Delaminarea PCB: Cauze, prevenire și soluții

Introducere

Placa de circuite imprimate (PCB) este în centrul fiecărui dispozitiv electronic, alimentând în liniște telefoanele, autovehiculele, echipamentele medicale și sateliții. Pe măsură ce procesele de producție și fabricare din China, capacitățile și tehnologiile pentru plăcile de circuite imprimate continuă să se îmbunătățească. Cu toate acestea, chiar și plăcile de cea mai bună calitate nu sunt imune la una dintre cele mai persistente și costisitoare defecțiuni în domeniul electronic: Când straturile plăcii încep să se separe, defecţiunile electrice şi retragerile de produse urmează adesea.

Înțelegerea delaminării PCB și cum să o prevenim. În primul rând, este necesar să înțelegem că cauzele delaminării pot fi împărțite aproximativ în patru categorii: probleme legate de material, defecțiuni ale procesului de fabricație, influențe externe ale mediului și tratamente chimice inadecvate etc. Dacă analizăm dintr-o perspectivă detaliată a procesului de fabricație, dar și modul în care umiditatea, procesarea termică, asamblarea și condițiile de stocare interacționează. Defecțiuni precum delaminarea, apariția petelor albe (measling) și fisurarea (crazing) afectează stratul superficial al unei plăci PCB și structura internă, subminând fiabilitatea și uneori siguranța.

Ce este delaminarea PCB?

Delaminarea PCB (plăcii de circuit imprimat) se referă la fenomenul de desprindere sau separare între straturile diferite ale plăcii de circuit în timpul procesului de producție. Delaminarea PCB apare atunci când straturile plăcii — combinații de cupru, rășină și suport — încep să se desprindă din cauza unor factori declanșatori mecanici, termici sau chimici. Delaminarea se poate manifesta sub forma unor bule sau spații libere, decolorări și umflături, vezicule sau chiar deformări ale stratului superficial al PCB-ului. Atunci când apare stratificarea, dacă nu este remediată, delaminarea poate duce la o creștere a umidității în interiorul PCB-ului, accelerând deteriorarea, ceea ce conduce la pierderea funcționalității plăcii.

Având în vedere unele materiale utilizate frecvent, materialele de placă precum materialul FR-4 sau poliimida sunt folosite ca materiale de bază pentru PCB. Aceste laminate, adezivi și foi de cupru sunt realizate ingineresc înalt, dar rămân vulnerabile. Atunci când sunt expuse la umiditate excesivă sau supuse unor cicluri termice, chiar și laminatele de calitate superioară pot duce la separare dacă nu sunt fabricate și manipulate corespunzător.

De ce delaminarea este o problemă critică

De ce atrage atenția delaminarea în lumea PCB-urilor? Pur și simplu: dacă are loc delaminarea, întregul PCB poate eșua. PCB-ul servește ca componentă fundamentală pentru transmiterea semnalului și a circuitelor în întreaga placă de control.

De ce este atât de periculoasă delaminarea:

• Defecțiuni electrice: Cel mai direct efect este întreruperea traseelor conductoare; se pierde alimentarea sau datele, iar defecțiunile apar aleatoriu.
• Puncte fierbinți termice: Datorită spațiilor de aer create de delaminare, care au o conductivitate termică scăzută, apar „puncte fierbinți” locale ce în final accelerează defectarea ulterioară.
• Slăbiciune structurală: Din punct de vedere structural, atunci când materialele de bază ale PCB-ului se delimitează, acestea își pierd rezistența mecanică și sunt predispuse la crăpare, mai ales în timpul asamblării sau refacerii.
• Deteriorare pe termen lung: Umiditatea din substratul PCB continuă să atace din interior, provocând coroziune, apariția petelor (measling) și vezicule suplimentare. Acesta este un factor cauzat de mediul extern.
• Riscuri ascunse: Chiar dacă delaminarea nu oprește inițial funcționarea unui dispozitiv, aceasta scurtează durata de viață a PCB-ului, făcând ca produsele să cedeze cu mult înainte de sfârșitul perioadei lor prevăzute de funcționare, iar PCB-ul și-a pierdut cea mai fundamentală performanță.

Cauzele delaminării PCB: Factorii principali

Dacă doriți să rezolvați problema stratificării, trebuie să începeți de la cauze.

Înțelegerea cauzelor desprinderii stratului de pe plăcile PCB și motivul pentru care apare această desprindere este primul pas către prevenire.

1. Absorbția de umiditate și umiditatea

Materialele de bază ale PCB-urilor sunt higroscopice—fenomenul de absorbție a umidității este de obicei strâns legat de factori precum structura chimică și porozitatea materialelor utilizate, precum și de umiditatea mediului. Substraturile comune de PCB, cum ar fi FR-4 (material compozit din pânză de sticlă și rășină epoxidică), au anumite pori și pot absorbi umiditate din aer. Asta înseamnă că absorb umiditate din mediul înconjurător, mai ales dacă placa este lăsată neacoperită într-un mediu cu umiditate ridicată. Umiditatea excesivă din interiorul plăcii PCB poate fi captivă în materialul de bază al PCB-ului și expusă la umiditate în timpul fabricării, depozitării sau transportului. Ulterior, expunerea la temperaturi ridicate în timpul ciclurilor de lipire transformă această umiditate în abur.

• Când umiditatea captată în interiorul PCB-ului este încălzită peste punctul de fierbere al apei, creează o presiune internă puternică. Dacă stratul laminat nu poate evacua sau absorbi această presiune, straturile încep să se desprindă, ceea ce duce la o scădere a performanței electrice, la o expansiune termică neuniformă, la reducerea rezistenței mecanice și chiar la probleme precum scurtcircuite electrice, iar în final apare delaminarea.
• Condițiile de depozitare ale materialelor laminate sunt critice. Când umiditatea din aer crește, se accelerează și adsorbția de umiditate. Dacă suprafața suportului absoarbe umiditatea, rata de absorbție a umidității crește odată cu creșterea umidității. Astfel, lipsa sigilării sub vid sau lipsa uscării plăcilor PCB înainte de asamblare este una dintre principalele cauze.
• Umiditatea din substratul PCB-ului poate provoca, de asemenea, apariția petelor (vezi mai jos).

2. Tensiune termică și procesare termică

Când placa PCB intră în etapa de asamblare și procesare SMT, fiecare placă suportă stres termic repetat în timpul asamblării. Procesarea termică (sudare prin reflow, sudare cu undă, reparații) încălzește placa peste 200°C. După expunerea la temperaturi ridicate, dacă stratul laminat este vechi, are tipul greșit de rășină sau nu a fost uscat corespunzător, poate apărea delaminarea.

• Un profil termic necorespunzător sau depășirea valorii Tg specificate pentru rășină (temperatura de tranziție sticloasă, de exemplu utilizarea unui material FR-4 cu un tip incorect de Tg) sunt declanșatori frecvenți. Prin urmare, la selectarea materialelor, ar trebui evaluate și cerințele finale ale aplicației produsului, alegându-se un grad Tg potrivit.
• Supuse ciclurilor termice, expansiunea și contracția straturilor „slăbesc” legăturile, mai ales în cazul plăcilor HDI sau a celor cu conductori din cupru groși.

3. Probleme de fabricație și materiale

• Procese de fabricație necorespunzătoare : Orice particule, uleiuri sau laminare necorespunzătoare în timpul presării plăcii pot provoca întotdeauna delaminarea. În atelierele de producție complet automatizate de astăzi, acest factor a fost redus semnificativ.
• Tip incorect de Tg : FR-4 sau poliimida trebuie să corespundă procesului termic real al asamblării dvs.
• Materiale vechi, neconforme cu specificațiile sau rășină expirată pot duce la delaminare . Se recomandă utilizarea materialelor provenite de la mărci internaționale uzuale.
• Material cu tipul incorect de Tg : Dacă reflow-ul devine constant mai fierbinte decât rezistența suportului dvs., formarea blisterelor prin delaminare este doar o chestiune de timp. Așa cum s-a menționat anterior, alegerea suportului corespunzător pentru Tg poate reduce probabilitatea acestui problemă.

4. Declanșatori mecanici și chimici

• Îndoirea plăcii, manipularea necorespunzătoare sau șocurile vor provoca delaminarea, mai ales odată ce legăturile au fost slăbite de umiditate sau căldură.
• Agentele de curățare, fluxul și reziduurile de mască de lipire, dacă nu sunt eliminate corect, pot degrada interfața dintre stratul de suprafață și baza, creând condițiile pentru delaminare.

Triggers mecanice și chimice sunt frecvent observate în etapele ulterioare de reprocesare și producție a asamblării, cauzate de factori externi.

Tabel rezumat: Cauzele delaminării PCB

Measling și fisurarea PCB: Forme conexe de delaminare

Delaminarea, measling-ul și fisurarea sunt adesea confundate, dar reprezintă defecte distincte în lumea plăcilor de circuit imprimat—fiecare având propriul set de riscuri și cauze. Aceste probleme de calitate nu afectează doar aspectul PCB-ului, ci pot influența grav și performanța sa electrică și fiabilitatea.

Measling și defectele PCB

Measling-ul reprezintă formarea unor mici pete albe delaminate, de obicei la intersecțiile fibrelor de sticlă din materialul de bază al PCB-ului. Acestea apar ca puncte albe fine sub masca de lipit sau sub stratul laminat și sunt uneori confundate cu o delaminare incipientă. Measling-ul și delaminarea PCB au o anumită legătură, deoarece ambele rezultă din deteriorarea materialelor laminate, adesea declanșată de umiditate excesivă în interiorul PCB-ului sau de procese de fabricație necorespunzătoare.

• Meandrul este de obicei cauzat de oxidarea sau coroziunea stratului metalic de pe suprafața plăcii de circuit imprimat (cum ar fi stratul de cupru), sau de prezența umidității, sau poate fi datorat unui strat de acoperire necorespunzător sau unui tratament superficial inadecvat, mai ales atunci când plăcile sunt expuse la schimbări termice rapide sau supuse unor șocuri termice în timpul lipirii.
• Când umiditatea este captivă în materialele de bază ale plăcii de circuit imprimat sau când materialele nu sunt complet întărite corespunzător, apar mici pete albe. În timp, aceste pete pot crește în dimensiune, ducând la o delaminare mai severă dacă nu sunt remediate.

Crazing

Craparea se caracterizează printr-un model de tip rețea de microfisuri care străbat stratul de bază al laminatului PCB; este cauzată în mod obișnuit de oboseala materialului, control necorespunzător al textului și graficii în timpul procesului de sudare, precum și operațiuni mecanice inadecvate, cum ar fi găurirea sau tăierea defectuoasă. Spre deosebire de apariția petelor albe (measling), care este localizată, craparea acoperă adesea zone mai întinse, creând o aparență de rețea sau plasă sub masca de lipit. Deși craparea nu provoacă întotdeauna delaminarea, este un indicator vizibil al stresului și poate slăbi integritatea structurală a plăcii.

Când există preocupări legate de formele conexe ale delaminării

• Petele albe (measling) și craparea pot duce la delaminare dacă placa este supusă unor solicitări suplimentare termice sau mecanice, sau dacă umiditatea închisă se extinde în timpul asamblării sau utilizării produsului.
• Plăcile care prezintă formarea unor puncte albe foarte mici delaminate trebuie puse în carantină pentru inspecție și teste suplimentare. Se recomandă efectuarea regulată a verificărilor privind eventualele probleme ale materialelor sau a testelor de bază înainte de utilizare.
• Prin adoptarea unor procese științifice de proiectare, fabricație și testare, rata de apariție a acestor probleme poate fi redusă semnificativ, iar fiabilitatea și stabilitatea pe termen lung a PCB-urilor poate fi îmbunătățită.

Tabel comparativ rapid: Measling vs. Crazing vs. Delaminare

Efectele și consecințele delaminării PCB

PCB, ca material electronic de înaltă precizie. Dacă apare delaminarea și formele sale asociate în circuitele imprimate, consecințele sunt profunde, afectând aspectele electrice, termice și mecanice ale unui dispozitiv. Cea mai directă consecință este scăderea proprietăților mecanice și electrice ale plăcii, până la defectarea funcțională.

Probleme de performanță electrică

Circuitul scurt și circuitul deschis sunt cele mai frecvente manifestări diagnostice obișnuite care reflectă cel mai bine fenomenul de delaminare.

• Întreruperea conductorului: Unde conductori sau trasee se separă de materialul de bază , circuitele devin deschise, ceea ce duce la defecțiuni ale dispozitivului sau la defecte intermitente.
• Scurtcircuite și CAF: Delaminarea poate duce la formarea unor noi trasee pentru filamentația anodică conductivă (CAF), care pot face punte între ochii de lipit sau piste de cupru.

Implicații termice și structurale

Adesea, în timpul procesului de sudare, delaminarea se accentuează atunci când materialul este expus la căldură. Sau fisurile și deformările sunt cauzate de forțe externe.

• Izolare termică: Bulele și golurile reduc transferul de căldură, provocând supratastări și degradarea rapidă localizată a componentelor din apropierea zonelor delaminate.
• Slăbiciune mecanică: Placa își pierde capacitatea de a se flexa sau de a rezista la sarcini de oc, ceea ce duce la fisuri și o delaminare mai extinsă.

Umiditate și Coroziune

Influența substraturilor precum FR-4 și CM-1 de a absorbi umiditatea din aer într-un mediu cu umiditate ridicată.

• Umiditatea capturată în PCB nu doar că provoacă expansiune la încălzire, dar poate accelera și coroziunea, în special la găurile de trecere din cupru expuse sau la piste din zona delaminată.
• Expunerea repetată la umiditate ridicată și condițiile proaste de depozitare a materialelor stratificate permit o degradare continuă, care duce astfel la.

Impact asupra duratei de viață și fiabilității produsului

Pentru un producător mare de PCB-uri, deși optimizarea mediului extern și gestionarea normelor de operare au evitat problema delaminării, odată ce aceasta apare, va avea un impact major asupra duratei de viață a plăcii PCB în sine și asupra fiabilității produselor finale.

• Delaminarea și variantele sale (measling, crazing) reduc durata de viață efectivă a PCB-ului, ceea ce înseamnă că chiar și dispozitivele care trec testele inițiale de funcționare pot începe să cedeze după luni sau ani, scurtând semnificativ durata de utilizare a produsului.
• Aceste defecțiuni ascunse pot provoca retrageri costisitoare și pot dăuna reputației mărcii, deoarece dispozitivele eșuează neașteptat în teren.

Cum să recunoaști dacă o placă PCB este deteriorată (simptome și tipuri de delaminare)

Cea mai bună metodă de a rezolva problemele este prevenirea acestora. Cunoașterea simptomelor delaminării plăcii PCB este esențială pentru detectarea timpurie și atenuarea efectelor; putem identifica problema prin următoarele indicii.

Indicii vizuale

• O zonă decolorată sub masca de lipit indică adesea acumularea de umiditate sau începutul delaminării.
• Bule sau vezicule de-a lungul stratului superficial sau la punctele interne de suprapunere sunt indicatori direcți.
• Bulă de delaminare: O regiune umflată sau spongioasă care apare ridicată de pe suprafața plăcii PCB.
• Mici pete albe delaminate: Indicative pentru apariția meșelingului, în special după cicluri termice.

Indicii electrice și funcionale

• Defecțiuni bruște sau intermitente, mai ales după ce placa este supusă unor cicluri de temperatură ridicată.
• Circuitele cedează după reflow sau lipirea în undă, iar ochiurile sunt punționate neașteptat.
• Indicații ciudate ale rezistenței sau pierderea continuității pe urmele de cupru.

Indicii mecanice

• Plăcile prezintă deformări ciudate, îndoiri sau o senzație de „spongiositate” atunci când sunt manipulate în zonele delaminate.

De ce și cum apare delaminarea în timpul lipirii și procesărilor termice

Fiecare PCB trebuie să treacă printr-un proces de asamblare la temperatură înaltă, dar delaminarea este mai probabilă în etapele de asamblare la temperatură ridicată, iar mai multe cauze ale delaminării PCB fac legătura între proiectare, material și proces. Prin urmare, se poate concluziona care verigi din fabricarea și proiectarea acestui PCB trebuie optimizate.

Lipirea și reflow-ul ca declanșatori

• Procesarea termică, cum ar fi reflow și lipirea în val, expune plăcile la temperaturi mai mari decât punctul de fierbere al apei (100°C), uneori chiar peste 250°C. Această temperatură reprezintă o valoare minimă dificilă pentru rezistența la căldură a PCB-ului.
• Umiditatea captusă în baza PCB-ului se vaporizează, creând o presiune internă; această situație apare atunci când există umiditate reziduală în stratul interior al PCB-ului.
• Dacă presiunea depășește capacitatea de aderență a materialului adeziv, se va produce delaminarea—mai ales în zonele cele mai slabe, cum ar fi intrările în viile sau marginea padurilor de cupru.

Cauze frecvente ale delaminării în timpul asamblării:

• Tg inadecvat sau incorect în materialele stratificate (de exemplu, utilizarea materialului FR-4 cu un tip incorect de Tg pentru lipire fără plumb). În cerințele procesului de fabricație a PCB-urilor, este deosebit de important să se selecteze specificația și modelul corespunzător al materialului de bază.
• Plăcile nu sunt preuscate sau sigilate în vid, expuse la umiditate înainte de lipire. În procesele actuale de fabricație, acest factor abia constituie un stimulent. Cu toate acestea, pentru materialele din ambalaje deschise, acestea ar trebui consumate cât mai repede posibil pentru a evita pierderile de material.
• Materiale de bază de calitate slabă pentru plăci PCB care au absorbit umiditate sau s-au degradat.

De ce poate apărea Delaminarea pe Scară Mare

• Dacă delaminarea începe la un punct de lipire, aceasta se poate extinde spre exterior, ducând la o delaminare pe scară largă care afectează mai multe straturi ale materialului de bază.

Tipuri de Teste pentru Măsurarea Delaminării PCB

În industria PCB se utilizează tipuri riguroase de teste pentru măsurarea delaminării, permițând detectarea proactivă și asigurarea calității.

Metode Cheie de Testare

Metode pentru Prevenirea Delaminării și Soluții

Protecția împotriva delaminării este multiplă, bazându-se pe proiectare, depozitare, procesare și chiar relațiile cu furnizorii.

Alegerea designului și a materialului

• După înțelegerea performanței finale și a aplicației materialului, selectați materialul FR-4 sau alte materiale PCB cu Tg și rezistență la umiditate adecvate.
• Dacă produsul este utilizat în medii cu umiditate ridicată, în timpul asamblării PCBA se vor folosi rășini îmbunătățite sau se vor aplica acoperiri conformale de protecție.

Controlul fabricării și procesării

• Mențineți un control strict al umidității în zonele de depozitare și fabricație, respectând riguros regulile și reglementările de operare.
• Uscați toate plăcile pentru eliminarea umidității înainte de lipire, mai ales înainte de asamblările cu temperaturi ridicate sau cu mai multe treceri.
• Efectuați audituri ale furnizorilor pentru urmărirea materiei prime și solicitați materiale cu tipul corect de Tg.

Practici recomandate la asamblare

• Utilizați profiluri corespunzătoare astfel încât stratul de suprafață al unei plăci PCB și cuprul să nu depășească niciodată limitele recomandate de producător.
• Permiteți răcirea între ciclurile termice pentru a minimiza oboseala datorată dilatării/contractării.

Manipulare sigură

• Educați personalul despre manipularea delicată și purtarea mănușilor pentru a evita microfisurile.
• Inspectionați periodic pentru apariția petelor, bășicilor și a zonelor ușor delaminatate; odată detectate materiale anormale, acestea trebuie clasificate imediat în zona de materiale neutilizabile și stocate corespunzător.

Controlul mediului

• Utilizați depozite climatizate pentru condițiile de stocare ale materialelor laminate.
• Monitorizați cu senzori de umiditate și temperatură pentru a evita absorbția umidității.

Pași pentru Repararea Delaminării PCB

Dacă a avut loc o delaminare, funcția unor materiale poate fi încă restabilită prin reparații profesionale:

• Diagnosticați utilizând inspecția vizuală sau SAM.
• Opriți manipularea ulterioară (pentru a preveni propagarea bulelor sau a golurilor).
• Curățați zona cu atenție — evitați agenții de curățare agresivi care dizolvă adezivii.
• Faceți o mică gaură de evacuare dacă este necesar, pentru a injecta rășină epoxidică în zona delaminată.
• Injectați epoxid de înaltă performanță și aplicați presiune de compresiune.
• Întăriți în condiții controlate de temperatură pentru a restabili aderența.
• Testați din nou utilizând teste de continuitate electrică și teste de rezistență.

Întrebări frecvente

Î: Care este motivul principal al delaminării în plăcile PCB moderne cu mai multe straturi?

R: Factorii principali care pot duce la delaminare în prezent sunt umiditatea necontrolată din substratul PCB și din depozitare, utilizarea unor materiale stratificate cu o temperatură Tg incorectă sau insuficientă pentru procesul de asamblare, precum și practici proaste de fabricație sau laminare.

Î: Cum pot preveni delaminarea dacă plăcile PCB trebuie supuse mai multor cicluri de lipire sau reparații?

R: Utilizați un material de placă cu Tg ridicat, monitorizați îndeaproape umiditatea, sigilați sub vid între procese și uscați plăcile înainte de a le expune din nou la temperaturi ridicate.

Î: Indică orice zonă decolorată sau bulă o delaminare critică?

A: Nu fiecare anomalie vizuală necesită casarea. Mici pete albe desprinse (mătreață) nu provoacă întotdeauna delaminarea, dar trebuie monitorizate mereu pentru extindere. Închiderea la culoare indică adesea prezența umidității capturate — eliminați cauzele principale înainte de a continua asamblarea.

Î: Care este diferența dintre mătreață, fisurarea fină și delaminare?

A: Mătreața reprezintă formarea unor mici pete albe, fisurarea fină apare sub forma unei rețele de crăpături fine, iar delaminarea are loc atunci când apare o separare fizică reală sau vezicule în stratul de laminat al PCB sau între cupru și suport.

Î: Pot agenții de curățare incorecți provoca delaminarea?

A: Da — solvenții agresivi pot degrada adeziunea la stratul superficial al PCB sau între straturi, ducând în final la delaminare.

Î: De ce anumite zone ale plăcii se delimitează mai mult decât altele?

R: Delaminarea începe adesea în punctele de tensiune termică sau mecanică — margini, grupuri de găuri metalizate sau în jurul ochiurilor de lipit — mai ales acolo unde densitatea conductorilor este mare sau acolo unde straturile au o rezistență redusă la adeziune.

Î: Ce tipuri de teste ar trebui să facă parte din controlul nostru la intrare și la ieșire pentru PCB-uri?

R: Utilizați analiza prin microsecționare, TMA, IST, SAM și testarea prin scufundare în lipit pentru a măsura atât delaminarea potențială, cât și cea existentă în toate loturile critice. Documentați întotdeauna tipurile de defecte și urmăriți evoluția lor.

Concluzie și recapitularea celor mai bune practici

PCB este un material electronic procesat cu mare precizie. Acesta are cerințe și standarde foarte ridicate privind selecția materialelor și stocarea acestora, controlul proceselor, precum și ambalarea sub vid și stocarea produselor finite. Dezlipirea (delaminarea) este un mecanism complex de defectare rezultat din prezența umidității, selecția necorespunzătoare a materialelor, procese de fabricație deficiente și o tratare termică inadecvată. Tragediile precum dezlipirile în masă, defectările bruște în exploatare și evenimentele de retragere provin toate din aceste cauze principale ale delaminării PCB-urilor; după identificarea problemei, alegeți o soluție adecvată și minimizați pierderile cât mai mult posibil.

Lista dvs. de verificare pentru prevenirea delaminării:

• Utilizați întotdeauna materialele potrivite pentru placă care au o clasă Tg certificată corespunzătoare temperaturilor specifice de proces.

• Păstrați un control strict asupra modului și locului de stocare a materialelor stratificate și asigurați-vă că toate plăcile PCB —primite sau livrate—sunt manipulate conform unor reguli stricte de climă.

• Configurați monitorizarea umidității și nu săriți peste etapa de pre-uscare, mai ales pentru plăcile care ar fi putut absorbi umiditate.

• Alegeți furnizori care dețin certificate solide pentru procesele și materialele lor și efectuați verificări periodice la aceștia.

• Instruiți toate persoanele care manipulează sau asamblează plăci despre ce este delaminarea și cum o pot preveni —adică învățându-le să identifice și să raporteze orice lucru care pare sau se comportă neobișnuit.

• Efectuați teste puternice și fiabile pentru a verifica existența delaminării, ca parte a verificărilor obișnuite de proces și a controlului final al calității.