У статті представлено механізм утворення кратерів контактних площадок, що призводить до відшарування, пояснено відмінності між утворенням кратерів контактних площадок та розшаруванням і представлено методи запобігання цьому несприятливому явищу.
Явище утворення кратерів контактних площадок (pad cratering) визначається як тріщина ламінату під контактними площадками, підготовленими для SMD-компонентів, що призводить до від’єднання площадки від ламінату. Як правило, джерелом тріщини є динамічна механічна подія. Під впливом зовнішніх навантажень початкова тріщина поширюється далі в ламінаті, часто також включаючи провідні доріжки, що, як наслідок, призводить до розмикання електричного кола. Термін pad cratering, який можна буквально перекласти як «утворення кратера», походить від того факту, що у випадку дуже великих тріщин контактна площадка може навіть повністю від’єднатися від друкованої плати, залишаючи «кратер». Хоча загалом це не є поширеною проблемою, утворення кратерів частіше трапляється в безсвинцевих процесах, головним чином через використання різних ламінатів. Що стосується підходів до уникнення цього, стратегії ґрунтуються або на зменшенні навантаження на ламінат, або на використанні більш міцного та стійкішого до утворення кратерів матеріалу.
Дефект утворення кратерів (pad cratering).
Для зменшення навантаження на ламінат використовується кілька методів, зокрема збільшення ефективного розміру контактної площадки за допомогою контактів, визначених паяльною маскою, використання клею в кутах компонентів і встановлення суворих обмежень на прогин плати під час процесу монтажу (наприклад, під час ICT тестування). Однак основним підходом до уникнення цих дефектів є використання ламінату з підвищеною стійкістю до утворення кратерів. Підвищення міцності та стійкості до цього явища самого матеріалу ламінату виявилося складним, і лише дуже незначний прогрес був досягнутий у випадку найпопулярніших безсвинцевих ламінатів на основі епоксидної смоли. Завдяки вищій внутрішній міцності поліімід має вищу стійкість до утворення кратерів, ніж епоксидні ламінати. Однак, порівняно з епоксидними ламінатами, які широко використовуються, поліімід дорожчий і складніший в обробці. В якості компромісу поліімід використовується лише як зовнішній шар складніших структур: порівняно з використанням лише епоксидних ламінатів, гібридна структура, створена за допомогою використання епоксидного ламінату як внутрішніх шарів і полііміду як зовнішніх шарів, покращує стійкість плати до утворення кратерів.
Розшарування – це не утворення кратерів
Через високу температуру оплавлення, необхідну для процесу монтажу з використанням безсвинцевих припоїв, багато ламінатів, які роками використовуються для монтажу з використанням свинцю, матимуть постійну проблему розшарування, якщо їх використовувати для монтажу без свинцю. Як правило, розшарування відбувається у внутрішніх шарах, рідше у зовнішніх, і його першопричиною є нерівномірний розподіл напруги між шарами в процесі монтажу. Автори статті «Нові підходи до мінімізації утворення кратерів контактних площадок» досліджували розподіл розшарування в 20-шаровій друкованій платі – вони протестували 153 зразки з 32 різних ламінатів. Було виявлено, що більша частина розшарування відбувалася в шарах, розташованих близько до центру плати, і не спостерігалося у зовнішніх шарах. Через високу тенденцію до розшарування внутрішніх шарів за умов монтажу без свинцю останніми роками були розроблені ламінати з підвищеною термостійкістю, які краще підходять для процесу без свинцю. На жаль, ламінати нового покоління також є більш крихкими, ніж ламінати, призначені для свинцевого процесу, що призвело до збільшення кількості кратерів на контактних площадках.
Виникнення кратерів контактних площадок
На відміну від розшарування, що відбувається у внутрішніх шарах, утворення кратерів відбувається лише в поверхневих шарах (різниця показана на малюнку 1).
Малюнок 1: Різниця між утворенням кратерів і розшаруванням.
Через явну різницю в розташуванні розшарування та дефектів утворення кратерів, пропонується використовувати різні матеріали ламінату в цих двох областях, щоб пом’якшити два абсолютно різні механізми руйнування:
- Термостійкі ламінати, адаптовані до безсвинцевого процесу, які можуть бути схильні до утворення кратерів, слід використовувати в шарах від 2 до n-1 друкованих плат, щоб мінімізувати/усунути проблеми розшарування.
- Стійкі до утворення кратерів ламінати, які можуть бути чутливі до розшарування під час пайки без свинцю, слід використовувати для двох зовнішніх шарів (1 і n шарів) для запобігання утворенню кратерів.
Прикладом такої гібридної структури може бути використання епоксидного ламінату, який зазвичай є більш стійким до утворення кратерів (але схильний до розшарування), як зовнішнього шару, у поєднанні з фенольним епоксидним ламінатом як внутрішнім шаром. Ця комбінація запобігає утворенню кратерів у зовнішніх шарах і розшаруванню у внутрішніх шарах. Ще одна очевидна перевага цієї комбінації полягає в тому, що епоксидна смола, що стає твердою методом dicy (Dicyandiamide), і епоксидна смола, що стає твердою фенолом, мають дуже подібні хімічні та електричні властивості, і тому, на відміну від комбінації полііміду та епоксидної смоли, вони не мають проблем із сумісністю.
Механізм утворення кратерів
Вважається, що утворення кратерів на контактній площадці виникає внаслідок розтріскування крихкого ламінату під впливом зовнішніх механічних (у тому числі термомеханічних) навантажень. Для того, щоб зрозуміти причини розтріскування ламінату, необхідно виділити так звану «механіку руйнування» замість класичної «механіки матеріалів». У класичній механіці здатність матеріалу витримувати напругу визначається балансом між прикладеним зовнішнім напруженням і внутрішніми властивостями матеріалу, такими як межа текучості або міцність на розтяг. У механіці руйнування, на додаток до зовнішнього напруження та властивостей матеріалу, слід враховувати третій параметр – фізичні дефекти, як місце ініціації руйнування. Альтернативна стратегія уникнення явища утворення кратерів базується на усуненні місць потенційного утворення тріщин.
Загалом можна зробити висновок, що наявність невеликих дефектів у матеріалах може різко збільшити концентрацію напруги в цьому конкретному місці, ініціюючи появу тріщини за умов застосування набагато меншого зовнішнього напруження, ніж у повністю бездефектному стані. Виникнення такого типу механізму ініціації легко уявити, згадавши приклад різання скла. Скло є міцним, але крихким матеріалом і дуже чутливе до «крихкого» руйнування. Найпростіший спосіб розрізати шматок скла – створити на ньому «дефект», наприклад, подряпати його. Тоді скло можна легко розбити вздовж місця дефекту з мінімальним зусиллям.
У процесі виробництва друкованих плат мідна фольга ламінується на діелектричні матеріали, такі як епоксидний ламінат. Через природну слабку взаємодію між міддю та типовими ламінатами хімічна адгезія між мідною фольгою та ламінатами також досить погана. Тому для покращення адгезії між мідною фольгою та ламінатами поверхню міді попередньо обробляють прискорювачами адгезії для посилення хімічної адгезії , а також травлять, щоб утворити шорстку поверхню для додаткової механічної адгезії. Коли мідь видаляється в процесі виробництва друкованої плати на етапі травлення, на поверхні ламінату залишаються постійні нерівності, спричинені нерівною поверхнею міді.
Малюнок 2: Нерівності міді спричиняють нерівності на поверхні ламінату.
Ці дефекти навколо контактної площадки, на жаль, можуть стати причиною утворення кратерів на контактній площадці. Щоб визначити це, було досліджено, як шорсткість поверхні міді впливає на частоту утворення кратерів на контактній площадці, використовуючи стандартну та згладжену мідь, а потім, намагаючись відклеїти контактну площадку від ламінату.
Була виявлена помітна різниця в силі, яку доводилося прикладати до гладкої та шорсткої поверхні міді. Здавалося б, гладкий зразок повинен мати слабшу адгезію, ніж шорсткий зразок, що також означатиме, що до гладкого зразка слід застосовувати меншу силу відшаровування, ніж до шорсткого. Однак результати експерименту показують абсолютно протилежну тенденцію: зразки з гладкою міддю показували набагато більшу міцність на розрив, ніж зразки з шорсткою міддю. Цей, здавалося б, дивовижний результат, ймовірно, пов’язаний з різницею в кількості незначних дефектів між двома зразками: гладкий зразок матиме їх менше, ніж шорсткий, а, отже, кількість місць виникнення тріщин буде меншою. Іншими словами, вища щільність дефектів у зразку зі стандартною міддю порівняно зі згладженою міддю призводить до вищої концентрації напруги в зонах цих мікродефектів, а отже, до збільшення ймовірності дефектів утворення кратерів.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнути
Твітнути