Разрыв электрических соединений переходных отверстий малого диаметра в процессе двустороннего поверхностного монтажа в четырёхзонной конвекционной печи.

Исходные данные

Плата: восьмислойная структура толщиной 1,6 мм выполненная на базовом материале FR4.
Причина исследования:  разрыв электрических соединений переходных отверстий малого диаметра непосредственно в процессе двустороннего поверхностного монтажа в четырёхзонной конвекционной печи, либо после влагозащиты полиуретановым лаком с последующей сушкой при температуре 65°С в течение 2-х часов.
Термопрофиль конвекционной пайки: 180-160-170-270°С при скорости конвейера 410мм/мин.
Время хранения платы до начала монтажа: более 20 месяцев.
Предварительная сушка плат перед монтажом не проводилась, либо проводилась при температуре 65°С в течение 2-х часов.

Исследование

Цель: Проверка соответствия геометрических характеристик исследуемых переходных отверстий на соответствие требованиям стандарта IPC-A-600G class3.

Поперечный микрошлиф печатной платы

Перед исследованием был проведён выборочный контроль электрической целостности переходных отверстий малого диаметра и выявлены отверстия с разрывом. После этого был изготовлен поперечный микрошлиф области платы, содержащий несколько переходных отверстий разного диаметра, включая разорванные отверстия. Микрошлиф был изготовлен с учётом рекомендаций IPC-ТМ-650. Визуальная инспекция и измерения микрошлифа проводились при помощи стереоскопического микроскопа МБС-9.

Измерения толщины металлизации производились при 56-кратном увеличении. Результаты измерений: толщина металлизации переходных отверстий  диаметром 0,2 мм и 0,5 мм приблизительно одинакова и колеблется в пределах 26…30 мкм. При визуальной инспекции не было выявлено следов деламинации базового материала. Для более чёткой визуализации разрывов, микрошлиф был обработан раствором хлорного железа. В результате были выявлены множественные разрывы металлизации переходных отверстий диаметром 0,2 мм.

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 1

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 2

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 3

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 4

 

Результаты

Геометрические характеристики исследуемых отверстий отвечают требованиям стандарта IPC-A-600G class3. Видимых следов деламинации базового материала не обнаружено.

Заключение

Результаты исследования показали, что причины разрывов металлизации переходных отверстий вызваны наличием влаги в платах и жестким режимом конвекционной пайки.

Теоретическое обоснование возможности дефектов

Причиной большинства дефектов многослойных печатных плат, изготовленных из обычного материала FR-4, является невысокая температура стеклования эпоксидной смолы, входящей в состав диэлектрика и высокий коэффициент линейного расширения вдоль оси Z. Для примера сравним два материала – стандартный диэлектрик FR-4 марки DURAVER–104 фирмы ISOLA и материал FR-4 High Tg марки DURAVER–117 того же производителя.

Разница в свойствах объясняется строением полимерных молекул эпоксидных смол, которыми пропитана стеклоткань. Для материалов группы FR-4 используются дифункциональные (диановые) смолы. Строение мономера такой смолы изображено на рисунке 1. Название этих смол происходит от наличия двух функциональных групп в составе мономера, с помощью которых могут быть образованы линейные полимерные цепочки. В зависимости от длины цепочки полимера (количества повторяющихся групп мономера) изменяется молекулярный вес полимерной молекулы. Чем больше молекулярный вес молекулы, тем выше температура стеклования смолы, тем меньше коэффициент линейного расширения диэлектрика.

На рисунке 2 изображено строение тетрафункциональной эпоксидной смолы. В отличие от диановых смол, тетрафункциональные смолы имеют четыре функциональные группы, с помощью которых возможно образование уже не линейной полимерной молекулы, а пространственной структуры сложной конфигурации с большим молекулярным весом. Диэлектрики на основе только тетрафункциональных эпоксидных смол имеют более высокие значения параметров, в отличие от диэлектриков на основе диановых смол (обычные материалы группы FR-4) и диэлектриков со смолами смешанного состава (материалы группы FR-4 High-Tg невысокой стоимости, например DURAVER–117) – для удешевления материалов стеклоткань пропитывается смесью диановой и тетрафункциональных смол.

В таблице показаны свойства материалов на основе тетрафункциональных смол.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что все эпоксидные смолы гигроскопичны. Накопление влаги смолой приводит к ухудшению свойств: уменьшается температура стеклования смолы, увеличивается коэффициент линейного расширения. Это связано с разрушающим воздействием воды на макромолекулу полимера эпоксидной смолы. На рисунке 3 показано, как под действием молекулы воды мономер разлагается на исходные компоненты.

Стойкость к воздействию влаги у разных смол различна. Для простых диановых смол с относительно короткими цепочками полимера влияние влаги наиболее критично. Разрушение макромолекул полимера приводит к значительному снижению молекулярной массы – короткие макромолекулы имеют малое “сцепление” друг с другом, увеличивается их относительная подвижность. Все это приводит к критическому росту коэффициента линейного расширения смолы вдоль оси Z (по толщине платы).
Для тетрафункциональных смол картина в общем остается такой же. Но ввиду значительно большей молекулярной массы полимерных макромолекул, а также пространственной, а не линейной, структуры макромолекулы разрушительное воздействие влаги на свойства тетрафункциональных смол менее выражено.
Следует помнить, что после определенного значения увлажнения диэлектрика процессы разложения полимерных макромолекул эпоксидной смолы становятся необратимыми. В этом случае сушка стеклотекстолита не приводит к восстановлению свойств. Для разных диэлектриков критичная степень увлажнения различна. Стеклотекстолит на основе диановых эпоксидных смол восстанавливает свои свойства после сушки только в том случае, если степень увлажнения была не более 2% от массового содержания эпоксидной смолы в составе диэлектрика (по данным Isola).

В таблице ниже показано изменение параметров различных типов диэлектриков после гидрации. Данные приведены для одинакового процентного содержания влаги.

При расчете значения линейного расширения платы по толщине для этих материалов получим такие результаты для профиля с верхней температурой пайки 230°С:
DURAVER–104:  (135-20)x80x10^-6+(230-135)x280x10^-6= 0,0358, то есть около 3,6%.
DURAVER–117:  (170-20)x60x10^-6+(230-170)x260x10^-6= 0,0246, то есть около 2,5%.
ITEC IT180A: (180-20)x50x10-6+(230-180)x220x10^-6= 0,019, то есть около 1,9%.
ISOLA IS420: (180-20)x40x10^-6+(230-180)x200x10^-6= 0,0164, то есть около 1,6%.

В случае длительного воздействия влаги на диэлектрик с последующей потерей свойств результаты расчета параметров примут следующий вид:
DURAVER–104:  (100-20)x120x10^-6+(230-100)x300x10^-6= 0,0486, то есть около 4,9%.
DURAVER–117:  (150-20)x90x10^-6+(230-150)x280x10^-6= 0,0341, то есть около 3,4%.
ITEC IT180A: (170-20)x70x10^-6+(230-170)x250x10^-6= 0,0255, то есть около 2,6%.
ISOLA IS420:  (170-20)x65x10^-6+(230-170)x230x10^-6= 0,0236, то есть около 2,4%.

Из расчетов очевидно, что любой диэлектрик из группы FR-4 High-Tg, даже после старения вследствие длительного воздействия влаги, имеет значение коэффициента линейного расширения по толщине меньше, чем у “свежего” стеклотекстолита из группы FR-4. Именно по этой причине при проектировании сложных многослойных печатных плат следует отдавать предпочтение материалам из группы FR-4 High-Tg. Особенно, если к платам предъявляются жесткие требования по надежности и срокам хранения.

Само по себе увеличение толщины печатных плат при нагревании во время монтажа недостаточно информативно. Для того, чтобы понять причины возникновения обрывов металлизации переходных отверстий, необходимо сравнить коэффициенты линейного расширения диэлектриков и меди, а также помнить, что гальваническая медь в переходном отверстии имеет граничное значение удлинения, после которого пластичность меди недостаточна для противодействия деформирующему воздействию расширяющегося диэлектрика.

Температурный коэффициент линейного расширения гальванической меди практически не зависит от технологии осаждения и составляет около 17x10^-6/К. Предел прочности при линейном расширении составляет 3,5..4,0% для гальванической меди, используемой для печатных плат из диэлектриков группы FR-4.

Для использования в печатных платах, отвечающих нормам RoHS, совместно с диэлектриками группы FR-4 High Tg применяется более дорогостоящий техпроцесс осаждения меди. Предел прочности меди для таких плат составляет не более 6,0%. Путем добавления специальных примесей, увеличивающих пластичность гальванической меди, можно достичь значения предела прочности до 8,0%.
Сравнивая коэффициент линейного расширения стеклотекстолита группы FR-4 до и после старения под воздействием влаги для профиля пайки с максимальной температурой 220°С (именно такой профиль использовался при монтаже исследуемых плат) с пределом прочности обычной гальванической меди, можно сделать заключение:

Вероятность обрыва переходных отверстий при монтаже плат, которые подверглись длительному воздействию влаги, очень высока, поскольку линейное расширение деградировавшего диэлектрика в поперечном сечении при нагревании до температуры пайки выше предела прочности гальванической меди на разрыв.

Результаты расчета ниже:
FR-4 “свежий”  –  (135-20)x80x10^-6+(220-135)x280x10^-6= 0,033 → 3,3%.
FR-4 после гидрации  –  (100-20)x120x10^-6+(220-100)x300x10^-6= 0,0456 → 4,6%.

Предел прочности для гальванической меди при линейном расширении не более 4,0%.
Следует помнить, что гальваническая медь, вследствие своей пористой структуры, также подвержена старению и деградации своих свойств под воздействием влаги. Медь коррозирует, образуются центры внутренних напряженностей. Это снижает пластичность меди и уменьшает предельное значение удлинения. Кроме того, присутствие  влаги на границе контакта меди с диэлектриком снижает адгезию меди, что еще более способствует ослаблению межслойных переходов. Это обстоятельство особенно критично для очень мелких переходных отверстий, у которых, вследствие малого диаметра, мала площадь поверхности контакта меди с диэлектриком.

Рекомендации

Для исключения описанных выше дефектов рекомендуем:

1) Изготавливать печатные платы на базовом материале FR-4 High Tg.

2) Для предотвращения процессов гидрации эпоксидной смолы при длительных сроках хранения многослойных печатных плат необходимо предпринимать меры, предотвращающие проникновение влаги в структуру многослойной платы, обращаться с ними как с компонентами, чувствительными к влаге (согласно рекомендаций IPC/JDEC JSTD–020 и JST –020 для компонентов с уровнем чувствительности к влаге не ниже 2а).Особенно тщательно необходимо соблюдать условия хранения печатных плат, применять рекомендованные производителями печатных плат упаковочные материалы.

Все производители печатных плат поставляют свою продукцию в групповой транспортной защитной упаковке. Эта упаковка защищает платы от атмосферных осадков, водяных брызг, пыли, песка и аэрозолей во время транспортировки. Согласно ГОСТ 23216-78 эта упаковка может быть отнесена к категории КУ-1 или к категории КУ-2, в зависимости от производителя, типа поставляемых плат, условий доставки. Условия и время хранения печатных плат в упаковках такого типа регламентируются изготовителем на тех же условиях, что и хранение без упаковки. А именно: хранение печатных плат при температуре +5..8°С  допускается до 6 месяцев (снижение  температуры хранения ниже +5°С не увеличивает срок хранения плат); хранение печатных плат при температуре +15..20°С и относительной влажности воздуха до 50%  допускается на срок до  3-х месяцев; хранение печатных плат при температурах +25..30°С и относительной влажности воздуха более 50% допускается не более чем в течение 168 часов.

По истечении срока хранения платы должны пройти процедуру сушки, кондиционирования и переупаковки. Следует избегать ситуаций, когда платы в процессе хранения подвергаются сушке более чем два раза.
Наиболее оптимальный вариант сушки – щадящая сушка при пониженном давлении. Режим сушки: 15..30 минут при температуре 80..100°С в вертикальных подвесах при пониженном давлении. Определяющим фактором применительно к качеству сушки является степень вакуумирования – чем ниже давление, тем выше качество осушения. Наилучшие результаты сушки оказываются при давлении в камере около 900 мбар.

Основные преимущества щадящей сушки:

• не приводит к старению и деградации финишного покрытия контактных площадок на печатной плате;
• величина термоудара на печатную плату минимальна;
• степень осушения эпоксидной смолы  наивысшая.

В ситуации, когда нет возможности произвести щадящую сушку при пониженном давлении, следует производить сушку печатных плат при нормальном давлении по следующему режиму:  время сушки не менее 30 минут, температура сушки не менее 100°С (но не выше температуры стеклования эпоксидной смолы).
Приложение и снятие температуры к платам должно происходить плавно с градиентом не более 3°С/сек. Сушка должна производиться на вертикальных подвесах. Сушка плат в горизонтальном положении, а тем более стопкой, неэффективна.

В случае, если необходимо длительное хранение и нет возможности хранить печатные платы при низких температурах, следует применять специальную упаковку с низким коэффициентом паропроницаемости. Согласно рекомендациям стандарта EIA 583 коэффициент паропроницаемости (WVTR) должен быть не более 0,13 грамма влаги на 1 м² поверхности упаковки за сутки. На рисунке 4 показан внешний вид таких упаковочных материалов. На все время хранения упаковка должна быть герметично закрытой.
Помимо влагонепроницаемой упаковки платы должны храниться с применением абсорбентов, например, силикагеля. В каждую упаковку необходимо вкладывать индикатор влажности (рис. 5.). При достижении  влажности внутри упаковки более  40% платы должны пройти процедуру  кондиционирования, а в случае превышения влажности более 50% – пройти сушку. После этого платы можно перепаковать, заменить абсорбент и хранить далее.Согласно ГОСТ 23216-78 такой вид упаковки может классифицироваться как  КУ-3Б или КУ-4.

Платы, в качестве финишного покрытия которых используется иммерсионное олово или бессвинцовый HASL, должны храниться в подобного рода упаковках не зависимо от периода хранения. Это связано с активным старением финишного покрытия при нормальных температурах и влажности.

3) При конвекционной пайке используйте “мягкие” профили с плавным и равномерным нарастанием температуры (градиент нарастания не более 3°С/сек и остывания не более 6°С/сек). Максимальная температура МПП при этом не должна превышать 240-245°С при использовании плат на основе  материалов из группы FR-4 High-Tg (бессвинцовый техпроцесс монтажа). Время нагрева от комнатной до максимальной температуры – не более 5-ти минут.