PCB-deliminering: Årsaker, forebygging og løsninger

Introduksjon

Kretskortet (PCB) er hjertet i enhver elektronisk enhet og driver stille våre telefoner, kjøretøy, medisinsk utstyr og satellitter. Selv om Kinas produksjon, manufacturing-prosesser, evner og teknologier for kretskort fortsetter å forbedres, er selv de mest høykvalitets kort ikke immune for en av de mest vedvarende og kostbare feilene i elektronikk: avskalling av kretskort. Når lagene i kortet begynner å skille seg, følger elektriske feil og produkttilbakekallingsaksjoner ofte like etter.

Forståelse av PCB-avskalling og hvordan man forhindrer det. Først er det nødvendig å forstå at årsakene til avskalling kan grovt sett deles inn i fire kategorier: materielle problemer, produksjonsprosessproblemer, ytre miljøpåvirkninger og upassende kjemiske behandlinger osv. Hvis vi ser på det fra et detaljert perspektiv av produksjonsprosessen, men hvordan fuktighet, varmebehandling, montering og lagringsforhold samvirker. Feil som avskalling, måling og morsking skader overflatelaget på en PCB og den indre strukturen, noe som svekker påliteligheten og noen ganger sikkerheten.

Hva er PCB-avskalling?

PCB (Printet kretskort) delaminering refererer til fenomenet med delaminering eller separasjon mellom ulike lag i kretskortet under produksjonsprosessen. PCB-delaminering oppstår når lagene i kortet – kombinasjoner av kobber, harpiks og bunnlag – begynner å skilles på grunn av ulike mekaniske, termiske eller kjemiske utløsende faktorer. Delaminering kan vise seg som bobler eller sprekker, misfarging og bobling, blærer eller til og med krumning av overflatelaget på PCB-en. Når lagdeling oppstår, kan det føre til økt fuktighet i PCB-en hvis det ikke oppdages, noe som forsterker ytterligere skader og fører til tap av PCB-ens funksjonalitet.

Ut fra noen vanlig brukte materialer, brukes platematerialer som FR-4 eller polyimid som pcb-basematerialer. Disse laminatene, limmidlene og kopperfoliene er svært nøyaktig utviklet, men kan likevel være sårbare. Når de utsettes for overdreven fuktighet eller termiske sykluser, kan selv laminatmaterialer av høy kvalitet løsne hvis de ikke produseres og håndteres på riktig måte.

Hvorfor delaminering er et kritisk problem

Hvorfor tiltrekker delaminering seg så mye oppmerksomhet i verden av kretskort? Ganske enkelt: Hvis delaminering inntreffer, kan hele kretskortet feile. Kretskortet utgjør grunnkomponenten for signal- og krets-overføring i hele kontrollbrettet.

Hvorfor delaminering er så farlig:

• Elektriske feil: Den mest direkte konsekvensen er at lederbaner blir brutt; strøm eller data går tapt, og tilfeldige feil oppstår.
• Termiske varmepunkter: Fordi luftlommer forårsaket av delaminering har dårlig varmeledning, oppstår lokale «varme punkter» som til slutt akselererer ytterligere svikt.
• Strukturell svakhet: Fra et strukturelt perspektiv, når basis-PCB-materialer delaminerer, mister de mekanisk styrke og er utsatt for sprekking, spesielt under montering eller repareringsarbeid.
• Langsiktig skade: Fuktighet i PCB-substratet fortsetter å angripe innenfra, noe som fører til korrosjon, maling og ytterligere blærer. Dette er en faktor forårsaket av det ytre miljøet.
• Skjulte risikoer: Selv om delaminering kanskje ikke stopper en enhet i begynnelsen, forkorter den PCBets levetid—og fører til at produkter svikter langt før sin beregnet levetid, og PCBet har mistet sin mest grunnleggende ytelse.

Årsaker til PCB-delaminering: De viktigste faktorene

Hvis du vil løse problemet med lagdeling, må du starte med årsakene.

Å forstå årsakene til PCB-delaminering og hvorfor delaminering oppstår, er det første steget mot forebygging.

1. Fuktopptak og luftfuktighet

PCB-basematerialer er hygroskopiske—fenomenet med fuktabsorpsjon er vanligvis nært knyttet til faktorer som den kjemiske strukturen og porøsiteten til materialene som brukes, samt luftfuktigheten i miljøet. Vanlige PCB-underlag, som FR-4 (epoxyharpiksglassvev komposittmateriale), har visse porer og kan absorbere fukt fra luften. Det betyr at de tar opp fukt fra omgivelsene, spesielt hvis kretskortet er utsett for høy luftfuktighet uten beskyttelse. Overflødig fukt i PCB kan bli fanget i PCB-basen og utsettes for fuktighet under produksjon, lagring eller transport. Senere, når det utsettes for høye temperaturer under loddesykluser, blir denne fukten til damp.

• Når fukt fanget i PCB-en varmes opp over vannets kokepunkt, oppstår det kraftig indre trykk. Hvis laminatet ikke kan avløse eller absorbere dette trykket, begynner lagene å skille seg, noe som fører til redusert elektrisk ytelse, ujevn termisk ekspansjon, svekket mekanisk styrke og til og med problemer som elektriske kortslutninger, og til slutt oppstår delaminering.
• Oppbevaringsforhold for laminatmaterialer er kritiske. Når luftfuktigheten øker, akselereres også opptakelsen av fuktighet. Hvis overflaten på substratet tar opp fuktighet, øker fuktighetsopptakshastigheten med økende luftfuktighet. Derfor er manglende vakuumsegling eller herding av PCB-er før montering en hovedårsak.
• Fuktighet i PCB-substratet kan også forårsake measling (se nedenfor).

2. Termisk spenning og termisk behandling

Når PCB-en går inn i SMT-emonterings- og prosesseringsstadiet, utsettes hver krets for gjentatt termisk belastning under montering. Termisk behandling (reflusjonslodd, bølgelodd, reparasjon) varmer opp kretsen over 200 °C. Etter å ha vært utsatt for høye temperaturer kan det oppstå delaminering dersom laminatet er gammelt, har feil hartype eller ikke er brent.

• Dårlig termisk profi l eller at man overskrider hartens spesifiserte Tg (glassovergangstemperatur, f.eks. bruk av FR-4 materiale med feil type Tg) er vanlige utløsende faktorer. Derfor bør sluttproduktets brukskrav også vurderes når man velger materialer, og en passende Tg-kvalitet bør velges.
• Når de utsettes for termisk syklus, «løsner» ekspansjon og kontraksjon av lagene bindingene, spesielt i HDI-kretser eller kretser med tykke kobberledere.

3. Produksjons- og materialproblemer

• Dårlige produksjonsprosesser : Partikler, oljer eller feil laminering under trykking av kretskort kan alltid føre til delaminering. I dagens fullt automatiserte produksjonslinjer har denne faktoren blitt betraktelig redusert.
• Feil type Tg : FR-4 eller polyimid må passe den faktiske varmebehandlingen i din montering.
• Gamle, utdaterte kretskortmaterialer eller utløpt harpiks kan føre til delaminering . Det anbefales å bruke materialer fra vanlig brukte internasjonale merker.
• Materiale med feil type Tg : Hvis reflow hele tiden blir varmere enn hva underlaget er rangert for, er det bare et spørsmål om tid før delaminering og blæreformasjon oppstår. Som nevnt ovenfor kan valg av passende underlag for Tg redusere sannsynligheten for dette problemet.

4. Mekaniske og kjemiske utløsende faktorer

• Bøyning av kretskortet, dårlig håndtering eller støt kan føre til delaminering, spesielt når bindingene først er svekket av fukt eller varme.
• Rengjøringsmidler, fluss og loddemaskerester, hvis ikke rengjort ordentlig, kan forringe grensesnittet mellom overflatelaget og grunnmaterialet, og dermed føre til delaminering.

Mekaniske og kjemiske utløsende faktorer som ofte sees i senere omprosessering og monteringsproduksjon, forårsaket av ytre faktorer.

Sammendragstabell: Årsaker til PCB-delaminering

Measling og PCB-sprøkkedannelse: relaterte former for avskalling

Avskalling, measling og sprøkkedannelse blir ofte forvekslet, men representerer ulike feil i verden av trykte kretskort – hver med sine egne risikoer og årsaker. Disse kvalitetsproblemene påvirker ikke bare utseendet til PCB-en, men kan også alvorlig påvirke dens elektriske ytelse og pålitelighet.

Measling og PCB-feil

Measling er dannelse av veldig små avskallede hvite flekker, typisk ved krysningspunktene mellom glassfiberne i PCB-grunnmaterialet. Disse vises som fine hvite prikker under loddemasken eller laminatet og kan noen ganger forveksles med begynnende avskalling. Measling og PCB-avskalling er relatert, ettersom begge skyldes nedbrytning av laminatmaterialer, ofte utløst av for høy fuktighet i PCB-en eller dårlige produksjonsprosesser.

• Measling skyldes vanligvis oksidasjon eller korrosjon av metallaget på PCB-overflaten (for eksempel kopperlaget), fuktighet, eller kan skyldes upassende bestrøkning eller overflatebehandling, spesielt når kretskortene utsettes for rask varmeendring eller termiske sjokk under lodding.
• Når fuktighet fanges i PCB-grunnmaterialene eller når materialene gjennomgår feil herding, oppstår små hvite flekker. Med tiden kan disse flekkene vokse og føre til alvorligere delaminering hvis de ikke behandles.

Crazing

Kreking er kjennetegnet ved et nett-lignende mønster av mikrorevner som går gjennom baselaminatet i PCB-en. Det oppstår vanligvis på grunn av materialutmattelse, feilaktig kontroll av tekst og grafikk under loddingsprosessen, og feil mekaniske operasjoner som dårlig borring og skjæring. I motsetning til måling, som er lokalisert, dekker kreking ofte større områder og skaper et nett- eller maske-lignende utseende under loddemasken. Selv om kreking ikke alltid fører til delaminering, er det en synlig indikator på spenning og kan svekke brettets strukturelle integritet.

Når relaterte former for delaminering er et problem

• Måling og kreking kan føre til delaminering hvis kretskortet utsettes for ytterligere termisk eller mekanisk belastning, eller hvis fanget fukt ekspanderer under montering eller produktbruk.
• Kretskort som viser dannelse av veldig små hvite delaminerte flekker, bør settes i karantene for videre inspeksjon og testing. Gjennomfør regelmessige sjekker av problemer med materialer eller grunnleggende tester før bruk.
• Ved å innføre vitenskapelig design, produksjon og testprosesser kan forekomsten av disse problemene reduseres betydelig, og påliteligheten og langsiktige stabiliteten til kretskort (PCB) kan forbedres.

Hurtig sammenligningstabell: Measling vs. Crazing vs. Delaminering

Effekter og konsekvenser av PCB-laminatdelaminering

PCB, som et høyteknologisk elektronisk materiale. Hvis delaminering og relaterte fenomener oppstår i PCB-er, er konsekvensene langtrekkende og påvirker elektriske, termiske og mekaniske egenskaper hos en enhet. Den mest direkte konsekvensen er svekkelse av mekaniske og elektriske egenskaper til platene, og til og med funksjonell svikt.

Elektriske ytelsesproblemer

Kortslutninger og åpne kretser er de vanligste og mest rutinemessige diagnostiske manifestasjonene som best viser delaminering.

• Ledningsavbrudd: Hvor ledere eller baner adskilt fra bunnmaterialet , fører til åpne kretser, noe som medfører enhetsfeil eller intermittente feil.
• Kortslutninger og CAF: Delaminering kan føre til nye veier for ledende anodisk filamentdannelse (CAF), som kobler sammen loddeøyer eller kobberbaner.

Termiske og strukturelle konsekvenser

Ofte forverres delaminering under sveiseprosessen når den utsettes for varme. Eller sprekker og deformasjoner forårsakes av ytre krefter.

• Termisk isolasjon: Blærer og sprekker reduserer varmeoverføringen, noe som fører til overoppheting og rask lokal nedbrytning av komponenter nær delaminerte soner.
• Mekanisk svakhet: Kortet mister sin evne til å bøye seg eller tåle sjokkbelastninger, noe som fører til sprekking og ytterligere omfattende delaminering.

Fukt og korrosjon

Påvirkningen av substrater som FR-4 og CM-1 som tar opp fukt fra luften i et miljø med høy luftfuktighet.

• Fangevannet fukt i PCB-en forårsaker ikke bare utvidelse ved oppvarming, men kan også akselerere korrosjon, spesielt ved eksponerte kobber gjennomgående hull eller baner i delamineringsområdet.
• Gjentatt eksponering for høy luftfuktighet og dårlige lagringsforhold for laminatmaterialer fører til fortsettende nedbrytning, noe som dermed fører til.

Innvirkning på produktets levetid og pålitelighet

For en storstilt PCB-producent har optimalisering av det ytre miljøet og håndtering av driftsprosedyrer unngått problemet med delaminering, men dersom det likevel inntreffer, vil det ha en betydelig innvirkning på levetiden til PCB-en selv og påliteligheten til endeproduktene.

• Delaminering og dens varianter (measling, crazing) reduserer den effektive levetiden til PCB-en, og betyr at selv enheter som består de første funksjonstestene, kan begynne å svikte måneder eller år senere. Dette forkorter betydelig produktets levetid.
• Disse skjulte feilene kan føre til kostbare tilbakekallinger og skade på varemerkets omdømme, ettersom enheter svikter uventet i felt.

Hvordan finne ut om en kretskortplate er skadet (symptomer og typer av delaminering)

Den beste måten å løse problemer på er å forebygge dem. Å kjenne symptomene på delaminering av kretskort er avgjørende for tidlig oppdagelse og begrensning. Vi kan identifisere problemet gjennom følgende tegn.

Visuelle signaler

• Fargede områder under loddemasken indikerer ofte fuktoppbygging eller tidlig delaminering.
• Blærer eller bobler langs overflatelaget eller ved interne lagingspunkter er direkte indikatorer.
• Delaminering blære: Et oppsvulmet eller svampaktig område som stikker opp fra kretskortets overflate.
• Små delaminerte hvite flekker: Indikerer measling, spesielt etter termiske sykluser.

Elektriske og funksjonelle tegn

• Plutselige eller intermittente feil, spesielt etter at kretskortet har vært utsatt for høye temperatursykluser.
• Kretser feiler etter reflow- eller bølgesolderskjer, og øyne er uventet kortsluttet.
• Uvanlige motstandsmålinger eller brudd på kontinuitet over kobberbaner.

Mekaniske indikatorer

• Kretskort viser uvanlig vridning, bøyning eller en følelse av «sprettighet» når de håndteres nær delaminerte områder.

Hvorfor og hvordan delaminering oppstår under soldring og termisk behandling

Hvert kretskort må gjennomgå en prosess med høy temperatur under montering, men delaminering er spesielt sannsynlig under trinn med høy temperatur. Flere årsaker til delaminering på kretskort knytter sammen design, materiale og prosess. Derfor kan det oppsummeres hvilke ledd i produksjonen og designet av dette kretskortet som må optimaliseres.

Soldring og reflow som utløsende faktorer

• Termisk prosessering som reflow og bølgesoldring uts setter kretskort for temperaturer over kokepunktet for vann (100 °C) og noen ganger over 250 °C. Denne temperaturen er en utfordrende minimumsverdi for varmebestandigheten til pcb.
• Fuktvann fanget i pcb-basen fordampes, noe som skaper indre trykk. Dette skjer når det er restfuktighet i mellomlagene i pcb-en.
• Hvis trykket overstiger limets holdfasthet, vil avlamellering forekomme – spesielt i svakeste områder som innløp til gjennomgående hull eller kanten på kobberflater.

Vanlige utløsende faktorer for avlamellering under montering:

• Utilstrekkelig eller feil Tg i laminatmaterialer (for eksempel bruk av FR-4 materiale med feil type Tg for blyfri soldring). I kravene til pcb-produksjonsprosessen er det spesielt viktig å velge riktig spesifikasjon og modell av basemateriale.
• Plater som ikke er forhåndsbakt eller vakuumseglet, og som er eksponert for fuktighet før lodding. I dagens produksjonsprosesser utgjør ikke denne faktoren i stor grad en utfordring. Likevel bør åpnede emballasjematerialer brukes så raskt som mulig for å unngå materialtap.
• Pcb-basematerialer av dårlig kvalitet som har tatt opp fuktighet eller forringet seg.

Hvorfor omfattende delaminering kan oppstå

• Hvis delaminering starter ved ett loddopplegg, kan den spre seg utover og føre til omfattende delaminering som påvirker flere lag med basemateriale.

Typer tester for måling av pcb-delaminering

Strenge typer tester for måling av delaminering brukes i hele pcb-industrien, noe som gjør det mulig å oppdage problemer på et tidlig tidspunkt og sikre kvalitet.

Nøkkelmetoder for testing

Metoder for å forebygge delaminering og løsninger

Beskyttelse mot delaminering er flerfaset, og baserer seg på design, lagring, prosessering og til og med leverandørrelasjoner.

Design og materievalg

• Etter at den endelige ytelsen og bruken av materialet er forstått, velg FR-4 materiale eller alternative PCB-materialer med passende Tg og fuktighetsholdighet.
• Hvis produktet brukes i miljøer med høy fuktighet, bruk forsterkede harpikser eller påfør beskyttende konformalbelegg under PCBA-montering i arbeid.

Produksjons- og prosesskontroll

• Oppretthold streng fuktighetskontroll i lagrings- og produksjonsområder, og kontroller strenge driftsregler og forskrifter.
• Bak alle kort for å fjerne fuktighet før lodding, spesielt før høytemperatur- eller flere gjennomløpsmonteringer.
• Revisjon av leverandører for sporbarhet av råmaterialer og krev materiale med riktig type Tg.

Beste praksis for montering

• Bruk riktige profiler slik at overflaten på en PCB og kobber aldri overskrider produsentens angitte verdier.
• La det kjøles mellom termiske sykluser for å minimere utvidelse/kontraksjonsutmattelse.

Trygg håndtering

• Utdann ansatte i forsiktig håndtering og bruk av hansker for å unngå mikrokrevjer.
• Insperer regelmessig etter mosing, bobler og mindre delaminerte områder. Når som helst usuelle materialer oppdages, skal de umiddelbart klassifiseres som ubrukelige materialer og lagres tilsvarende.

Miljøkontroll

• Bruk klimastyrte magasiner for lagring av laminatmaterialer.
• Overvåk med fuktighets- og temperatursensorer for å unngå opptak av fuktighet.

PCB Delaminering Reparasjonssteg

Hvis delaminering har skjedd, kan funksjonen til noen materialer fortsatt gjenopprettes gjennom profesjonell reparasjon:

• Diagnostiser ved hjelp av visuell inspeksjon eller SAM.
• Stopp videre håndtering (for å hindre spredning av bobler eller sprekker).
• Rengjør området forsiktig – unngå aggresive rengjøringsmidler som løser opp limstoffer.
• Bor et lite avlastningshull hvis nødvendig for å injisere epoksi i det delaminerte området.
• Injisera epoxy med høgspektering og bruk trykk.
• Hald under kontrollert temperatur for å gjenoppretta adhesjonen.
• Endra prøving med elektrisk kontinuitet og belastningstester.

Ofte stilte spørsmål

K: Kva er hovudgrunnen til delaminering i moderne PCB?

A: Dei viktigaste faktorane som kan føra til delaminering i dag er ukontrollert fuktighet i PCB-substrat og lagring, bruk av laminert materiale med feil eller utilstrekkelig Tg for monteringsprocessen, og dårleg produksjon eller laminering.

F: Korleis kan eg forhindra avlaminering om PCB må gjennomgå fleire lodding eller omarbeidingssyklusar?

A: Bruk eit materiale med høgt Tg-nivå, følg fuktigheten nøye, vakuumsegl mellom prosessane og bak brett før du utsetter dei for høge temperaturar.

F: Er kvar misfarge område eller boble eit tegn på kritisk avlaminering?

A: Ikke alle visuelle avvik krever kassering. Små, hvite delaminerte flekker (meling) fører ikke alltid til delaminering, men overvåk alltid om de sprer seg. Fargeendring indikerer ofte fukt som er fanget – løs grunnavvikene før monteringen fortsetter.

S: Hva er forskjellen på meling, sprekking og delaminering?

A: Meling er dannelse av små hvite flekker, sprekking viser seg som et nettverk av fine revner, og delaminering er når det faktisk oppstår fysisk separasjon eller blærer i platebelægningen eller mellom kobber og substratet.

S: Kan feilaktig rengjøringsmiddel forårsake delaminering?

A: Ja – særlig aggressive løsemidler kan svekke adhesjonen i overflatelaget på printen eller mellom lagene, noe som til slutt kan føre til delaminering.

S: Hvorfor delaminerer visse områder av kretskort mer enn andre?

A: Delaminering starter ofte ved termiske eller mekaniske spenningspunkter – kanter, via-klumper eller rundt loddeøyer – spesielt der lederne er tett plassert eller der lagene har lavere limstyrke.

Q: Hvilke typer tester bør inngå i vår innkommende og utgående kvalitetskontroll for PCB-er?

A: Bruk mikrosnittanalyse, TMA, IST, SAM og loddetesting for å måle både potensiell og eksisterende delaminering i alle kritiske partier. Dokumenter alltid feiltyper og følg dem over tid.

Konklusjon og oppsummering av beste praksis

PCB er et elektronisk materiale som er prosessert med høy presisjon. Det stilles svært høye krav og standarder til materiellvalg og lagring, prosesskontroll samt vakuumemballering og lagring av ferdige produkter. Delaminering er en kompleks sviktmekanisme som følger av fukt, materiellvalg, dårlige produksjonsprosesser og feilaktig varmebehandling. Katastrofer som omfattende delaminering, plutselige feltfeil og tilbakekallinger har alle sine hovedårsaker i PCB-delaminering. Etter at problemet er identifisert, bør en passende løsning velges for å redusere tapene så mye som mulig.

Sjekkliste for forebygging av delaminering:

• Bruk alltid riktig kretskortmateriale som har riktig, sertifisert Tg-verdi for dine spesifikke prosesstemperaturer.

• Ha streng kontroll på hvordan og hvor du lagrer laminatmaterialer, og sørg for at alle PCB-er —som kommer inn eller sendes ut—håndteres i henhold til strenge klimaregler.

• Sett opp fuktighetsovervåkning, og ikke hopp over forvarmingsstegget, spesielt for kretskort som kan ha tatt opp fukt.

• Velg leverandører som har solide sertifiseringer for sine prosesser og materialer, og følg dem jevnlig.

• Tren alle som håndterer eller monterer kretskort i hva avlamellering er og hvordan de kan forhindre det —det betyr å lære dem å gjenkjenne og melde alt som ser eller oppfører seg uvanlig.

• Utfør sterke, pålitelige tester for å sjekke avlamellering som en del av dine normale prosesskontroller og endelig kvalitetskontroll.