Розшарування друкованих плат: причини, профілактика та рішення

Вступ

Друкована плата (PCB) є основою кожного електронного пристрою, непомітно живлячи наші телефони, транспортні засоби, медичне обладнання та супутники. Оскільки виробничі процеси, можливості та технології Китаю у виготовленні друкованих плат постійно удосконалюються. Однак навіть найякісніші плати не застраховані від однієї з найпоширеніших і найдорожчих несправностей в електроніці: розшарування друкованих плат. Коли шари плати починають відокремлюватися, за цим часто слідують електричні несправності та відкликання продукції.

Зрозуміння розшарування друкованих плат та способи його запобігання. По-перше, необхідно зрозуміти, що причини розшарування можна приблизно поділити на чотири категорії: проблеми з матеріалами, технологічні проблеми виробництва, вплив зовнішнього середовища та неправильна хімічна обробка тощо. Якщо розглядати це детальніше з точки зору виробничого процесу, але як взаємодіють вологість, термічна обробка, складання та умови зберігання. Дефекти, такі як розшарування, білі плями (measling) та тріщини (crazing), пошкоджують поверхневий шар друкованої плати та внутрішню структуру, підриваючи надійність і часом безпеку.

Що таке розшарування друкованої плати?

Розшарування друкованої плати (PCB) відноситься до явища відшарування або розділення між різними шарами плати під час виробничого процесу. Розшарування відбувається, коли шари плати — комбінації міді, смоли та основи — починають відокремлюватися через різні механічні, термічні або хімічні чинники. Розшарування може проявлятися у вигляді бульбашок або зазорів, потемніння та утворення бульбашок, вовнянистих утворень або навіть деформації поверхневого шару PCB. Коли відбувається шаруватість, якщо її не контролювати, розшарування може призвести до підвищення вологи всередині PCB, прискорюючи подальші пошкодження, що призводить до втрати функціональності плати.

З огляду на деякі поширені матеріали, для виготовлення основи друкованих плат використовуються матеріали типу FR-4 або поліімід. Ці ламінати, клеї та мідні фольги мають високий рівень інженерної обробки, проте залишаються чутливими. При впливі надмірної вологості або термічних циклів навіть ламінати вищого ґатунку можуть відшаровуватися, якщо виготовлені або оброблені неналежним чином.

Чому розшарування плати є критичною проблемою

Чому розшаруванню приділяють так багато уваги у світі друкованих плат? Простими словами: якщо відбувається розшарування, вся плата може вийти з ладу. Друкована плата є основним компонентом для передачі сигналів і електричних ланцюгів у всій контрольній платі.

Чому розшарування так небезпечне:

• Електричні несправності: Найбільш очевидна — переривання провідних доріжок; втрата живлення або даних, що призводить до виникнення випадкових несправностей.
• Теплові ділянки: Оскільки повітряні зазори, спричинені розшаруванням, мають низьку теплопровідність, утворюються локальні «гарячі точки», що згодом прискорюють подальше виходження з ладу.
• Конструкційна слабкість: З конструктивної точки зору, коли основні матеріали друкованої плати розшаровуються, вони втрачають механічну міцність і схильні до тріщин, особливо під час складання або переробки.
• Довгострокові пошкодження: Волога в матеріалі друкованої плати продовжує атакувати зсередини, призводячи до корозії, утворення білих крапочок (measling) і подальшого пухирення. Це фактор, спричинений зовнішнім середовищем.
• Приховані ризики: Навіть якщо розшарування спочатку не призводить до зупинки пристрою, воно скорочує термін служби друкованої плати — викликаючи вихід продуктів з ладу значно раніше, ніж передбачений термін експлуатації, і плата втрачає свої найосновніші експлуатаційні характеристики.

Причини розшарування друкованих плат: основні фактори

Якщо ви хочете вирішити проблему шаруватості, почніть з виявлення причин.

Розуміння причин розшарування друкованих плат і чому воно відбувається — це перший крок до профілактики.

1. Вбирання вологи та вологість

Основні матеріали для друкованих плат є гігроскопічними — явище вбирання вологи зазвичай тісно пов'язане з такими факторами, як хімічна структура та пористість використаних матеріалів, а також вологість навколишнього середовища. Поширені основи друкованих плат, такі як FR-4 (композитний матеріал із епоксидної смоли та склотканини), мають певну пористість і можуть вбирати вологу з повітря. Це означає, що вони поглинають вологу з навколишнього середовища, особливо якщо плата залишена без захисту у середовищі з високою вологістю. Надлишкова вологість у друкованій платі може затрапезитися в основі плати та піддаватися впливу вологості під час виробництва, зберігання або транспортування. Пізніше, при нагріванні до високої температури під час процесів паяння, ця волога перетворюється на пару.

• Коли волога, що утримується в друкованій платі, нагрівається вище точки кипіння води, вона створює потужний внутрішній тиск. Якщо матеріал шару не може вивільнити або поглинути цей тиск, шари починають відокремлюватися, що призводить до погіршення електричних характеристик, нерівномірного теплового розширення, зниження механічної міцності та навіть до таких проблем, як електричні короткі замикання, і, нарешті, відшарування.
• Умови зберігання матеріалів шару мають критичне значення. Коли вологість повітря зростає, прискорюється також адсорбція вологи. Якщо поверхня основи вбирає вологу, швидкість вбирання вологи зростає з підвищенням вологості. Тому відсутність вакуумного запечатування або випалювання друкованих плат перед складанням є однією з основних причин.
• Вологість у субстраті друкованої плати також може спричиняти утворення плям (див. нижче).

2. Теплове напруження та термічна обробка

Коли друкована плата потрапляє на етап збірки та обробки SMT, кожна плата піддається багаторазовому термічному навантаженню під час збірки. Термічна обробка (оплавлення, хвильове паяння, ремонт) нагріває плату понад 200 °C. Після впливу високих температур, якщо шаруватий матеріал старий, має неправильний тип смоли або не пройшов випікання, може виникнути розшарування.

• Поганий термічний профіль або перевищення вказаної температури Tg смоли (температура склування, наприклад, використання матеріалу FR-4 з неправильним типом Tg) є поширеними причинами. Тому під час вибору матеріалів слід також оцінювати вимоги до кінцевого застосування продукту та обирати відповідний клас Tg.
• Під впливом термічного циклювання розширення та стискання шарів «розгойдують» з'єднання, особливо в платах HDI або з товстими мідними провідниками.

3. Проблеми виготовлення та матеріалів

• Погані процеси виробництва : Будь-які частинки, масла чи неправильне ламінування під час пресування плати завжди можуть призвести до розшарування. У сучасних повністю автоматизованих цехах з виробництва цей фактор значно зменшено.
• Неправильний тип Tg : FR-4 або поліімід повинні відповідати реальним термічним умовам обробки вашого монтажу.
• Старі, неякісні матеріали плат або застарілий смола можуть призвести до розшарування . Рекомендується використовувати матеріали від загальноприйнятих міжнародних брендів.
• Матеріал з неправильним типом Tg : Якщо температура паяльного профілю постійно перевищує допустиму для вашої основи, утворення бульбашок від розшарування — лише питання часу. Як зазначено вище, вибір відповідної основи з потрібним Tg може знизити ймовірність виникнення цієї проблеми.

4. Механічні та хімічні чинники

• Вигинання плати, неправильне поводження або удари призведуть до розшарування, особливо коли зв'язки вже ослаблені вологістю або теплом.
• Засоби для очищення, флюси та залишки паяльної маски, якщо їх неправильно очищено, можуть погіршити зчеплення між поверхневим шаром і основою, сприяючи розшаруванню.

Механічні та хімічні чинники, які зазвичай виникають на пізніх етапах повторної обробки та складання, викликані зовнішніми факторами.

Зведена таблиця: причини розшарування друкованих плат

Муть і тріщини на друкованій платі: пов'язані форми розшарування

Розшарування, муть і тріщини часто плутають, однак це різні дефекти друкованих плат — кожен зі своїм набором ризиків і причин. Ці проблеми з якістю впливають не лише на зовнішній вигляд плати, але й можуть серйозно погіршити її електричні характеристики та надійність.

Муть і дефекти друкованих плат

Муть — це утворення дуже малих білих плям розшарування, зазвичай у місцях перетину скловолокон у матеріалі основи друкованої плати. Вони виглядають як дрібні білі крапки під шаром сульфідної маски або ламінату і іноді помилково вважаються початковою стадією розшарування. Муть і розшарування друкованих плат пов’язані між собою, оскільки обидва явища виникають через руйнування ламінованих матеріалів, що найчастіше спричинене надлишком вологи в платі або поганими виробничими процесами.

• Мідні плями зазвичай виникають через окиснення або корозію металевого шару на поверхні друкованої плати (наприклад, мідного шару), наявність вологи або можуть бути спричинені неправильним покриттям чи обробкою поверхні, особливо коли плати піддаються різким тепловим змінам або термічним ударам під час паяння.
• Коли волога застрягає в основних матеріалах друкованої плати або коли матеріали неправильно затвердівають, з'являються маленькі білі плями. З часом ці плями можуть зростати, призводячи до більш серйозного розшарування, якщо їх не усунути.

Тріщини

Тріщинування характеризується сітчастим візерунком мікротріщин, що проходять через основний шар ламінату друкованої плати. Це зазвичай спричиняється втомою матеріалу, неправильним контролем тексту та графіки під час процесу паяння, а також неналежними механічними операціями, такими як погане свердління та різання. На відміну від білих плям (measling), які мають локальний характер, тріщинування часто охоплює більші площі, створюючи вигляд сітки або мережі під паяльною маскою. Хоча тріщинування не завжди призводить до розшарування, воно є видимим індикатором напруження і може послабити структурну цілісність плати.

Коли є занепокоєння щодо пов'язаних форм розшарування

• Білі плями (measling) і тріщинування можуть призвести до розшарування, якщо плату піддають подальшому термічному або механічному навантаженню, або якщо затрапезована волога розширюється під час складання чи експлуатації продукту.
• Плати, на яких утворюються дуже маленькі білі плями від розшарування, слід відокремити для додаткового огляду та тестування. Регулярно проводьте перевірку матеріалів або базові тести перед використанням.
• Шляхом застосування наукового підходу до проектування, виробництва та тестування можна значно знизити частоту виникнення цих проблем і підвищити надійність та довгострокову стабільність друкованих плат.

Швидка порівняльна таблиця: Меаслінг проти Крейзингу проти Розшарування

Наслідки та наслідкові явища розшарування друкованих плат

Друкована плата як високоточний електронний матеріал. Наслідки розшарування та пов'язані з ним форми у друкованих платах є далекосяжними, впливаючи на електричні, теплові та механічні аспекти пристрою. Найбезпосереднішим наслідком є погіршення механічних і електричних властивостей матеріалу, а також функціональна відмова.

Проблеми електричної продуктивності

Короткі замикання та обриви ланцюга є найпоширенішими, а також типовими діагностичними проявами, що найкраще відображають явище розшарування.

• Порушення цілісності провідника: Місця, де провідники або доріжки відокремлюються від основного матеріалу , ланцюги розриваються, що призводить до несправності пристрою або переривчастих несправностей.
• Короткі замикання та CAF: Розшарування може призводити до утворення нових шляхів для провідного анодного філаменту (CAF), які замикають контактні площадки або мідні доріжки.

Теплові та структурні наслідки

Часто під час процесу зварювання розшарування посилюється під впливом тепла. Або тріщини та деформації виникають через зовнішні механічні навантаження.

• Теплова ізоляція: Пухирі та зазори зменшують тепловіддачу, що призводить до перегріву та швидкого локального старіння компонентів поблизу зон розшарування.
• Механічна слабкість: Плата втрачає здатність гнутися або витримувати ударні навантаження, що призводить до утворення тріщин і подальшого масштабного розшарування.

Вологість та корозія

Вплив матеріалів основи, таких як FR-4 та CM-1, які поглинають вологу з повітря в умовах високої вологості.

• Затримана волога в друкованій платі не лише спричиняє розширення під час нагрівання, але й може прискорювати корозію, особливо в областях експонованих мідних переходів або доріжок у зоні розшарування.
• Багаторазове піддання високій вологості та погані умови зберігання матеріалів ламінату призводять до постійної деградації, що, у свою чергу, призводить до.

Вплив на термін служби та надійність продукту

Для великого виробника друкованих плат, навіть якщо оптимізація зовнішнього середовища та дотримання експлуатаційних норм дозволяють уникнути проблеми розшарування, однак у разі її виникнення це суттєво вплине на термін служби самої друкованої плати та надійність кінцевих продуктів.

• Розшарування та його різновиди (утворення плям, тріщин) скорочують ефективний термін служби друкованої плати, і навіть пристрої, які проходять початкові функціональні перевірки, можуть почати виходити з ладу через місяці чи роки, значно скоротивши термін експлуатації продукту.
• Ці приховані несправності можуть призвести до дорогих відкликань і пошкодження репутації бренду, оскільки пристрої несподівано виходять з ладу під час експлуатації.

Як дізнатися, чи пошкоджена друкована плата (симптоми та типи розшарування)

Найкращий спосіб усунути проблеми — це запобігти їм. Знання симптомів розшарування друкованих плат має важливе значення для раннього виявлення та усунення наслідків; ми можемо визначити проблему за такими ознаками.

Візуальні ознаки

• Потемніння під шаром лаку часто вказує на накопичення вологи або початкове розшарування.
• Випуклості або бульбашки на поверхневому шарі чи в точках внутрішніх з'єднань є прямими ознаками.
• Бульбашка від розшарування: Пухка або губчаста ділянка, яка виступає над поверхнею друкованої плати.
• Дрібні білі плями від розшарування: Вказують на утворення плям (measling), особливо після термічних циклів.

Електричні та функціональні ознаки

• Раптові або переривчасті відмови, особливо після того, як плата піддається циклам високої температури.
• Відмова ланцюгів після повторного паяння або очей хвильового паяння, що несподівано замикаються.
• Незвичайні показники опору або втрата цілісності на мідних слідах.

Механічні ознаки

• Плати демонструють незвичайне вигинання, гнучкість або відчуття «м’якості» при дотику до зон розшарування.

Чому і як виникає розшарування під час паяння та термічної обробки

Кожна друкована плата повинна пройти процес складання при високій температурі, але розшарування особливо ймовірне під час етапів складання при високій температурі, і кілька причин розшарування друкованих плат пов’язують проектування, матеріали та процес. Тому можна узагальнити, які ланки виробництва та проектування цієї плати потребують оптимізації.

Паяння та повторне плавлення як тригери

• Термічна обробка, така як паяння оплавленням і хвильове паяння, піддає плати температурам вище точки кипіння води (100°C), а іноді й понад 250°C. Ця температура є критичним мінімальним значенням для термостійкості друкованої плати.
• Волога, що залишилася всередині основи друкованої плати, випаровується, створюючи внутрішній тиск; ця ситуація виникає, коли є залишкова волога у внутрішньому шарі друкованої плати.
• Якщо тиск перевищує здатність клею утримувати шари, відбувається розшарування — особливо в найслабкіших місцях, таких як входи через отвори або краї мідних контактних майданчиків.

Поширені причини розшарування під час складання:

• Недостатній або неправильний показник Tg у матеріалах плівки (наприклад, використання матеріалу FR-4 з неправильним типом Tg для безсвинцевого паяння). У вимогах до технологічного процесу виготовлення друкованих плат особливо важливо вибирати відповідну специфікацію та модель основного матеріалу.
• Плати не піддаються попередньому випіканню або вакуумному запечатуванню, вони піддаються впливу вологості перед паянням. У сучасних виробничих процесах цей фактор ледь може вважатися причиною. Однак матеріали з відкритої упаковки слід використовувати якомога швидше, щоб уникнути втрат матеріалу.
• Низькоякісні основні матеріали друкованих плат, які вбирали вологу або деградували.

Чому може виникати масове розшарування

• Якщо розшарування починається в одній точці паяння, воно може поширюватися назовні, призводячи до масштабного розшарування, що впливає на кілька шарів основного матеріалу.

Типи випробувань для вимірювання розшарування друкованих плат

У галузі друкованих плат застосовуються суворі типи випробувань для вимірювання розшарування, що дозволяє проактивно виявляти дефекти та забезпечувати якість.

Основні методи випробувань

Методи запобігання розшаруванню та рішення

Захист від розшарування має комплексний характер і базується на проектуванні, зберіганні, обробці та навіть взаємовідносинах із постачальниками.

Вибір дизайну та матеріалу

• Після з'ясування кінцевих характеристик і призначення матеріалу виберіть матеріал FR-4 або альтернативні матеріали для друкованих плат із відповідною температурою склування (Tg) і стійкістю до вологи.
• Якщо продукт використовується в умовах високої вологості, під час збирання PCBA застосовуйте покращені смоли або наносіть захисні конформні покриття.

Контроль виготовлення та обробки

• Дотримуйтесь суворого контролю вологості в зонах зберігання та виготовлення, суворо дотримуйтесь правил і норм роботи.
• Прожарюйте всі плати для видалення вологи перед паянням, особливо перед високотемпературним або багатопрохідним збиранням.
• Перевіряйте постачальників щодо можливості відстеження сировини та вимагайте матеріали з правильним типом Tg.

Найкращі практики збирання

• Використовуйте правильні профілі, щоб поверхневий шар друкованої плати та мідь ніколи не перевищували рекомендовані виробником значення.
• Дозволяйте охолоджуватися між термоциклами, щоб мінімізувати втомне розширення/стискання.

Безпечна обробка

• Навчіть персонал обережній роботі, використовуйте рукавички, щоб уникнути мікротріщин.
• Регулярно перевіряйте наявність плям, бульбашок і незначних розшарувань; як тільки буде виявлено будь-які аномальні матеріали, їх слід негайно віднести до зони непридатних матеріалів і заборонити їх зберігання.

Контроль середовища

• Використовуйте склади з контрольованим кліматом для зберігання ламінованих матеріалів.
• Контролюйте за допомогою датчиків вологості та температури, щоб уникнути поглинання вологи.

Кроки відновлення розшарування PCB

Якщо виникло розшарування, функцію деяких матеріалів все ще можна відновити за допомогою професійного ремонту:

• Діагностуйте за допомогою візуального огляду або акустичної мікроскопії (SAM).
• Припиніть подальше обробляння (щоб запобігти поширенню бульбашок або зазорів).
• Обережно очистіть ділянку — уникайте агресивних чистячих засобів, які розчиняють клеї.
• Просвердліть невеликий компенсаційний отвір за необхідності, щоб ввести епоксидну смолу в розшаровану ділянку.
• Введіть високоякісний епоксид і прикладіть стискуючий тиск.
• Просушіть при контрольованій температурі, щоб відновити адгезію.
• Повторно перевірте за допомогою тестів електричної провідності та на міцність.

Поширені запитання

Питання: Яка основна причина розшарування сучасних багатошарових друкованих плат?

Відповідь: Основними факторами, що можуть призводити до розшарування сьогодні, є неконтрольована вологість у матеріалі друкованої плати та під час зберігання, використання матеріалів фольгованого діелектрика з неправильним або недостатнім значенням температури склування (Tg) для процесу складання, а також погана практика виготовлення чи ламінування.

Питання: Як можна запобігти розшаруванню, якщо друковані плати мають пройти кілька циклів паяння або переділу?

Відповідь: Використовуйте матеріал плати з високим значенням Tg, уважно контролюйте вологість, герметизуйте вакуумом між процесами та просушуйте плати перед повторним нагріванням.

Питання: Чи кожна потемніла ділянка чи бульбашка вказує на критичне розшарування?

A: Не кожне візуальне відхилення вимагає утилізації. Невеликі білі плями розшарування (мереживність) не завжди призводять до розшарування, але слід постійно стежити за їх поширенням. Зміна кольору часто свідчить про затримку вологи — усуніть основну причину, перш ніж продовжувати складання.

Питання: У чому різниця між мереживністю, тріщинуватістю та розшаруванням?

A: Мереживність — це утворення невеликих білих плям, тріщинуватість проявляється у вигляді мережі тонких тріщин, а розшарування відбувається тоді, коли фізично відокремлюються шари плівки друкованої плати або виникають пухирі між міддю та основою.

Питання: Чи можуть неправильні засоби для очищення спричинити розшарування?

A: Так — особливо агресивні розчинники можуть погіршити адгезію на поверхневому шарі друкованої плати або між шарами, що згодом призведе до розшарування.

Питання: Чому деякі ділянки плати розшаровуються частіше, ніж інші?

A: Розшарування часто починається в точках термічного або механічного напруження — краях, групах переходів або навколо місць паяння, особливо там, де щільність провідників висока або де шари мають нижчу адгезійну міцність.

Питання: Які види випробувань мають бути включені до нашого входного та вихідного контролю якості для друкованих плат?

A: Використовуйте мікроперетинний аналіз, ТМА, ІСВ, САМ і тестування на плавлення при паянні для вимірювання потенційного та наявного розшарування у всіх критичних партіях. Завжди документуйте типи відмов і відстежуйте тенденції.

Висновок та нагадування найкращих практик

Друкована плата — це електронний матеріал, оброблений із високою точністю. Він має дуже високі вимоги та стандарти щодо вибору матеріалів і їх зберігання, контролю процесів, а також вакуумного пакування та зберігання готової продукції. Розшарування — це складний механізм відмови, спричинений вологістю, неправильним вибором матеріалів, поганими виробничими процесами та неналежною термічною обробкою. Трагедії, такі як масове розшарування, раптові відмови в експлуатації та випадки відкликання продукції, всі походять від цих основних причин розшарування друкованих плат; після виявлення проблеми слід обрати відповідне рішення та максимально мінімізувати збитки.

Ваш контрольний список для запобігання розшаруванню:

• Завжди використовуйте правильні матеріали для плат, які мають належний, сертифікований показник Tg для ваших конкретних температур процесу.

• Суворо контролюйте умови та місце зберігання ламінованих матеріалів і переконайтеся, що всі друковані плати — що надходять або відправляються — обробляються згідно зі суворими кліматичними правилами.

• Налаштуйте моніторинг вологості та не пропускайте етап попереднього випікання, особливо для плат, які могли вбирати вологу.

• Обирайте постачальників із належними сертифікатами якості їхніх процесів і матеріалів та регулярно перевіряйте їхню роботу.

• Навчайте кожну людину, яка обробляє або збирає плати, що таке розшарування і як його запобігти — це означає навчити їх виявляти та повідомляти про будь-що, що виглядає або поводиться незвично.

• Проводьте надійні та ефективні тести на наявність розшарування в рамках звичайних перевірок процесу та фінального контролю якості.