Delaminacja PCB: lekcja dla zaawansowanych

Jedna z firm EMS w następujący sposób opisała swój problem z delaminacją PCB. Najpierw nieobsadzone płytki wygrzewano w temperaturze 100°C przez sześć godzin. Następnie PCB zanurzono w maszynie HASL w temperaturze 250°C na 10 sekund i nie obserwowano wówczas problemów z rozwarstwianiem. Również na dalszym etapie, lutowania na fali, prowadzonego przy minimalnej prędkości przenośnika, nie występowały problemy z delaminacją. Pojawiały się one dopiero  w dużych ilościach na etapie lutowania rozpływowego, prowadzonego w temperaturze 217- 230°C.

Sprawie przyjrzał się Richard Stadem z General Dynamics AIS, który równocześnie jest jednym z autorów normy IPC-1601, poruszającej problemy wygrzewania komponentów. Jego zdaniem, 6 godzin w temperaturze 100°C może nie wystarczyć do usunięcia wystarczającej ilości wilgoci. Generalną zasadą według Stadem’a jest usunięcie 80% wilgoci z PCB: po osiągnięciu tego progu, generalnie nie powinno występować już zjawisko rozwarstwiania się płytki. Temperatura wrzenia wody to jak powszechnie wiadomo 100°C, tak więc aby zmienić wilgoć w parę i stopniowo ją usunąć należy wygrzewać nieco powyżej tego progu. ‘Kluczowym słowem jest stopniowo. Wykonywanie tego zbyt szybko (np. podczas procesu reflow) powoduje gwałtowne wypieranie wilgoci z PCB, a tym samym uszkodzenia rozszerzające się w osi pionowej, czyli właśnie rozwarstwienie lub pękanie’. Autor rekomenduje tempo narastania temperatury w procesie reflow nie większe niż 1°C na sekundę.

Cenną uwagę w dyskusji wnosi też Tom Salzer z Hermetric, Inc.. Jego zdaniem, proces wygrzewania może być nawet całkowicie nieskuteczny, jeśli piec nie jest odpowiednio wentylowany. Oznacza to, że szczelny piec może w ogóle nie działać, piec wentylowany będzie znacznie lepszy, a piec próżniowy - najlepszy.

Richard Stadem zwraca również uwagę na kolejne niezwykle ważne zagadnienie w walce z delaminacją, czyli na jakość samej płytki: ‘Co więcej, sam pre-preg PCB też często jest problemem. Jeśli zastosowany laminat jest złej jakości, a między warstwami lub w samych warstwach wewnątrz laminatu występują nierówności epoksydu, tworzą się pewnego rodzaju powietrzne pustki. Żadne wygrzewanie nie jest w stanie usunąć tych powietrznych ‘kieszeni’ i po procesie wygrzewania poziom wilgotności może w godzinę lub dwie powrócić do poprzedniego poziomu nasycenia’.

Aby maksymalnie zmniejszyć ryzyko ponownego nasycenia płytki wilgocią, należy maksymalnie skrócić czas pomiędzy wygrzewaniem a procesem reflow. Jeśli natomiast nie ma takiej możliwości, po wygrzewaniu płytki należy przechowywać bądź w specjalistycznym, nieprzepuszczającym wilgoci opakowaniu, w szafie MSD.

David Duross z The Bare Board Group grupuje swoją wiedzę na ten temat w cztery podpunkty.

1. Należy się bezwzględnie upewnić, czy usunięto całą wilgoć. Najlepszym sposobem na odpowiedź na to pytanie jest ważenie płytek na dokładnej wadze. Należy wygrzewać próbkę przez określony czas w zadanej temperaturze, ważyć ją i ponownie wygrzewać aż do momentu, kiedy dalsze wygrzewanie nie skutkuje kolejną utratą wagi. Tym sposobem ustawia się jednocześnie cały proces wygrzewania: suma czasu poświęconego w tej próbie stanowi  minimalny czas wygrzewania.

2. Należy zadać sobie pytanie, jaka jest właściwa temperatura wygrzewania? Istotnym czynnikiem do rozważenia w tym zakresie są normy UL, w ramach których każdy produkt ma określoną maksymalną, ciągłą temperaturą  roboczą, czyli MOT (maximum continuous operating temperature). Jeśli na przykład większość komponentów ma MOT na poziomie 130° C, lecz jeden z nich ma MOT na poziomie 120°C, wówczas górna granica temperatury wygrzewania 120°C. Powyżej MOT materiały teoretycznie zaczynają ulegać przemianom. Należy też pamiętać o ewentualnych niedoskonałościach samego pieca: jeśli ma on tolerancję +/- 5°C od wartości nastawy, wtedy temperatura wygrzewania będzie wynosić 115 +/- 5°C. Należy też pamiętać, że po otwarciu drzwiczek pieca i załadowaniu nieogrzanym produktem temperatura pieca nieco spadnie – odliczanie czasu powinno zacząć się dopiero wtedy, gdy piec osiągnie zadaną temperaturę.

3. Jednym z zagadnień jest utlenianie powierzchni płytki i jego wpływ na lutowność. Długotrwałe wygrzewanie może obniżyć te właściwości i pożądane jest przeprowadzenie próby lutowności PCB po wygrzewaniu jako elementu ogólnego procesu kwalifikacji.

4. Ostatnim zagadnieniem jest wytrzymałość mechaniczna laminatu. Stack płytki może być tworzony za pomocą różnych metod, charakteryzujących się różną siłą mechanicznego połączenia. Wysoka temperatura podczas przechodzenia płytki przez kolejne etapy linii montażowej może powodować dodatkowe naprężenia mechaniczne, będące potencjalną przyczyną rozwarstwienia mechanicznego. Pod wpływem ciepła materiały rozszerzają się w różnym tempie, a co więcej, może zajść sytuacja, w której różne obszary płytki zwiększają swoją temperaturę w różnym tempie. Czynniki te obciążają produkt mechanicznie podczas procesu montażu. Modyfikacja procesu montażu w celu umożliwienia wstępnego nagrzewania produktu przez nieco dłuższy czas pomoże zminimalizować szok termiczny i naprężenia, co w efekcie pomoże to zmniejszyć występowanie defektu rozwarstwienia mechanicznego.

Zdjęcie tytułowe: © ASYS