Wróć

Czym jest pad cratering i jak go unikać?

Artykuł prezentuje mechanizm powstawania prowadzącego do odrywania się padów defektu pad crateringu, wyjaśnia różnice pomiędzy pad cratering'iem a delaminacją oraz prezentuje metody zapobiegania temu niekorzystnemu zjawisku.
Opublikowano: 2021-09-14

Materiał prezentuje streszczenie artykułu 'Novel Approaches for Minimizing Pad Cratering', autorstwa Chen Xu oraz Yunhu Lin z Alcatel-Lucent oraz Yuan Zeng i Pericles A. Kondos z

Unovis-Solutions.

Zjawisko pad cratering definiuje się jako uszkodzenia laminatu występujące pod padami przygotowanymi pod komponenty SMD, będące przyczyną odrywania się padu od laminatu. Zazwyczaj, źródłem pęknięcia jest dynamiczne zdarzenie mechaniczne. Pod wpływem naprężeń zewnętrznych, początkowe pęknięcie rozchodzi się dalej w laminacie, obejmując często również ścieżki przewodzące, co w konsekwencji skutkuje otwarciem obwodu elektrycznego. Określenie pad cratering, które można by dosłownie przetłumaczyć jako ‘powstawanie krateru’ wzięło się stąd, iż w przypadku bardzo rozległych pęknięć pad może nawet odłączyć się całkowicie od PCB, pozostawiając po sobie ‘krater’. Chociaż generalnie nie jest to powszechny problem, można stwierdzić, iż pad cratering częściej występuje w procesie bezołowiowym niż ołowiowym, głównie ze względu na użycie różnych laminatów. Natomiast jeśli chodzi o podejście do unikania tego zjawiska, strategie postępowania opierają się albo na zmniejszeniu naprężeń w samym laminacie, albo na użyciu mocniejszego i bardziej odpornego materiału.

Defekt pad cratering. Żródło: 'Pad cratering: Reliability of assembly level and joint level'

W celu zmniejszenia naprężeń wewnątrz laminatu stosuje się kilka metod, w tym zwiększenie efektywnego rozmiaru padu poprzez zastosowanie padów definiowanych w masce lutowniczej, użycie kleju w narożnikach komponentów a także nakładanie ścisłych ograniczeń dotyczących uginania płytek podczas procesu montażu PCB (np. podczas testów ICT). Zasadniczym jednak podejściem do unikania tych defektów jest zastosowanie laminatów o zwiększonej odporności na pad cratering. Zwiększenie wytrzymałości i odporności na to zjawisko samego materiału laminatu okazało się trudne i w przypadku najpopularniejszych bezołowiowych laminatów na bazie żywic epoksydowych osiągnięto jedynie bardzo niewielki postęp w tym zakresie. Ze względu na wyższą wytrzymałość wewnętrzną, poliimid ma wyższą odporność pad cratering niż laminaty epoksydowe. Jednak w porównaniu z szeroko stosowanymi laminatami epoksydowymi, poliimid jest droższy i trudniejszy w obróbce. Jako kompromis stosuje się poliimid jedynie jako warstwę zewnętrzną bardziej złożonych stack-up’ów: w porównaniu z użyciem wyłącznie laminatów epoksydowych, hybrydowa struktura utworzona przez zastosowanie laminatu epoksydowego jako warstw wewnętrznych i poliimidu jako warstw wierzchnich poprawia odporność płyty na pad cratering.

Delaminacja to nie pad cratering

Ze względu na wyższą temperaturę rozpływu wymaganą do procesu montażu przy użyciu bezołowiowych stopów lutowniczych, wiele laminatów stosowanych od lat w montażu ołowiowym miałoby permanentny problem z rozwarstwianiem, gdyby były używane do montażu bezołowiowego. Zazwyczaj delaminacja występuje w warstwach wewnętrznych, rzadziej w zewnętrznych, a jej pierwotną przyczyną jest nierównomierny rozkład naprężeń między warstwami podczas procesu montażu. Autorzy artykułu ‘Novel Approaches for Minimizing Pad Cratering’ przebadali rozkład rozwarstwienia w 20-warstwowej PCB - przebadali 153 próbek z 32 różnych laminatów. Stwierdzono, że większość rozwarstwień wystąpiła w warstwach znajdujących się blisko środka stosów, a w warstwach zewnętrznych nie zaobserwowano wręcz żadnych przypadków rozwarstwienia. Ze względu na dużą skłonność do delaminacji wewnętrznych warstw w warunkach montażu bezołowiowego, w ostatnich latach opracowano laminaty o zwiększonej odporności na ciepło, lepiej dostosowane do procesu bezołowiowego. Niestety, nowa generacja laminatów jest również bardziej krucha niż laminaty dedykowane do procesu ołowiowego, co przełożyło się na nasilenie występowania pad crateringu.

Pad cratering

W przeciwieństwie do rozwarstwień występujących  w warstwach wewnętrznych, pad cratering występują tylko na warstwach powierzchniowych (różnicę tę ilustruje Rysunek 1).

Rysunek 1: Różnica pomiędzy pad crateringiem a delaminacją. Żródło: © 'Novel Approaches for Minimizing Pad Cratering’

Strona: 1/2
https://pbtechnik.com.pl/pl/produkty/wyposazenie-produkcji/stacje-naprawcze
https://pbtechnik.com.pl/pl/produkty/wyposazenie-produkcji/stacje-naprawcze