Расслоение печатной платы: причины, профилактика и решения

Введение

Печатная плата (PCB) является сердцем каждого электронного устройства, незаметно обеспечивая работу наших телефонов, транспортных средств, медицинского оборудования и спутников. По мере того как производственные процессы, возможности и технологии Китая в области производства печатных плат продолжают совершенствоваться, даже самые высококачественные платы не застрахованы от одной из самых упорных и дорогостоящих неисправностей в электронике: расслоения печатных плат. Когда слои платы начинают отделяться, за этим часто следуют электрические сбои и отзыв продукции.

Понимание расслоения печатных плат и способы его предотвращения. Прежде всего, необходимо понимать, что причины расслоения можно условно разделить на четыре категории: проблемы с материалами, технологические проблемы при производстве, внешние воздействия окружающей среды и неподходящая химическая обработка и т.д. Если рассмотреть этот вопрос подробнее с точки зрения производственного процесса, но как влажность, термическая обработка, сборка и условия хранения взаимодействуют между собой. Дефекты, такие как расслоение, белые пятна (measling) и мелкие трещины (crazing), нарушают поверхностный слой печатной платы и внутреннюю структуру, снижая надежность, а иногда и безопасность.

Что такое расслоение печатной платы?

Расслоение печатной платы (PCB) — это явление отслоения или разделения различных слоев платы в процессе производства. Расслоение происходит, когда слои платы — комбинации меди, смолы и основы — начинают отделяться друг от друга из-за различных механических, тепловых или химических воздействий. Расслоение может проявляться в виде пузырей или зазоров, потемнений и вспучивания, вздутий или даже деформации поверхностного слоя платы. Если расслоение не устраняется, оно может привести к увеличению влажности внутри платы, что ускоряет дальнейшее повреждение и в конечном итоге приводит к потере функциональности платы.

Судя по некоторым commonly используемым материалам, в качестве основных материалов печатных плат используются материалы на основе плат, такие как FR-4 или полиимид. Эти пластины, клеи и медные фольги изготавливаются с высокой точностью, но остаются уязвимыми. При воздействии чрезмерной влажности или термических циклов даже ламинаты высшего качества могут привести к расслоению, если они неправильно изготовлены или обрабатываются.

Почему расслоение печатной платы является критической проблемой

Почему расслоение привлекает столько внимания в мире печатных плат? Простыми словами: если произойдет расслоение, вся печатная плата может выйти из строя. Печатная плата служит основным компонентом для передачи сигналов и цепей на всей плате управления.

Почему расслоение настолько опасно:

• Электрические сбои: Самый прямой результат — разрыв токопроводящих дорожек; теряется питание или данные, возникают случайные неисправности.
• Тепловые узлы: Поскольку воздушные зазоры, вызванные расслоением, обладают низкой теплопроводностью, возникают локальные «горячие точки», которые в конечном итоге ускоряют дальнейшее повреждение.
• Конструкционная слабость: С конструктивной точки зрения, когда основные материалы печатной платы расслаиваются, они теряют механическую прочность и склонны к растрескиванию, особенно во время сборки или переделки.
• Долгосрочный ущерб: Влага в субстрате печатной платы продолжает разрушать изнутри, вызывая коррозию, образование пятен (measling) и дальнейшее вздутие. Это фактор, вызванный внешней средой.
• Скрытые риски: Даже если расслоение изначально не останавливает работу устройства, оно сокращает срок службы печатной платы — приводя к выходу изделий из строя задолго до предполагаемого срока эксплуатации, а плата теряет свои самые базовые эксплуатационные характеристики.

Причины расслоения печатных плат: Основные факторы

Если вы хотите решить проблему расслоения, начните с анализа причин.

Понимание причин расслоения печатных плат и того, почему оно происходит, является первым шагом к профилактике.

1. Поглощение влаги и влажность

Материалы основания печатных плат являются гигроскопичными — поглощение влаги обычно тесно связано с такими факторами, как химическая структура и пористость используемых материалов, а также влажность окружающей среды. Распространённые субстраты печатных плат, такие как FR-4 (композитный материал из стеклоткани и эпоксидной смолы), имеют определённую пористость и могут поглощать влагу из воздуха. Это означает, что они поглощают влагу из окружающей среды, особенно если плата длительное время находится без защиты в условиях высокой влажности. Избыточная влага в печатной плате может быть удержана в основании платы и подвергаться воздействию влажности в процессе производства, хранения или транспортировки. В дальнейшем воздействие высокой температуры во время пайки превращает эту влагу в пар.

• Когда влага, попавшая в печатную плату, нагревается выше точки кипения воды, она создает сильное внутреннее давление. Если материал платы не может выпустить или поглотить это давление, слои начинают отделяться, что приводит к ухудшению электрических характеристик, неравномерному тепловому расширению, снижению механической прочности и даже таким проблемам, как электрические короткие замыкания, и в конечном итоге происходит расслоение.
• Условия хранения материалов ламината имеют решающее значение. Когда влажность воздуха повышается, ускоряется также адсорбция влаги. Если поверхность основания поглощает влагу, скорость поглощения влаги увеличивается с ростом влажности. Поэтому отсутствие вакуумной герметизации или прокалывания печатных плат перед сборкой является одной из основных причин.
• Влажность в субстрате печатной платы также может вызывать появление белых пятен (см. ниже).

2. Термическое напряжение и термическая обработка

Когда печатная плата переходит на этап сборки и обработки SMT, каждая плата подвергается многократному термическому воздействию во время сборки. Термическая обработка (оплавление, пайка волной припоя, ремонт) нагревает плату выше 200 °C. После воздействия высоких температур, если материал старый, имеет неправильный тип смолы или не был пропечен, может возникнуть расслоение.

• Плохой термический профиль или превышение указанной температуры стеклования смолы (Tg, температура стеклования, например, использование материала FR-4 с неправильным типом Tg) являются распространенными причинами. Поэтому при выборе материалов также следует оценивать требования к конечному применению изделия и выбирать соответствующий класс Tg.
• Под воздействием термоциклов расширение и сжатие слоев постепенно ослабляет соединения, особенно в платах HDI или с толстыми медными проводниками.

3. Проблемы производства и материалов

• Недостаточные производственные процессы : Любые частицы, масла или неправильное ламинирование во время прессования платы всегда могут вызвать расслоение. В современных полностью автоматизированных цехах по производству это явление значительно сокращено.
• Неправильный тип Tg : FR-4 или полиимид должны соответствовать фактической тепловой обработке вашей сборки.
• Старые, несоответствующие спецификации материалы платы или просроченная смола могут привести к расслоению . Рекомендуется использовать материалы от общепринятых международных брендов.
• Материал с неправильным типом Tg : Если температура пайки оплавлением постоянно превышает допустимую для вашей подложки, образование пузырей из-за расслоения — лишь вопрос времени. Как упоминалось выше, выбор подходящей подложки по показателю Tg может снизить вероятность возникновения этой проблемы.

4. Механические и химические причины

• Изгиб платы, небрежное обращение или удары могут вызвать расслоение, особенно если связи уже ослаблены влагой или теплом.
• Остатки чистящих средств, флюса и смывки, если они не были полностью удалены, могут ухудшить сцепление между поверхностным слоем и основой, что приведет к расслоению.

Механические и химические причины, которые обычно возникают на этапах повторной обработки и сборочного производства и вызваны внешними факторами.

Сводная таблица: причины расслоения печатных плат

Пятнистость и растрескивание печатной платы: связанные формы расслоения

Расслоение, пятнистость и растрескивание часто путают, но представляют собой различные дефекты в мире печатных плат — каждый со своим набором рисков и причин. Эти различные проблемы качества не только влияют на внешний вид печатной платы, но также могут серьезно сказаться на ее электрических характеристиках и надежности.

Пятнистость и дефекты печатных плат

Пятнистость — это образование очень мелких белых точек вследствие расслоения, как правило, в местах пересечения стекловолокна в основании материала печатной платы. Они проявляются в виде мелких белых точек под паяльной маской или ламинатом и иногда принимаются за начальную стадию расслоения. Пятнистость и расслоение печатной платы связаны между собой, поскольку оба явления возникают из-за разрушения ламинированных материалов, часто вызванного избыточной влажностью в печатной плате или недостатками производственного процесса.

• Появление мелких белых точек обычно вызвано окислением или коррозией металлического слоя на поверхности печатной платы (например, медного слоя), наличием влаги или может быть связано с неподходящим покрытием или обработкой поверхности, особенно когда платы подвергаются резким тепловым изменениям или термическим ударам во время пайки.
• Когда влага задерживается в основных материалах печатной платы или когда материалы проходят неправильное отверждение, появляются мелкие белые пятна. Со временем эти пятна могут увеличиваться, что приводит к более серьёзным расслоениям, если их не устранить.

Мелкие трещины

Сетчатые трещины характеризуются сетеподобным узором микротрещин, проходящих через основной слой ламината печатной платы. Обычно они вызваны усталостью материала, неправильным контролем текста и графики в процессе пайки, а также ненадлежащими механическими операциями, такими как некачественное сверление и резка. В отличие от белых пятен (measling), которые локализованы, сетчатые трещины часто охватывают более обширные области, создавая под маской припоя вид сетки или мелкоячеистой структуры. Хотя сетчатые трещины не всегда приводят к расслоению, они являются видимым индикатором напряжения и могут ослабить структурную целостность платы.

Когда возникает опасение по поводу связанных форм расслоения

• Белые пятна (measling) и сетчатые трещины могут привести к расслоению, если плата дополнительно подвергается термическим или механическим циклам, либо если захваченная влага расширяется во время сборки или эксплуатации изделия.
• Платы, на которых наблюдаются мелкие белые расслоившиеся участки, должны быть изолированы для дальнейшего осмотра и испытаний. Регулярно проводите проверку проблемных мест на материалах или базовые тесты перед использованием.
• За счет применения научного подхода к проектированию, производству и тестированию можно значительно снизить вероятность возникновения этих проблем и повысить надежность и долгосрочную стабильность печатных плат.

Таблица быстрого сравнения: Measling против Crazing против расслоения

Последствия и эффекты расслоения печатных плат

Печатная плата как высокоточный электронный материал. Последствия расслоения и связанные с ним формы повреждений в печатных платах носят далеко идущий характер и влияют на электрические, тепловые и механические характеристики устройства. Наиболее прямым следствием является ухудшение механических и электрических свойств материала и даже функциональный отказ.

Проблемы электрической производительности

Короткое замыкание и обрыв цепи являются наиболее распространенными проявлениями, а также типичными диагностическими признаками, наиболее точно отражающими явление расслоения.

• Обрыв проводника: Места, где проводники или дорожки отделяются от основного материала , цепи размыкаются, что приводит к неисправности устройства или периодическим сбоям.
• Короткие замыкания и КАФ: Расслоение может привести к образованию новых путей для проводящего анодного филирующегося нароста (КАФ), соединяющих контактные площадки или медные дорожки.

Тепловые и структурные последствия

Часто в процессе пайки расслоение усиливается при воздействии тепла. Либо трещины и деформации возникают из-за внешних механических воздействий.

• Тепловая изоляция: Воздушные пузыри и зазоры ухудшают теплоотвод, вызывая перегрев и быстрое локальное разрушение компонентов вблизи расслоённых участков.
• Механическая слабость: Плата теряет способность гнуться или выдерживать ударные нагрузки, что приводит к образованию трещин и дальнейшему масштабному расслоению.

Влага и коррозия

Влияние подложек, таких как FR-4 и CM-1, поглощающих влагу из воздуха в условиях высокой влажности.

• Захваченная влага в печатной плате не только вызывает расширение при нагревании, но и может ускорять коррозию, особенно в открытых медных переходных отверстиях или проводниках в зоне расслоения.
• Многократное воздействие высокой влажности и плохие условия хранения ламинированных материалов приводят к продолжению деградации, что, в свою очередь, вызывает.

Влияние на срок службы и надежность продукции

Для крупного производителя печатных плат, хотя оптимизация внешней среды и соблюдение операционных норм позволяют избежать проблемы расслоения, её возникновение оказывает огромное влияние на срок службы самой платы и надежность конечных продуктов.

• Расслоение и его разновидности (мельчайшие белые точки, сетчатые трещины) сокращают эффективный срок службы печатной платы, и это означает, что даже устройства, прошедшие первоначальные функциональные испытания, могут начать выходить из строя через месяцы или годы, значительно сокращая срок эксплуатации изделия.
• Эти скрытые неисправности могут привести к дорогостоящим отзывам продукции и нанести ущерб репутации бренда, поскольку устройства неожиданно выходят из строя в процессе эксплуатации.

Как определить повреждение печатной платы (симптомы и виды расслоения)

Лучший способ решить проблемы — предотвратить их. Знание симптомов расслоения печатных плат имеет решающее значение для раннего обнаружения и минимизации последствий; мы можем выявить проблему по следующим признакам.

Визуальные признаки

• Потемневшие участки под паяльной маской часто указывают на накопление влаги или начальное расслоение.
• Вздутия или пузыри на поверхности или в точках внутреннего слоистого соединения являются прямыми признаками.
• Пузырь от расслоения: Вздутый или мягкий участок, выступающий над поверхностью печатной платы.
• Мелкие белые пятна от расслоения: Указывают на меловое пятно (measling), особенно после термоциклов.

Электрические и функциональные признаки

• Внезапные или периодические сбои, особенно после того, как плата подвергается циклам высокой температуры.
• Цепи выходят из строя после пайки оплавлением или волной припоя — контактные площадки неожиданно замыкаются.
• Необычные показания сопротивления или потеря целостности на медных проводниках.

Механические признаки

• Платы демонстрируют необычное коробление, изгибание или ощущение «мягкости» при прикосновении к зонам расслоения.

Почему и как возникает расслоение во время пайки и термической обработки

Каждая печатная плата должна пройти процесс сборки при высокой температуре, но расслоение особенно вероятно на этапах высокотемпературной сборки, и несколько причин расслоения печатных плат объединяют аспекты проектирования, материалов и технологического процесса. Следовательно, можно определить, какие этапы производства и проектирования данной платы необходимо оптимизировать.

Пайка и оплавление как триггеры

• Термическая обработка, такая как оплавление и волна припоя, подвергает платы температурам выше точки кипения воды (100 °C), а иногда и выше 250 °C. Эта температура является минимальным порогом, критичным для термостойкости печатной платы.
• Влага, удерживаемая в основании печатной платы, испаряется, создавая внутреннее давление; такая ситуация возникает при наличии остаточной влаги во внутренних слоях печатной платы.
• Если давление превышает прочность сцепления материала, происходит расслоение — особенно в наиболее слабых местах, таких как входы переходных отверстий или края медных контактных площадок.

Распространённые причины расслоения во время монтажа:

• Недостаточный или неправильный показатель Tg в материалах препреги (например, использование материала FR-4 с неподходящим значением Tg для бессвинцовой пайки). В требованиях к производственному процессу печатных плат особенно важно выбирать соответствующую спецификацию и модель исходного материала.
• Платы не подвергались предварительной сушке или вакуумной упаковке и были подвержены воздействию влажности перед пайкой. В современных производственных процессах этот фактор вряд ли является значительным. Однако материалы из вскрытой упаковки следует использовать как можно скорее, чтобы избежать потерь.
• Некачественные основные материалы печатных плат, впитавшие влагу или деградировавшие.

Почему может возникнуть масштабное расслоение

• Если расслоение начинается в одной точке пайки, оно может распространяться наружу, приводя к масштабному расслоению, затрагивающему несколько слоев основного материала.

Типы испытаний для измерения расслоения печатных плат

В отрасли печатных плат широко применяются строгие методы испытаний на расслоение, позволяющие заблаговременно выявлять дефекты и обеспечивать качество.

Основные методы испытаний

Методы предотвращения расслоения и решения

Защита от расслоения имеет комплексный характер и зависит от конструкции, условий хранения, технологических процессов и даже отношений с поставщиками.

Выбор дизайна и материала

• После определения конечных характеристик и области применения материала выбирают материал FR-4 или альтернативные материалы для печатных плат с подходящей температурой стеклования (Tg) и устойчивостью к влаге.
• Если продукт используется в условиях высокой влажности, на этапе сборки ППВ применяют усиленные смолы или наносят защитные конформные покрытия.

Контроль производства и технологических процессов

• Обеспечивают строгий контроль влажности в помещениях хранения и обработки, строго соблюдают правила и нормы эксплуатации.
• Прожигают все платы для удаления влаги перед пайкой, особенно перед высокотемпературной пайкой или многопроходной пайкой.
• Проводят аудит поставщиков на предмет прослеживаемости сырья и требуют материалы с соответствующим типом Tg.

Рекомендации по монтажу

• Используют правильные профили нагрева, чтобы температура поверхности печатной платы и меди никогда не превышала допустимые значения производителя.
• Обеспечивают охлаждение между тепловыми циклами, чтобы свести к минимуму усталость от расширения/сжатия.

Безопасная обработка

• Обучите персонал бережному обращению, используйте перчатки, чтобы избежать микротрещин.
• Регулярно проводите осмотр на наличие точечного расслоения, пузырей и незначительных участков расслоения. При обнаружении любых аномальных материалов их следует немедленно классифицировать как непригодные для использования и изолировать при хранении.

Контроль окружающей среды

• Используйте складские помещения с контролируемым климатом для хранения ламинированных материалов.
• Осуществляйте контроль с помощью датчиков влажности и температуры, чтобы избежать поглощения влаги.

Этапы ремонта расслоения печатной платы

Если расслоение уже произошло, функцию некоторых материалов всё ещё можно восстановить с помощью профессионального ремонта:

• Диагностика с помощью визуального осмотра или акустического сканирования (SAM).
• Прекратите дальнейшее обращение (чтобы предотвратить распространение пузырей или зазоров).
• Тщательно очистите область — избегайте агрессивных чистящих средств, растворяющих клеи.
• Просверлите небольшое отверстие для выпуска воздуха, если необходимо, чтобы ввести эпоксидную смолу в область расслоения.
• Нанесите эпоксидный состав высокой спецификации и приложите сжимающее давление.
• Выдержите при контролируемой температуре для восстановления адгезии.
• Повторно протестируйте с помощью проверки электрической целостности и испытаний на механическую нагрузку.

Часто задаваемые вопросы

В: Какова основная причина расслоения в современных многослойных печатных платах?

О: Основными факторами, которые могут привести к расслоению сегодня, являются неконтролируемая влажность в материале печатной платы и при хранении, использование материалов ламината с неправильной или недостаточной температурой стеклования (Tg) для процесса сборки, а также плохие производственные или технологические процессы ламинирования.

В: Как можно предотвратить расслоение, если печатные платы должны проходить несколько циклов пайки или переделки?

О: Используйте материал платы с высокой температурой стеклования (Tg), тщательно контролируйте влажность, герметизируйте в вакууме между процессами и подвергайте платы термической обработке перед повторным воздействием высоких температур.

В: Означает ли каждое потемневшее место или пузырь критическое расслоение?

A: Не каждое визуальное несоответствие требует утилизации. Небольшие белые пятна расслоения (мерцание) не всегда могут привести к расслоению, но необходимо постоянно следить за их распространением. Изменение цвета часто указывает на попадание влаги — устраните основную причину, прежде чем продолжать сборку.

В: В чем разница между мерцанием, сетчатыми трещинами и расслоением?

О: Мерцание — это образование мелких белых точек, сетчатые трещины представляют собой сеть тонких трещин, а расслоение возникает при физическом отделении слоев или образовании пузырей в ламинате печатной платы или между медью и подложкой.

В: Могут ли неподходящие чистящие средства вызывать расслоение?

О: Да — особенно агрессивные растворители могут ухудшить адгезию на поверхностном слое печатной платы или между слоями, что в конечном итоге приведет к расслоению.

В: Почему в некоторых областях платы расслоение происходит чаще, чем в других?

A: Расслоение часто начинается в точках термического или механического напряжения — по краям, в местах скопления переходных отверстий или вокруг контактных площадок для пайки, особенно там, где плотность проводников высока или где слои имеют низкую прочность сцепления.

В: Какие виды испытаний должны входить в наш входящий и выходной контроль качества печатных плат?

О: Используйте микросечения, анализ методом ТМА, МСИ, САМ и испытание на плавлении припоя для измерения как потенциального, так и уже существующего расслоения во всех критических партиях. Всегда документируйте типы отказов и отслеживайте их тенденции.

Заключение и обзор передовых практик

Печатная плата — это электронный материал, обрабатываемый с высокой точностью. К нему предъявляются очень высокие требования и стандарты по выбору и хранению материалов, контролю процессов, а также вакуумной упаковке и хранению готовой продукции. Расслоение является сложным механизмом отказа, вызванным влагой, неподходящим выбором материала, плохими производственными процессами и неправильной термообработкой. Трагедии, такие как массовое расслоение, внезапные отказы на объекте и отзыв продукции, происходят именно из-за этих основных причин расслоения печатных плат; после выявления проблемы необходимо выбрать соответствующее решение и максимально минимизировать потери.

Ваш контрольный список для предотвращения расслоения:

• Всегда используйте правильные материалы платы, имеющие соответствующий сертифицированный показатель Tg для ваших конкретных температур процесса.

• Строго контролируйте условия и место хранения ламинированных материалов и убедитесь, что все печатные платы — поступающие и отправляемые — обрабатываются с соблюдением строгих климатических правил.

• Настройте контроль влажности и не пропускайте этап предварительной сушки, особенно для плат, которые могли впитать влагу.

• Выбирайте поставщиков, имеющих надежные сертификаты на свои процессы и материалы, и регулярно проводите проверки.

• Обучите каждого сотрудника, который работает с платами или собирает их, тому, что такое расслоение, и как его предотвратить — то есть научите их распознавать и сообщать о любых необычных внешних признаках или поведении.

• Проводите надежные и тщательные испытания на выявление расслоения в рамках обычных проверок процесса и финального контроля качества.