Какие повреждения наносит процесс сборки печатной плате?

(из материалов технического директора компании «NCAB Group USA» Дэвида Дюросса)

29 января 2022 года

В приводимом сообщении затронуто влияние влаги на печатную плату.

Многие не представляют, что печатная плата (ПП) — гигроскопична. ПП абсорбирует доступную, окружающую влагу до точки равновесия. В различных технических данных подложек FR-4 приведены значения абсорбции. Значения рассчитываются по стандарту IPC-TM-650 2.6.2.1A. Для тестирования используется прямоугольный кусочек FR-4, без меди, отверстий, с гладкими, зачищенными кромками. Первый образец подготавливается сухой сушкой. Это удаляет любую остаточную влагу. Сразу, после сухой сушки, образец взвешивают. Это будет сухой вес. Затем образец замачивают в дисциллированной воде на 24 часа. После — вынимают, высушивают полотенцем и взвешивают. Это — влажный вес. Значения сухого и влажного веса подставляют в формулу, приведённую в стандарте спецификации 2.6.2.1A для получения величины абсорбции влаги.

Значение, приведённое в спецификации материала FR-4, касается только его образца. Оно не отражает величины, которую видим на реальной ПП. Испытуемый образец это твёрдый, гладкий, прямоугольный блок, который может быть зачищен в 6 плоскостях для сглаживания кромок. Изготовленная ПП имеет гораздо больше открытых мест, через которые абсорбируется влага. В процессаз сверления отверстий, скоринга и фрезерования материал повреждается по краям при механической обработке. Количество поврежденийзависит от производственного процесса и использумой подложки FR-4 для изготовления платы. Повреждения способствуют абсорбции влаги. В спецификациях материалов FR-4 приводится только минимально возможная абсорбция влаги. У готовой платы эта величина выше из-за обработки и процесса производства.

Что следует предпринять в таком случае?

Если влага не отслеживалась должным образом, то — многое.

С существенной проблемой, с которой сталкиваются сборщики, это — электростатический разряд (ESD). Электростатика может повредить электронное устройство и компоненты, получив мгновенный отказ или достаточно испортить, чтобы устройство отказало в полевых условиях. Используется контроль окружающей среды и влажности для минимизации статического заряда, возникающего в рабочей зоне. В некоторых контрактных производствах используется системы запотевания для нагнетания влаги на рабочее место сборщика. Дело в том, что монтажники работают во влажной атмосфере. Распаковав плату и поместив её на сборочный участок, она начинает абсорбировать влагу. Величина влагопоглощения зависит от временного периода нахождения платы в таком окружении.

Как много влаги абсорбирует ПП зависит от нескольких параметров:

• зоны относительной влажности;
• времени нахождения в зоне;
• процесса производства ПП;
• типа используемого материала FR-4;
• уровня влажности в поступившей ПП.

Сухая сушка ПП до поставки рассматривается некоторыми изготовителями ПП как вариант. Они могут не подсушивать ПП пока не потребуют. Если есть сомнения, то следует поинтересоваться у производителя о том, какова их политика или затребовать осуществления сухой сушки.

Влажность ПП становится проблемой, когда ПП подвергается сборке при температурах пайки. Гигроскопичный материал, содержащий влагу, подвергается стрессу при нагреве. Влага расширяется при нагревании. Стресс при расширении определяется как коэффициент гигроскопического расширения (СНЕ). Он может также соотноситься с коэффициентом влажного расширения (СМЕ). В материалах спецификаций на FR-4 не приводятся данные по коэффициентам СНЕ/СМЕ. Важно понимать, что материалы, содержащие влагу, расширяются при нагревании. Проникновение влаги происходит с различными скоростями. Это оказывает стрессовое воздействие на подложку.

Что наиболее плохого может произойти? — Расслоение!

Если будет достаточное влагонасыщение, то FR-4 расслоится. Влага при температуре пайки испарится и расширится. Расслоение из-за расширения влаги считается механическим повреждением. Стресс превышает механические связи подложки и величину гибкости. Расслоение произойдёт в самой слабой точке, содержащей больше влаги. Зоны повреждения могут охватывать соприкосновение препрега с медью, препрег с сердечником или между листами препрега. Расслоение может распространяться от просверленного отверстия или других критичных точек. Фенольное отверждение эпоксида может стать механически слабее, чем у подобных систем. Фенольные подложки могут быть более восприимчивы к расслоению от влаги из-за этого свойства.

Загиб и скручивание

Если присутствует влага, а конструктив платы не сбалансирован, то плата начнёт непредсказуемо расширяться, загибаясь и скручиваясь. Как это возможно? Важно понять, что температуры сборки превышают температуру стеклования FR-4 (Tg). Ниже её эпоксид твёрдый, выше — эпоксид становится мягким и пластичным. Медь при нагревании расширяется медленно, с умеренной скоростью (19·10−6/ºС), и она — не гигроскопичный материал. Когда эпоксид нагрет выше Tg, то он становится мягким и пластичным. Ниже Tg скорость расширения эпоксида составляет 25·10−6/ºС. Выше Tg — скорость расширения эпоксида — 250·10−6/ºС. В конструктиве ПП расширение меди даже не предусмотрено. Материалы будут расширяться с различными скоростями. Область конструктива с небольшим количеством меди расширяется с большей скоростью, чем область платы с большим количеством меди. Эпоксид, будучи мягким и пластичным, загибается и скручивается между различными материалами. При охлаждении платы ниже Tg эпоксид становится твёрдым снова. Если плата загибается и скручивается при охлаждении ниже Tg, то плата зафиксируется в такой форме. В сухом состоянии ПП загибается и скручивается в малой степени. Абсорбированная FR-4 влага расширяется с большей скоростью, чем эпоксид и медь. Влага может увеличить загиб и скручивание.

Как свести к минимуму воздействие влаги при сборке?

Если нет уверенности в содержании влаги в ПП, то нужно сделать сухую сушку ПП перед монтажом компонентов и до теплового воздействия температур пайки. Наилучший способ — сушка в шкафу при низких температурах продолжительное время. Для ПП температура должна быть выше 100ºС для существенного испарения влаги. Устранение влаги до температур сборки снимает воздействие её на сборочный процесс.

*************************

Компания «БалтМедиа Партнёр», находясь во взаимодействии с изготовителем, помогает на российском рынке внедрению и освоению разработки компании «Ikeuchi Europe» в сборочно-монтажном производстве печатных плат — сухое увлажнение «AKIMist „E“». Обеспечивается технологическое сопровождение и консультирование производителей электроники по возникающим вопросам для выпуска качественной продукции.

Более подробно см. инфо на сайте — раздел «Новости»: 09.08.2021, 19.02.2021, 07.08.2020, 01.07.2020, 27.05.2020, 20.04.2020, 30.03.2020, 13.11.2019, 28.08.2019 (https://bmptek.ru/news/) — или по запросу.

По возможному сотрудничеству в технологиях сборочно-монтажного производства и изготовления печатных плат просьба использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206

Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502

Электронная почта: office@bmptek.ru

https://bmptek.ru

http://facebook.com/valerydic2021/

Управляющий проекта — Алексей Леонов