Wilgoć w PCB: lekcja dla zaawansowanych (cz.2) Defekty PCB

Ze względu na dipolowy charakter wody, wilgoć wewnątrz PCB prowadzi do zmian właściwości dielektrycznych materiałów, z jakich wykonana jest płytka. Poniżej znajduje się kilka przykładowych cytatów i uwag z wcześniejszych opracowań, opisujących wpływ wilgoci na PCB: ‘Wchłanianie wilgoci wewnątrz laminatu  powoduje pęcznienie żywicy, co prowadzi do obniżenia temperatury zeszklenia. Ponieważ procesy pęcznienia są odwracalne, pierwotną temperaturę zeszklenia można ponownie osiągnąć po wysuszeniu’. [1]

‘Wilgoć zmniejsza odporność na pękanie i zmniejsza współczynnik sprężystości [tzw. moduł Younga] polimerów, sprzyjając propagacji pęknięć. Podobnie zmieniają się parametry lepko-sprężyste. [2]

Akumulacja wody na granicy faz ciecz/gaz lub zmiana stanu skupienia z ciekłego w gazowy występuje tylko wtedy, gdy faktycznie istnieją puste przestrzenie, w których wilgoć mogłaby się gromadzić. W zasadzie jednak wilgoć jest rozprowadzana w postaci cząsteczek wody w stałym polimerze, w ilościach zależnych od zdolności absorpcji wilgoci przez dany materiał, gromadząc się zwykle w warstwach granicznych.

Wilgoć może zatem być przyczyną powstawania defektów PCB poprzez odgazowanie lub degradację tworzyw sztucznych. W przypadku poliimidu może prowadzić do pogorszenia wiązań poprzez hydrolizę na ich powierzchni [3]. W warstwach styku, takich jak klejone warstwy, siły przyczepności mogą być zmniejszone, co może być również przyczyną rozwarstwienia z powodu naprężeń termicznych i różnej rozszerzalności materiałów.

Dopuszczalny poziom wilgoci

Wiele PCB wytrzymuje naprężenia powstające w procesie lutowania rozpływowego bez uszkodzeń, przy czym należy podkreślić, że obniżenie temperatury szczytowej nawet o kilka stopni wyraźnie zmniejsza wystepujące naprężenia. Wyjątkiem są materiały szczególnie wrażliwe na wilgoć, takie jak te stosowane do elastycznych i sztywno-giętkich płytek drukowanych. W tych przypadkach, zaleca się określenie granicznej zawartości wilgoci, specyficznej dla konkretnego produktu za pomocą badań.

Nie ma ogólnie obowiązującej maksymalnej zawartości wilgoci i jej limit musi być określany osobno dla każdego układu PCB. Zasadniczo jednak, zawartość wilgoci zależy od następujących czynników:

• Rodzaj zastosowanych materiałów bazowych

• W przypadku wielowarstwowych płytek drukowanych, od struktury warstw

• Layout, tj. układ miedzianych ścieżek na płytce

• Profil lutowania i inne obciążenia termiczne

Jeżeli wcześniej określona maksymalna zawartość wilgoci zostanie przekroczona, przed procesami o wysokich temperaturach wymagany jest kontrolowany proces suszenia. Rzeczywistą zawartość wilgoci można określić metodą 2.6.28 opisaną w IPC-TM-650.

Określenie krytycznej, specyficznej dla produktu granicy wilgotności jest możliwe i ma sens tylko wtedy, gdy układ miedzi nadaje się do suszenia. Pomiar wilgotności za pomocą pomiarów wagi przedstawia średnią arytmetyczną i nie ma sensu, jeśli wilgoć nie może w ogóle uciec ze względu na obecność dużej miedzianej powierzchni (szerzej o tym mówiliśmy w poprzednim odcinku).

Obciążenia termiczne

Ze względu na zakaz stosowania ołowiu i przejście na procesy lutowania bezołowiowego o wyższych temperaturach szczytowych, wygrzewanie płytek stało się coraz częstszą koniecznością, nawet w przypadku standardowych wielowarstwowych konstrukcji  wykonanych z FR4. Im wyższy jest stres temperaturowy w procesie lutowania, tym większe jest ryzyko powstania defektów. W szczególności dotyczy to materiałów bardziej wrażliwych na wilgoć lub higroskopijnych, tj. pochłaniających więcej wilgoci niż standardowy FR4. Przykładami są włókna aramidowe, FR4 o wysokiej temperaturze Tg czy zwłaszcza poliimid, stosowane w elastycznych i sztywno-giętkich PCB. W przypadku tych ostatnich, wygrzewanie płytek przed lutowaniem jest obowiązkowe i zwykle odbywa się bezpośrednio przed montażem.

W skrajnych przypadkach, nawet niewielkie różnice profilu lutowania mogą decydować o różnicy pomiędzy poprawnym procesem montażu a powstaniem defektu. Z tego punktu widzenia, istotne jest przewidzenie marginesu bezpieczeństwa przy ustalaniu parametrów procesu lutowania. W zależności od procesu montażu, naprężenia termiczne mogą w nim występować kilkukrotnie:

a. Wygrzewanie maski lutowniczej

b. Suszenie PCB przed procesem lutowania, np. 4 godziny w 120°C

c. Podgrzewanie wstępne PCB w 180°C oraz lutowanie rozpływowe w 230-250°C

d. Utwardzanie kleju do dwustronnego montażu SMD

e. Ponowne podgrzewanie PCB w temperaturze 200°C i kolejne lutowanie rozpływowe w 230-250°C

f. Lutowanie na fali w temperaturze 250-270°C

g. Lutowanie selektywne na fali

h. Przeróbki i naprawy (szczególnie niebezpieczne jest lutowanie ręczne)

W tym miejscu należy szczególnie podkreślić, że należy zapewnić wystarczająco niski poziom wilgotności również w przypadku lutowania podczas przeróbek i napraw. Najczęściej przed przeróbką czy naprawą, płytka spędza sporo czasu w niezbyt optymalnych, tj. zawierających wilgoć, warunkach otoczenia. Naprawiana płytka może nawet zawierać więcej wilgoci niż niezmontowana płytka PCB, dostarczana dopiero do procesu produkcji.

W każdej płytce drukowanej, stanowiącej mieszankę różnych materiałów, znaczny wzrost temperatury prowadzi do naprężeń spowodowanych ich różnymi współczynnikami rozszerzalności termicznej. W związku z tym występuje niedopasowanie rozszerzalności, zwane również ‘niezgodnością CTE’ (coefficient of thermal expansion). Poprzez wzmocnienie żywicy epoksydową tkaniną z włókna szklanego, co ma miejsce w przypadku FR4, jest on dobrze dostosowany do rozszerzania się miedzi w płaszczyźnie X/Y, ale nie w osi Z. W takim przypadku miedziany korpus metalizowanego otworu poddawany jest silnym naprężeniom, na przykład podczas procesu lutowania. Im silniejsze jest niedopasowanie CTE i im wyższe są temperatury lutowania, tym większe naprężenie termomechaniczne, co wpływa na powierzchnie styku.