Коллекция распространенных проблем печатных плат

Выбор припоя

При выборе припоя для пайки печатных плат необходимо учитывать не только типы сплавов, но и их механические характеристики, температуру плавления, совместимость с другими материалами. Например, при использовании определенных материалов в печатных платах, особенно в случаях, когда печатная плата содержит олово, желательно выбирать припои с более низкой температурой плавления для предотвращения повреждения платы.

Следует также учитывать параметры желаемого паяного соединения – прочность, электрическую проводимость, устойчивость к коррозии. Правильный выбор припоя поможет обеспечить качество соединения и долговечность изделия.

Пайка и флюс

Пайка печатных плат представляет собой процесс соединения компонентов с помощью припоя под воздействием высоких температур. Флюсы используются для улучшения протекания процесса пайки за счет удаления оксидных пленок с поверхности металлов и предотвращения их образования во время пайки.

Флюсы могут быть активными или неактивными, в зависимости от того, усиливают они образование эвтектической сплавной зоны или просто удаляют окислы. Некоторые типы флюсов также могут быть агрессивными и требуют более тщательного удаления после пайки.

Процесс пайки

Процесс пайки печатных плат может быть выполнен вручную или автоматически. При ручной пайке важно правильно нагревать детали и равномерно распределять припой. При автоматической пайке следует следить за точностью и скоростью процесса для избегания дефектов соединения.

Обязательно следует соблюдать правила техники безопасности при работе с припоем и паяльным оборудованием, так как высокая температура и содержание свинца в припое могут быть вредны для здоровья.

Выбор правильного состава припоя, процесса пайки и флюса имеет решающее значение для обеспечения качества и надежности соединений на печатных платах. Будьте внимательны при выборе материалов и следуйте технологическим рекомендациям для достижения оптимальных результатов.

Таблица: Сравнение различных сплавов для пайки печатных плат

Список литературы

• Харпер, Ч. A. Handbook of Materials for Electronic Devices (информация о свинцовых и бессвинцовых припоях)
• Миллс, М. P. Handbook on Electronics Packaging and Interconnection (процесс пайки и применение флюсов)

Заключение: Выбор правильных материалов и компонентов для пайки печатных плат является важным аспектом обеспечения качества и надежности электронных устройств. Следует уделять внимание не только техническим характеристикам припоя, но и специфике самого процесса пайки, чтобы избежать дефектов и повреждений платы.

## Припои, не содержащие свинца

Припои, не содержащие свинца, приобретают все большую популярность с тех пор, как в ЕС была принята директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), которая ограничивает применение свинца в электронике.

## Проблема при использовании

Одна из проблем при использовании таких припоев заключается в том, что они в большей степени подвержены образованию оловянных усиков. Чтобы не допустить образования оловянных усиков, а также обеспечить защиту от влажности и коррозии, часто используются конформные покрытия.

## Припой с флюсовым сердечником

Припой с флюсовым сердечником продается в виде единой катушки и содержит в сердечнике восстановитель. Этот восстановитель удаляет с металлических контактов любые оксидные пленки, чтобы обеспечить высокую проводимость электрического контакта.

### Материал сердечника припоя

В катушках припоя или паяльных пастах содержится один из перечисленных ниже типов материалов для нанесения флюса на металлические контакты при пайке:

## Процессы пайки печатных плат

Сегодня при производстве печатных плат наиболее часто используется бессвинцовый (Sn-Cu) канифольный припой. Пайка плат обычно выполняется автоматически.

### Автоматическая селективная пайка

Автоматическая селективная пайка компонентов сквозного монтажа печатной платы начинается с нанесения флюса/пасты на металлические контакты на плате.

### Использование различных материалов

Большинство конструкторов, вероятно, полагают, что для деталей с бессвинцовыми выводами следует использовать бессвинцовую паяльную пасту, однако строгих правил на этот счет нет. Механические свойства конечного сплава могут оказаться где-то между свойствами сплавов на основе свинца и без него.

## Altium Designer®

Если вам необходимо подготовить производственную документацию для вашей платы, включая все этапы сборки, воспользуйтесь Altium Designer®. Сформировав файлы Gerber и другие файлы для изготовления, можно быстро создать сборочные чертежи и добавить аннотации для уточнения требований к сборке. Указать различные типы материалов для пайки печатных плат, которые могут потребоваться при создании следующей сборки.

Кроме того, мы также осуществляем проверку файлов печатных плат перед отправкой на производство. Наша команда инженеров проводит тщательный анализ всех файлов, убеждаясь, что они соответствуют требованиям производства и не содержат ошибок или несоответствий. Это позволяет нам уверенно отправлять заказы на производство, зная, что все параметры корректны и готовы к производству.

Тестирование и проверка качества в процессе производства —

JHDPCB также обеспечивает тщательное тестирование и контроль качества в процессе производства. Наши специалисты по контролю качества следят за каждым этапом производства, от начала до конца, чтобы убедиться, что все печатные платы соответствуют стандартам и требованиям. Мы используем передовое оборудование для тестирования, что позволяет нам выявлять любые потенциальные проблемы или дефекты, прежде чем продукция покидает завод.

Соблюдение стандартов качества —

JHDPCB стремится к соблюдению самых высоких стандартов качества во всех аспектах нашего бизнеса. Мы следим за изменениями в отрасли и обновляем наши процессы в соответствии с передовыми практиками. Наше обязательство к качеству позволяет нам предоставлять клиентам печатные платы высочайшего качества, которые отвечают самым строгим требованиям.

Всегда известно, что качество сырья определяет долговечность готового продукта. Обеспечение высокого качества сырья является одним из основных принципов производства продукции JHDPCB. JHDPCB сотрудничает с ведущими поставщиками в отрасли. Мы используем материалы высшего уровня, такие как Бергквист, ламинат Rogers, KB и Goldmax; Паяльная маска TAIYO с высокими характеристиками сопротивления.

Материалы и компоненты

В дополнение к обеспечению того, что высококачественные материалы используются в самой печатной плате, другие источники компонентов также требуют хорошего контроля качества. Потому что любая задержка в поиске компонентов может привести к остановке процесса производства печатных плат или изменению запланированного производственного проекта. Чтобы свести к минимуму потенциальные проблемы, JHDPCB предпринимает следующие шаги контроля качества:

• Проверка спецификации – Эти проверки гарантируют, что компоненты в спецификации соответствуют конструкции печатной платы.
• Проверка условного обозначения компонента – Это уникальный идентификатор в спецификации. Если это неверно, число извлеченных компонентов может быть неверным.
• Проверка номера детали производителя (MPN) – MPN может быть неверным и может привести к получению неправильного компонента. Неправильный номер может привести к неправильному типу упаковки. Эта ошибка приводит к потере времени и дополнительным расходам.
• Проверка состояния производства компонентов. Это гарантирует, что компоненты находятся в хорошем состоянии для производства.
• Проверка допуска компонентов – Этот тест гарантирует, что компонент действительно соответствует диапазону допусков, указанным в техпаспорте.
• Тестирование паяемости– Это ускоренный процесс старения, применяемый к образцам для определения способности к пайке.
• Комплект Точность – Неточные компоненты комплекта приведут к значительным задержкам и дополнительным расходам.
• Соответствие пакетов MPN – позволяет избежать несоответствия компонентов и пакетов, когда ошибки могут нарушать требования к зазору припоя и расстояниям между компонентами.
• Обзор документации – Просмотрите документацию по отгрузке компонентов на наличие ошибок.
• Визуальный осмотр – Это помогает обеспечить соответствие компонентов вашему заказу и документации.

Лучшее в мире производственное оборудование

Чтобы обеспечить наилучшее качество и надежность печатных плат, JHDPCB продолжает инвестировать во внедрение передового оборудования, включая, помимо прочего, следующее:

• Ознакомьтесь со всей производственной линией JHDPCB.

Контроль над процессом

Все производственные процессы соответствуют стандартам IPC. Регламенты ISO для процессов контроля качества, управления рисками и прослеживаемости, подробно описывающие пошаговый процесс Сборка печатной платы. Кроме того, у нас есть хорошо задокументированные средства контроля процесса для контроля качества производственного процесса путем регулирования температуры пайки, срока годности и стандартов чистоты.

Проверка качества перед отправкой

AOI (автоматическая оптическая проверка)Тест AOI после нанесения рисунка. Автоматический оптический контроль AOI основан на принципе оптики с использованием комбинации анализа изображения, компьютера и технологии автоматического управления, с использованием камеры для сканирования печатной платы с очень мелкими деталями и сравнения изображения печатной платы с веб-камеры с изображением ” «идеальная» печатная плата для проверки соединений и качества пайки на наличие дефектов или сбоев. Чтобы повысить точность тестирования AOI, JHDPCB представила расширенный AOI от предотвратить передачу плохой печатной платы в следующий процесс. Однако AOI не может проверять переходные отверстия, поэтому также необходимо провести тест летающих зондов или приспособление для электронного тестера.

Испытание летающим зондомВ этом виде электрических испытаний используются электромеханические контрольные датчики для доступа к компонентам на печатной плате, и тестовые датчики быстро перемещаются точка за точкой на печатной плате для завершения теста. Движущееся положение каждого испытательного щупа контролируется системой точной передачи, а точность положения может достигать 0,01 мм. Хотя тест с летающим зондом может точно определить, является ли печатная плата короткозамкнутой или непроводящей, летающий зонд должен проверять сигнал один за другим, скорость теста относительно низкая, все время тестирования обычно занимает 1-3 минуты. Таким образом, летающий зонд подходит только для небольших заказов на печатные платы.

Электрический тестЭлектрические испытания стали незаменимым методом проверки печатных плат со глухими и скрытыми переходными отверстиями.Поскольку AOI не может проверить переходные отверстия, а E-test может проверить отсутствующие соединения на плате. Для электрического теста требуется специальный инструмент для проверки крепления, мы назвали его E- тестер. E-тестер, как правило, разработан в соответствии с панелью печатной платы, и он покрыт тестовыми контактами, может протестировать всю панель в течение 1 минуты, что значительно повышает эффективность тестирования и подходит для оптового заказа. JHDPCB представила новейшую испытательную машину от MASON, пока E-тестер готов,печатную плату можно проверить без ошибок.

рентгенРентгеновские лучи обеспечивают неинвазивный, но дорогой способ проверки правильности сборки печатной платы, обеспечивая неинвазивное высококачественное изображение внутреннего качества печатной платы.

пилаРазрезание печатной платы пилой может повредить отдельные платы, но может дать ценную ссылку на более широкую картину всего процесса сборки. Этот тест в основном используется для проверки сквозных отверстий. Рекомендуется только для серийного производства.

Ручной осмотрПомимо машинных испытаний, у нас также есть инспекторы по качеству на каждом производственном звене. Мы регулярно обучаем инспекторов по качеству, чтобы они понимали стандарты приемки продукции IPC-A-600.От проверки сырья IQC до проверки поставок OQC, сотрудничество инспекционного оборудования и рабочей силы может значительно сократить количество дефектов.В то же время мы также создали специальный отдел контроля качества для проверки каждой печатной платы невооруженным глазом. перед отправкой. Таким образом, можно проверить некоторые проблемы, которые не могут быть обнаружены машиной, например, некоторые дефекты формы или паяльная маска.

ЗрениеДля мелкосерийного производства попросите кого-нибудь (обычно человека, выполняющего сборку) кратко понаблюдать своими глазами в течение всего процесса сборки. Это не просто означает быстрый просмотр. Они должны перепроверить каждое соединение в хорошо освещенном помещении. для проверки наличия излишков припоя, несоединенных компонентов и других проблем, которые могут потребовать доработки.

микроскопЧтобы уменьшить нагрузку на глаза, инспекторы могут использовать ручные оптические инструменты, такие как увеличительные стекла или микроскопы, для проецирования соединений печатных плат на большой экран для более детального осмотра. Часто используется для улучшения визуального контроля.

Актуальные методы контроля качества при проведении монтажа электронных компонентов

Качество монтажа электронных компонентов — основной критерий работоспособности электронных устройств. Но итоговое качество продукции зависит не только от уровня проведения монтажа компонентов на печатные платы, но и от столь важного фактора, как исходные комплектующие. Соответственно, к обязательным операциям в технологическом процессе производственной цепочки изготовления электронных устройств следует относить все виды инспекции — от входного контроля комплектующих до контроля качества монтажа компонентов. Такой подход позволяет не только обнаружить все основные дефекты, но и помочь выявить и устранить причину их возникновения, а в конечном счете — повысить процент исправной продукции.

Входной контроль

Проведение входного контроля комплектующих является очень важной операцией, так как позволяет существенно экономить ресурсы, исключив выпуск заведомо некачественной продукции. К основным дефектам, выявляемым при входном контроле комплектующих, относятся:

Рис. 1 – Брак микросхемы, обнаруженный рентгеновской установкой на входном контроле

Контроль качества монтажа компонентов

Процедуры, предназначенные для проверки качества монтажа, способны определить следующие основные дефекты:

Контроль качества монтажа компонентов позволяет выявить как ошибки проектирования (неправильный выбор материалов, неудачный выбор посадочных мест под компоненты, размещение компонентов, не подходящее для выбранной технологии монтажа), так и ошибки настройки оборудования при разработке технологического процесса (например, неправильные температурные режимы, неверный подбор материалов).

Рис. 2 – На иллюстрации видно, что ошибка в настройке техпроцесса привела к тому, что некоторые компоненты «съехали» со своих посадочных мест

Разрушающий и неразрушающий контроль

Методы контроля можно разделить на две группы: разрушающие и неразрушающие. Разрушающие методы контроля позволяют практически гарантированно выявлять большинство дефектов, но обладают главным недостатком, скрывающимся в их названии. Разрушающие методы контроля применяются в основном в следующих случаях:

При этом чаще всего на производстве находят применение неразрушающие методы контроля качества, с помощью которых удается обнаруживать практически все дефекты, оставляя прошедшую контроль продукцию пригодной для дальнейшего использования.

Основные неразрушающие методы контроля качества монтажа

При производстве электронных изделий существует четыре основных метода контроля:

Рис. 3 – Цифровой микроскоп для проведения визуального контроля

Это один из традиционных и одновременно самых простых методов, при котором сотрудник проводит контроль качества визуально. Данный способ относится к основным методам входного контроля, позволяет легко обнаруживать многие дефекты невооруженным глазом, в том числе:

Сейчас основной инструмент операторов, выполняющих визуальный контроль, — видеомикроскоп. Во-первых, он помогает выявить более мелкие дефекты: непропаянные соединения, недостаток/избыток припоя, перемычки, загрязнения, малые смещения компонентов, холодную пайку, окисление контактов от перегрева и прочее.

Во-вторых, это оборудование комфортно для обслуживающего персонала. Раньше окуляры микроскопов располагались вертикально, поэтому всю рабочую смену оператор проводил в неестественной, неудобной позе. В результате вместе с нагрузкой на глаза создавалось дополнительное негативное влияние на шею и позвоночник, что приводило к развитию профессиональных заболеваний. Современные модели микроскопов строятся на базе FHD-видеокамер, которые транслируют изображение на монитор. Исследуемую печатную плату укладывают на плавающий антистатический столик с электронным управлением. Существуют также мобильные видеомикроскопы, которые позволяют обследовать платы, не снимая их с посадочного места. Они особенно удобны при ремонте крупных электронных приборов.

Несмотря на очевидные достоинства, такие как низкая стоимость оборудования и простота использования, визуальный метод контроля имеет определенные недостатки: большие временные затраты, присутствие профессионального оператора, невозможность обнаруживать многие типы дефектов. Поэтому визуальный контроль не должен являться единственным методом контроля качества, однако может активно применяться при входном контроле, а также как промежуточный метод контроля, позволяя оперативно обнаруживать явные крупные дефекты и снижая нагрузку на последующие методы контроля.

Рис. 4 – Система автоматической оптической инспекции Zenith UHS

По сравнению с визуальным контролем система автоматической оптической инспекции имеет следующие преимущества:

Методика проведения инспекции:

Многочастотный муар (аналоговый) – формирование с помощью аналоговых проекторов( свет проходит через линзу, на которой нанесена гравировка линий с шагом 0,37 мкм) «муаровых узоров» на поверхности инспектируемого объекта , считывание информации камерой, расчет по алгоритму точных геометрических характеристик объекта и построение 3D визуализации. Наиболее точный и эффективный метод ( минимальное количество ложных срабатываний). Применяется только в системах KohYoung ( Ю.Корея). Такой метод контроля в 3D способен обнаруживать следующие дефекты:

Многочастотный муар (DLP- digital light projector) – сходная по технологии система 3D инспекции, за исключением метода получение «муаровых узоров» . В системах DLP узор создаётся матрицей цифрового проектора, которая не может дать тех же характеристик, что и аналоговый метод. Как следствие, увеличивается количество ложных срабатываний и качество инспекции ( особенно мелких компонентов). В большинстве случаев такие системы 80% инспекций делают с использование устаревшего метода 2D.

Лазерное измерение – метод 3D реконструкции исследуемого компонента путем лазерной триангуляции. Имеет высокую скорость инспекции и хорошую точность измерения корпусов больших объектов. При работе с прозрачными и отражающими поверхностями, разными цветами компонентов и оснований, а так же компонентами с малым габаритом корпуса система справляется хуже и дает большое количество ложных срабатываний.

2D метод – снимок объекта с использованием многоуровневой кольцевой RGB подсветки , анализ и подсчет снятых камерой пикселей определенного цвета и дальнейшая реконструкция либо сравнение с эталоном. Это наиболее устаревшая технология, которая не позволяет в полной мере провести измерения с высокой точностью.

Системы автоматической оптической инспекции обычно имеют дополнительные программные опции, благодаря которым, с одной стороны, можно повысить точность и скорость проведения контроля, а с другой — проводить анализ причин возникновения дефектов.

Данные системы пользуются большой популярностью при изготовлении электроники, поскольку на их основе строятся сложные, многозадачные системы машинного зрения, тесно интегрирующиеся в технологический процесс и участвующие не в одном, а в целой серии основных этапов производства. Однако, являясь логическим развитием средств визуального контроля, подобные системы обладают существенным недостатком: они не способны обнаруживать все возможные дефекты. В частности, оптическим системам физически не доступны дефекты, расположенные под корпусами элементов (BGA-компоненты, многоконтактные разъемы), а также внутренние дефекты, как изначально имеющиеся внутри компонентов, так и возникшие в результате нарушения технологии монтажа компонентов.

Электрический метод контроля основан на измерении параметров цепей при пропускании электрического тока через систему контактирования установки контроля с тестируемым образцом. Метод применяется как для проверки несмонтированных печатных плат с целью контроля качества их изготовления, так и для смонтированных печатных плат. Данный подход позволяет определять короткие замыкания, отсутствие соединений, измерять основные электрические параметры, а также проверять функциональность активных и пассивных компонентов. Главный недостаток метода — сложность определения типа неисправности и необходимость либо дополнительно прибегать к дополнительным способам контроля, либо переводить изделие в разряд брака без определения типа и причины возникновения дефекта. Метод нашел успешное применение при изготовлении печатных плат, позволяя с высокой скоростью и степенью автоматизации выполнять контроль качества их изготовления. Электрический контроль находит применение и при инспекции готовых изделий, но вследствие невысокой универсальности используется не столь широкого, как остальные методы.

Рис. 5 — Промышленная система рентгеновского контроля СРК-1000 производства «Диполь»

Рентгеновский контроль является наиболее универсальным методом неразрушающего контроля качества при производстве электроники, с помощью которого можно находить наибольшее количество дефектов. Это единственный метод обнаружения дефектов, локализованных в визуально недоступных местах изделия (под компонентами, внутри корпусов).

Данный метод похож на визуальный или оптический, когда оператор проводит анализ изображения изделия или его отдельных частей. Основное отличие — использование изображения, полученного за счет просвечивания объекта контроля рентгеновским излучением с регистрацией изображения на цифровом детекторе. Такой подход позволяет просматривать объекты контроля насквозь и обнаруживать максимально широкий спектр дефектов в местах, недоступных для контроля при использовании других методов (под корпусами компонентов, внутри корпусов компонентов и изделий, в промежуточных слоях многослойных печатных плат, в переходных и монтажных отверстиях):

Рентгеновский контроль находит свое применение на всех этапах производства электроники: входном, межоперационном, выходном контроле, при ремонте и анализе неисправностей в процессе эксплуатации изделий.

Несмотря на огромные возможности и универсальность применения, данный метод также не лишен недостатков: невысокая скорость, зависимость от квалификации оператора, высокая стоимость оборудования. Все это препятствует широкому распространению систем рентгеновского контроля, в связи с чем их покупка и использование становятся прерогативой либо крупных производственных компаний, либо компаний, выпускающих продукцию, к качеству которой заказчиком или нормативной документацией предъявляются особенно высокие требования.

Заключение

Общие принципы организации контроля при монтаже электронных компонентов

Учитывая особенности и недостатки существующих методов контроля, можно заключить, что ни один из них не является универсальным. В связи с этим обеспечение необходимого уровня качества требует комплексного подхода с использованием нескольких способов проверки качества изделий.

Например, хорошо зарекомендовала себя схема двухступенчатого контроля, когда «быстрыми» методами проводится сплошной контроль продукции, а «медленными», но более эффективными — выборочный контроль партии. В любом случае, для организации эффективного и экономически целесообразного контроля необходимо учесть большое количество факторов: номенклатуру изделий, объем производства, требования заказчика и нормативной документации, а также посчитать и сравнить стоимость контроля продукции и появления брака. Все это непростые задачи, но их необходимо решать. Правильно организованный контроль повышает экономическую эффективность производства и существенно снижает риски при выпуске электронных устройств.

Тестирование печатных плат и контроль качества являются важными шагами в обеспечении надежности и производительности электронных продуктов. Вот некоторые ключевые шаги и стратегии тестирования печатных плат и контроля качества:

1. Первоначальный осмотр и приемочные испытания.

Перед сборкой печатной платы выполняются первоначальные проверки, чтобы убедиться в правильности и целостности всех компонентов.

Используйте приемочные испытания, чтобы проверить основные функции и характеристики компонентов и убедиться, что они в порядке перед сборкой.

2. Контроль качества пайки

Используйте такие методы, как оптический контроль, рентгеновский контроль или автоматический оптический контроль, чтобы проверить качество пайки, включая целостность паяных соединений, количество припоя и плохую пайку.

Убедитесь, что все паяные соединения соответствуют стандартам IPC (Международной ассоциации печатных плат) или другим соответствующим стандартам.

3. Электрические испытания

Выполните электрические тесты, включая тесты на подключение, тесты на сопротивление, тесты на емкость и тесты на индуктивность, чтобы гарантировать правильное соединение и электрические характеристики цепей.

Для выполнения тестов используйте электронные измерительные приборы, такие как мультиметры, осциллографы и источники питания.

4. Функциональное тестирование

Функциональные тесты проводятся для проверки общей функциональности печатной платы. Это может включать в себя применение специальных процедур функционального тестирования, чтобы гарантировать, что печатная плата работает в соответствии с проектными спецификациями.

Убедитесь, что программа тестирования имеет широкий охват для обнаружения потенциальных проблем.

5. Экологические испытания

Выполните испытания на воздействие окружающей среды, включая испытания на циклическое изменение температуры, испытания на влажность и испытания на вибрацию, чтобы смоделировать работу печатной платы в различных условиях окружающей среды.

Убедитесь, что PCBA может стабильно работать в различных условиях окружающей среды.

6. Испытание на старение при высокой температуре

Испытание на старение при высокой температуре проводится для имитации работы печатной платы в течение длительного времени. Это помогает обнаружить потенциальные тепловые сбои.

Обеспечьте надежность печатной платы в условиях высоких температур.

7. Анализ целостности сигнала

Анализируйте целостность сигнала с помощью высокочастотных тестовых приборов, чтобы гарантировать качество высокоскоростной передачи сигнала через печатную плату.

Обнаруживайте потенциальные проблемы путем анализа глазковых диаграмм сигналов, характеристик во временной и частотной областях.

8. Прослеживаемость и документация

Создайте системы отслеживания для отслеживания истории производства и происхождения компонентов каждой печатной платы.

Записывайте все результаты испытаний и данные о качестве, чтобы отслеживать и устранять проблемы, а также улучшать производственные процессы.

9. Высокий уровень автоматизации.

Используйте автоматизированное испытательное оборудование и автоматизированные системы сбора данных, чтобы повысить эффективность и точность испытаний.

Автоматизация может помочь снизить риск человеческой ошибки.

10. постоянное улучшение

Постоянное совершенствование процедур испытаний и процессов контроля качества для адаптации к новым технологиям и требованиям.

Тенденции дефектов анализируются и принимаются корректирующие действия для снижения уровня дефектов.

Таким образом, тестирование печатных плат и контроль качества являются важным шагом в обеспечении надежности и производительности электронных продуктов. Благодаря тщательному контролю качества и всестороннему тестированию вы можете снизить количество дефектов, улучшить качество продукции и обеспечить удовлетворенность клиентов. Постоянное совершенствование является ключом к обеспечению эффективности процесса контроля качества для адаптации к меняющимся рыночным и технологическим потребностям.

Zhejiang NeoDen Technology Co., LTD., основана в 2010 году, имеет 100+ сотрудников и 8000+ кв.м. Фабрика независимых прав собственности, чтобы обеспечить стандартное управление и достичь наибольшего экономического эффекта, а также сэкономить затраты.

Владеет собственным обрабатывающим центром, квалифицированным сборщиком, тестером и инженерами по контролю качества, чтобы обеспечить сильные возможности для производства, качества и доставки машин NeoDen.

40+ глобальные партнеры в Азии, Европе, Америке, Океании и Африке, чтобы успешно обслуживать пользователей 10000+ во всем мире, чтобы обеспечить более качественное и быстрое местное обслуживание и быстрый ответ.

NeoDen обеспечивает пожизненную техническую поддержку и обслуживание для всех машин NeoDen, а также регулярные обновления программного обеспечения, основанные на опыте использования и фактических ежедневных запросах конечных пользователей.

Ключевые характеристики материалов для производства печатных плат

Время на прочтение

Автор статьи — Александр Патутинский

Технолог по подготовке и запуску печатных плат в производство, инспекциям печатных плат (AOI, AVI). Технолог по SMT, THT и PressFit монтажу, инспекциям печатных узлов (SPI, AOI, X-ray).Специалист по DFM- и DFA-анализам.

В этой статье мы пройдемся по типовой технической спецификации — документу, в котором собраны требования к базовым материалам для печатной платы: фольга́м, препрегам и ко́рам. Поймём, как формируются эти требования. И что важно учитывать, чтобы плата не отправилась в утиль на этапе производства, монтажа или эксплуатации.

Печатная плата — это пластина из диэлектрика, на поверхности и внутри которой сформированы токопроводящие цепи из медной фольги. Фольга может поставляться как отдельными рулонами и листами, так и сразу спрессованной с диэлектриком (тогда это будет уже базовый материал — кор).

Чтобы соединить соседние токопроводящие слои, нужен препрег — лист тканого стекловолокна, пропитанного не до конца отвержденным полимером.

Слой или несколько слоев препрега, покрытый фольгой с двух (реже — с одной) сторон и прошедший полимеризацию, формируют кор, или ядро. На корах обычно реализуют все внутренние слои платы.

Каждый из материалов поставляется в десятках видов и марок, которые отличаются базовыми характеристиками. Давайте посмотрим, как эти параметры влияют на процессы производства.

Основной параметр фольги — шероховатость

С одной стороны, чем выше шероховатость, тем лучше её адгезия в процессе прессования. С другой — с увеличением шероховатости возрастают и потери высокоскоростных сигналов.

Схематичное изображение кора со стандартной фольгой в разрезе.

Получить отлично спрессованное, но абсолютно нерабочее из-за искажения сигналов изделие не хочет никто. Для решения этой проблемы часто используют коры с RTF‑фольгой. Они прессуются на препрег стороной с минимальной шероховатостью. Так получается кор, в котором фольги гладкой стороной «смотрят» друг на друга. Это даёт хорошие показатели целостности сигнала. При этом RTF-фольга обращена наружу стороной с большей шероховатостью, что обеспечивает лучшую адгезию при прессовании всей платы.

Кор с RTF-фольгой: внутренние поверхности фольг более гладкие, чем внешние.

Рекомендации по шероховатости фольги выдаёт инженер по целостности сигнала. Но базовый принцип прост: чем выше частота сигналов, идущих по плате, тем меньшая шероховатость (в идеале, с обеих сторон) нам нужна.

Различные профили фольг.

Шероховатость различных профилей фольг:

Допуск по этому параметру (Rz) рассчитывается по следующей формуле и методу:

Мы берём образец фольги и профилометром находим 10 точек: 5 наибольших выступов и 5 наибольших впадин профиля в пределах базовой длины. Затем считаем сумму средних абсолютных значений их высот.

Пример профиля фольги с замерами, взятыми на образце длиною в 125 микрон. Yp1-5 — вершины профиля, Yv1-5 — впадины профиля.

Ключевые параметры для кóров и препрегов

Для этих материалов технические спецификации, как правило, указывают гораздо больше информации. Ниже мы разберем некоторые из них, как они формируются и на что влияют.

ПримерыПример вырезок из технической спецификации материалов для производства печатной платы TU-883. Обратите внимание, что часть характеристик указаны чётко, с конкретными параметрами, а часть — например, CAF-resistance — просто упоминается.

Тип плетения

Напомню, что препреги обычно делаются из плетеного стекловолокна. С одной стороны, варианты с неплотным плетением содержат в себе много смолы, что может упростить заполнение вытравленной меди.

Типы различных плетений в порядке уплотнения. 106 чаще используется в простых стеках и в паре с другим препрегом. 1080 — для прессования внешних слоев с контролем импеданса. 7628 — когда надо добрать толщину и/или прочность платы.

С другой стороны, используя препреги и коры с неплотным плетением, можно столкнуться с неприятной ситуацией при трассировке диффпар, когда одна линия идёт поверх стекловолокна, а другая — поверх зазора плетения.

У стекловолокна и смолы разные диэлектрические постоянные (Dk) — следовательно, линии, идущие поверх стекловолокна и смолы, будут иметь разный импеданс и разную скорость распространения сигнала. Такая несогласованность линий диффпары приведёт к ухудшению сигнала.

Для низкочастотной техники неплотное плетение не критично. В остальных случаях, если нет доступа к материалам с более плотным плетением, можно решить проблему другими способами. Например, расположить плату на производственной панели под углом 15-20⁰. Или вести диффпары под углами 11-13⁰. При таком подходе каждая линия будет идти как поверх стекла, так и поверх смолы, — и особой разницы в импедансах и скорости распространения сигнала между линиями не будет.

В ней для запрашиваемых типов плетения (Glass_type) указаны шаги плетения по Ox (X3_pitch) и Oy (Y3_pitch) и габариты жгутов (шлейфов) стекловолокна, плетёных вдоль этих же осей.

Ширины жгутов обозначены как X2 и Y2. Шаги плетения — как X3 и Y3.

X1 и Y1 — это толщины жгутов.

Температура стеклования (Tg) и температурные коэффициенты расширения CTEz, CTExy

Температура стеклования — температура, при превышении которой материал переходит из твердого в вязкотекучее состояние. Препрег состоит из стекловолокна, пропитанного не до конца отвержденным полимером (смолой). Собственно, температура стеклования этого полимера нас и интересует. Для печатных плат с шестью и более слоями используют материалы с Tg от 170⁰С и выше.

Чтобы измерить этот параметр, обычно применяют дилатометрические методы измерения, то есть с небольшого кусочка кора предварительно стравливают всю медь, затем пару часов просушивают образец оставшегося диэлектрического материала при температуре около 105⁰С, а после остужают до 23⁰С. После этого образец начинают греть до 250-260⁰С — пиковой температуры в процессе пайки.

Так будет выглядеть типовой график испытаний: одновременно с нагревом измеряют толщину образца в точках A, B, C, D. Резкое изменение скорости расширения между точками B и C соответствует Tg.

Чем более высокотемпературный припой используется при монтаже, тем меньший CTEz нам нужен.

Tg встречается еще в одном месте технической спецификации — как условие измерения CTEz, коэффициента температурного расширения по оси Оz. Этот параметр показывает, насколько будет увеличиваться плата в процессе пайки или другого сильного нагрева, причём с учётом её анизотропной структуры.

Важно, чтобы расширение платы при нагреве также компенсировалось достаточной пластичностью осажденной меди в переходных и монтажных отверстиях. Иначе можно получить разрыв «стакана» отверстия — то есть разрыв целостности электрической цепи, что фатально для любой печатной платы.

Температурные коэффициенты расширения рассчитывают до и после достижения Tg , в технической спецификации они указываются как pre- и post-Tg, соответственно. Некоторые производители также указывают CTE для температурного интервала, соответствующего термопрофилю SMT монтажа (пайки) — CTE 30-260⁰С .

Разные типы CTE рассчитывают по своим формулам.

Помимо CTEz учитывается температурный коэффициент расширения в плоскости xOy — CTExy. Он частично отражает, насколько могут изменяться масштабы слоев в процессе прессования платы. Влияние данного фактора можно корректировать перед производством в САМ-программах: слои можно вывести в различных масштабах, например, 1:1,02 или 1:0,97.

Температура разложения (Td)

Тd — температура, при которой материал теряет более 5% своего веса и после остужения разрушается. Выбор материала по данному параметру сильно зависит от используемых в процессе монтажа припоев. Чем выше температура плавления припоя, тем выше должно быть значение Td и Tg. И это один из примеров, почему процесс производства и монтажа платы стоит рассматривать комплексно.

Для плат, монтируемых по бессвинцовой технологии, рекомендуется выбирать материалы с большим значением Td и Tg. Для высокотемпературных припоев — ещё большим.

Большинство современных материалов имеют в технических спецификациях пункт Pb-free compatible — они совместимы с бессвинцовой технологией монтажа и имеют заведомо высокие показатели Td и Tg.

Стоит выбирать материалы с Td, превосходящим пиковую температуру пайки минимум на 100⁰С, а лучше на 150⁰С.

Процент содержания смолы (RC%)

Одни и те же типы плетений могут иметь разные параметры диэлектрической постоянной (Dk) — этот показатель важен для расчета импедансов, о нём я расскажу позже. Разница Dk для одинаковых плетений зависит от количества смолы в них (RC%).

Например, в таблице ниже приведены препреги для платы TU-883. Для типа плетения 1080 есть два варианта содержания смолы: RC63% и RC67%. Толщина второго больше как раз из-за дополнительного количества смолы. И Dk меньше у препрега с большим количеством смолы.

Вывод: чем выше RC%, тем ниже Dk.

Isola, один из поставщиков базовых материалов, для производства плат, рассчитывает Dk препрегов по следующей формуле:

Также важно понимать, что на заполнение вытравленной меди внутренних слоев расходуется только смола, а не стекловолокно. Поэтому при выборе препрегов для прессования необходимо убедиться в том, что смолы в них хватит для заполнения зазоров.

CAF-resistance (сопротивляемость CAF-эффекту)

Conductive Anodic Filamentation (CAF) — эффект миграции ионов меди вдоль трещин/расслоений стекловолокна под действием разности потенциалов. При разности потенциалов проводящие нити могут расти между отверстиями, падами и площадками поверхностного монтажа.

Схематичные изображения CAF-эффекта: прорастание нити от отверстия к отверстию, от пада к отверстию, от пада к паду и от линии к линии.

Так проводящие медные нити, прорастающие от одного отверстия к другому в результате CAF-эффекта, выглядят в реальности.

Сопротивляемость CAF-эффекту оценивают с помощью специальных тест-купонов. Это десятислойные печатные платы с матрицами металлизированных отверстий, подключенными к разным цепям. Купоны, сделанные по стандартам IPC-9255 и IPC-9256, подходят только для оценки CAF-resistance между металлизированными отверстиями (PTH), по стандартам IPC-9253 и IPC-9254 — более расширенные (например могут тестировать PTH to shape — зазору между полигоном и стаканом PTH).

Фрагмент тест-купона по современному стандарту IPC-9256. Он, как и IPC-9255, меньше своих предшественников (IPC-9254 и IPC-9253), поэтому его можно размещать по периметру заготовки для более детальной оценки производственного процесса и материала.

Образец проходит симуляцию монтажа и ремонта. Вот примеры симуляции нескольких циклов монтажа с разными температурами припоя.

Образцы также проходят симуляцию отмывки. К ним припаиваются провода, через которые впоследствии будет подано напряжение, точки пайки отмываются и образцы сушатся. Далее образец помещается в специальную камеру с изменяемой влажностью и температурой, создается разность потенциалов.

Вот примеры CAF-тестирования параметров: напряжения, температуры, влажности — в рамках Temperature Humidity Bias Test.

После платы стабилизируются и замеряется сопротивление изоляции. Платы со значительным падением сопротивления изоляции бракуются.

Влагопоглощение (moisture/water absorption)

Любой материал набирает влагу, коры и препреги — не исключение. С увеличением показателя влагопоглощения снижается реальная Td и CAF-resistance.

Если насыщенную влагой плату пропустить через печь оплавления, из-за слишком быстрого выхода влаги она может просто расслоиться. И даже если непросушенная плата выдержала печь, мы можем получить увеличенное коробление после пайки, превышающее допустимые стандартные значения.

Так выглядит индикатор влажности внутри упаковки, в которой платы прибывают на участок монтажа.

После изготовления на заводе платы упаковываются и отправляются на участок монтажа. Если при вскрытии упаковки индикатор влажности зашкаливает, платы дополнительно просушивают в специальном шкафу перед монтажом.

N.B. Если печатный узел должен будет работать во влажной и соленой морской среде, стоит уделить особое внимание подбору материала с низким влагопоглощением и высоким сопротивлением CAF. Иначе он с высокой вероятностью выйдет из строя еще до конца гарантийного срока.

Для справки. Иногда в технических спецификациях указывают обратный параметр — moisture/water absorption resistance. То есть защита от влаги. Тогда наоборот: чем он больше, тем лучше.

Диэлектрическая постоянная (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df)

Эти параметры важны для расчета импедансов различных топологий и потерь сигналов. В некоторых случаях приходится заменять материалы для производства платы. И тогда необходимо убедиться, что заменяющий материал имеет схожий Dk и Df не больше, чем у оригинального материала. В большинстве случаев удаётся подобрать Dk достаточно близкий, чтобы с учетом техпроцесса остаться в стандартном допуске на импедансы +/-10%

Производство может само пересчитать импедансы, но тогда оно должно отправить их в RnD на согласование. Либо может попросить RnD внести правки в проект с учетом измененного Dk.