollevata rispetto alla superficie della PCB.
• Piccole macchie bianche delaminate: Indicative di measling, specialmente dopo cicli termici.

Indizi elettrici e funzionali

• Guasti improvvisi o intermittenti, specialmente dopo che la scheda è stata sottoposta a cicli di alta temperatura.
• I circuiti si guastano dopo la saldatura per rifusione o per saldatura a onda, con ponteggiamenti inaspettati tra i pad.
• Lettura anomala della resistenza o perdita di continuità lungo le piste di rame.

Indicatori Meccanici

• Le schede mostrano deformazioni strane, flessioni o una sensazione di "morbidezza" quando vengono maneggiate nelle zone delaminate.

Perché e come si verifica la delaminazione durante la saldatura e le lavorazioni termiche

Ogni PCB deve essere sottoposto a un processo di assemblaggio ad alta temperatura, ma la delaminazione è particolarmente probabile durante le fasi di assemblaggio ad alta temperatura, e diverse cause di delaminazione dei PCB collegano aspetti di progettazione, materiali e processo. Pertanto, è possibile identificare quali elementi nella produzione e nel design di questo PCB devono essere ottimizzati.

La saldatura e la rifusione come fattori scatenanti

• I processi termici come il reflow e la saldatura ad onda espongono le schede a temperature superiori al punto di ebollizione dell'acqua (100°C) e talvolta oltre i 250°C. Questa temperatura rappresenta un valore minimo impegnativo per la resistenza al calore del circuito stampato.
• L'umidità intrappolata nella base del circuito stampato evapora, creando una pressione interna; questa situazione si verifica quando è presente umidità residua negli strati interni del PCB.
• Se la pressione supera la capacità adesiva del materiale, si verifica la delaminazione, in particolare nelle zone più deboli come l'ingresso dei via o ai bordi delle piazzole di rame.

Cause comuni della delaminazione durante l'assemblaggio:

• Tg inadeguato o errato nei materiali laminati (ad esempio, utilizzo di materiale FR-4 con un tipo di Tg non adatto alla saldatura senza piombo). Nei requisiti di produzione dei circuiti stampati, è particolarmente importante selezionare la specifica e il modello appropriati del materiale di base.
• Pannelli non preriscaldati o sigillati sottovuoto, esposti all'umidità prima della saldatura. Nei processi produttivi attuali, questo fattore difficilmente costituisce un incentivo. Tuttavia, per i materiali con imballaggio aperto, è consigliabile consumarli il più rapidamente possibile per evitare perdite di materiale.
• Materiali di base a bassa qualità per pcb che hanno assorbito umidità o degradato.

Perché può verificarsi un'ampia delaminazione

• Se la delaminazione inizia in un punto di saldatura, può propagarsi verso l'esterno, causando una delaminazione su larga scala che interessa più strati del materiale di base.

Tipi di test per misurare la delaminazione dei PCB

Nell'industria dei PCB vengono utilizzati test rigorosi per misurare la delaminazione, consentendo una rilevazione proattiva e la garanzia della qualità.

Principali metodi di prova

Metodi per Prevenire la Delaminazione e Soluzioni

La protezione dalla delaminazione è articolata e si basa su progettazione, stoccaggio, lavorazione e persino sulle relazioni con i fornitori.

Scelta del design e dei materiali

• Dopo aver compreso le prestazioni finali e l'applicazione del materiale, selezionare il materiale FR-4 o materiali alternativi per PCB con Tg e resistenza all'umidità adeguati.
• Se il prodotto viene utilizzato in ambienti ad alta umidità, durante l'assemblaggio PCBA utilizzare resine potenziate o applicare rivestimenti conformi protettivi.

Controlli di produzione e lavorazione

• Mantenere un rigoroso controllo dell'umidità nelle aree di stoccaggio e lavorazione, controllando scrupolosamente le norme e i regolamenti operativi.
• Sottoporre a cottura tutte le schede per rimuovere l'umidità prima della saldatura, specialmente prima di assemblaggi ad alta temperatura o a più passaggi.
• Verificare i fornitori per la tracciabilità delle materie prime e richiedere materiali con il tipo corretto di Tg.

Migliori pratiche di assemblaggio

• Utilizzare profili corretti in modo che lo strato superficiale di un PCB e il rame non superino mai i valori massimi indicati dal produttore.
• Consentire il raffreddamento tra i cicli termici per ridurre al minimo l'affaticamento dovuto all'espansione/contrazione.

Maneggio Sicuro

• Formare il personale sul maneggiamento delicato, indossando guanti per evitare microfessurazioni.
• Ispezionare regolarmente la comparsa di macchie, bolle e piccole aree delaminate; non appena vengono rilevati materiali anomali, questi devono essere immediatamente classificati nell'area dei materiali non utilizzabili e conservati di conseguenza.

Controllo ambientale

• Utilizzare magazzini climatizzati per le condizioni di stoccaggio dei materiali laminati.
• Monitorare con sensori di umidità e temperatura per evitare l'assorbimento di umidità.

Passaggi per la Riparazione della Delaminazione PCB

Se si è verificata una delaminazione, la funzionalità di alcuni materiali può ancora essere ripristinata tramite una riparazione professionale:

• Diagnosticare mediante ispezione visiva o SAM.
• Interrompere ulteriori manipolazioni (per prevenire la propagazione di bolle o fessure).
• Pulire con attenzione l'area—evitare agenti pulenti aggressivi che possano sciogliere gli adesivi.
• Praticare un piccolo foro di sfiato se necessario, per iniettare resina epossidica nella zona delaminata.
• Iniettare un epossidico di alta qualità ed applicare una pressione compressiva.
• Polimerizzare a temperatura controllata per ripristinare l'adesione.
• Eseguire nuovamente i test di continuità elettrica e di stress meccanico.

Domande frequenti

D: Qual è la causa principale della delaminazione nei moderni PCB multistrato?

R: I principali fattori che possono causare la delaminazione oggi sono l'umidità non controllata nel substrato del PCB e durante lo stoccaggio, l'uso di materiali laminati con una Tg errata o insufficiente per il processo di assemblaggio, e pratiche produttive o di laminazione scadenti.

D: Come posso prevenire la delaminazione se i PCB devono essere sottoposti a più cicli di saldatura o riparazione?

R: Utilizzare un materiale per circuiti stampati con elevata Tg, monitorare attentamente l'umidità, sigillare sotto vuoto tra un processo e l'altro, e preriscaldare i circuiti prima di esporli nuovamente ad alte temperature.

D: Ogni area scolorita o bolla indica necessariamente una delaminazione critica?

A: Non ogni anomalia visiva richiede lo scarto. Piccole macchie bianche delaminate (measling) potrebbero non causare sempre delaminazione, ma va sempre monitorata la loro diffusione. La discolorazione spesso indica umidità intrappolata: risolvere le cause alla radice prima di proseguire con il montaggio.

D: Qual è la differenza tra measling, craquelure e delaminazione?

R: Il measling è la formazione di piccole macchie bianche, la craquelure si presenta come una rete di microfessurazioni, mentre la delaminazione avviene quando si verifica una separazione fisica effettiva o la formazione di bolle nel laminato del circuito stampato o tra rame e substrato.

D: Gli agenti di pulizia impropri possono causare delaminazione?

R: Sì—soprattutto solventi aggressivi possono degradare l'adesione tra gli strati superficiali del circuito stampato o tra i diversi strati, provocando eventualmente la delaminazione.

D: Perché alcune aree della scheda si delaminano più di altre?

A: La delaminazione inizia spesso in corrispondenza di punti soggetti a stress termico o meccanico—bordi, gruppi di via o intorno agli occhiolini di saldatura—soprattutto dove la densità dei conduttori è elevata o dove gli strati hanno una minore resistenza adesiva.

D: Quali tipi di test dovrebbero far parte del nostro controllo qualità in entrata e in uscita per le PCB?

R: Utilizzare l'analisi microsezionale, la TMA, l'IST, il SAM e il test di galleggiamento nella saldatura per misurare sia la delaminazione potenziale che quella esistente in tutti i lotti critici. Documentare sempre i tipi di guasto e analizzarne l'andamento.

Conclusioni e riepilogo delle migliori pratiche

Il PCB è un materiale elettronico lavorato con alta precisione. Presenta requisiti e standard molto elevati per la selezione e conservazione dei materiali, il controllo del processo e l'imballaggio sottovuoto e la conservazione dei prodotti finiti. La delaminazione è un meccanismo di guasto complesso causato dall'umidità, dalla selezione dei materiali, da processi produttivi scadenti e da un trattamento termico inadeguato. Eventi tragici come delaminazioni su larga scala, malfunzionamenti improvvisi in campo e richiami derivano tutti da queste principali cause della delaminazione dei PCB; dopo aver identificato il problema, scegliere una soluzione appropriata e ridurre al minimo le perdite possibili.

Il tuo elenco di controllo per la prevenzione della delaminazione:

• Utilizza sempre i materiali adatti per schede che hanno un valore Tg certificato adeguato alle temperature specifiche del tuo processo.

• Mantieni un rigoroso controllo su come e dove immagazzini i materiali laminati e assicurati che tutti i PCB —in entrata o in uscita—siano maneggiati seguendo regole climatiche rigorose.

• Imposta il monitoraggio dell'umidità e non saltare il passaggio di pre-essiccazione, specialmente per schede che potrebbero aver assorbito umidità.

• Scegli fornitori che dispongono di solide certificazioni per i loro processi e materiali, e verifica regolarmente la loro conformità.

• Forma ogni persona che maneggia o assembla schede sul cos'è la delaminazione e su come evitarla —il che significa insegnare loro a riconoscere e segnalare qualsiasi cosa che sembri o si comporti in modo anomalo.

• Esegui test robusti e affidabili per verificare la presenza di delaminazione nell'ambito dei normali controlli di processo e del collaudo finale.