Délamination et cloques PCB : causes, prévention et checklist

La contrainte thermique et l'humidité sont les ennemis silencieux de la fiabilité des cartes de circuits imprimés. Lorsque les couches se séparent ou que des poches de gaz se forment sous la surface, la carte subit une défaillance catastrophique. Ce guide offre un aperçu complet du délaminage et du cloquage des PCB : causes profondes et prévention, passant des définitions théoriques aux points de contrôle de fabrication exploitables.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous considérons ces défauts comme des problèmes évitables plutôt que des résultats inévitables. En comprenant la physique de l'adhérence et de la dilatation thermique, les ingénieurs peuvent concevoir des cartes robustes qui survivent aux processus d'assemblage difficiles et aux environnements opérationnels.

Points clés à retenir

L'humidité est le principal catalyseur : La vapeur d'eau piégée se dilate rapidement pendant la refusion, créant une pression qui sépare les couches.
La sélection des matériaux est critique : L'adéquation de la température de transition vitreuse (Tg) et de la température de décomposition (Td) au profil d'assemblage prévient la dégradation thermique.
Le contrôle du processus prévient les défauts : Un traitement approprié de l'oxyde et la pression de laminage sont essentiels pour l'adhérence mécanique.
Le précuit est obligatoire : Le précuit des PCB avant l'assemblage élimine l'humidité absorbée, réduisant considérablement les risques d'"effet pop-corn".
La validation nécessite une destruction : Les tests de choc thermique et le microsectionnement sont les seuls moyens de prouver de manière définitive qu'un empilement est résistant à la séparation.
La conception a un impact sur la fabricabilité : Les zones de cuivre épais nécessitent des conceptions de décharge thermique spécifiques pour éviter les puits de chaleur localisés qui sollicitent le stratifié.

Ce que signifient réellement la délamination et le cloquage des PCB : causes profondes et prévention (portée et limites)

En s'appuyant sur les points clés, il est essentiel de définir exactement ce qui constitue ces défaillances pour les traiter efficacement. Bien que souvent utilisés de manière interchangeable, la délamination et le cloquage décrivent des phénomènes physiques distincts, bien qu'ils partagent des causes profondes similaires.

La délamination est la séparation des couches du stratifié. Cela peut se produire entre la résine et les faisceaux de fibres de verre, entre des couches individuelles de pré-imprégné, ou entre la feuille de cuivre et la résine. Il s'agit d'une défaillance structurelle de l'interface de liaison. Lorsque la délamination se produit, l'isolation électrique entre les couches est compromise, entraînant des courts-circuits potentiels ou des circuits ouverts si les vias sont sectionnés.

Le cloquage (blistering) fait référence à un gonflement localisé ou à la formation de bulles à la surface du PCB ou à l'intérieur du substrat. Cela ressemble à une ampoule sur la peau. Ceci est généralement causé par l'expansion de gaz — généralement de la vapeur d'eau ou des substances volatiles de la résine — piégés à l'intérieur de la carte. Lorsque la carte est chauffée, ce gaz se dilate, poussant les couches vers l'extérieur jusqu'à ce qu'elles se déforment plastiquement.

Aperçu des causes profondes :

Piégeage de l'humidité : Les matériaux hygroscopiques absorbent l'eau de l'air. Pendant le brasage (240°C+), l'eau se transforme en vapeur et son volume se dilate de 1000 fois.
Choc thermique : Le chauffage et le refroidissement rapides provoquent l'expansion et la contraction des matériaux. Si le Coefficient de Dilatation Thermique (CTE) diffère significativement entre les matériaux, la contrainte de cisaillement rompt la liaison.
Contamination : Les huiles, la poussière ou l'oxydation sur la surface du cuivre avant la stratification empêchent la résine de se lier chimiquement.
Dégradation du matériau : Le dépassement de la Température de Décomposition (Td) provoque la décomposition chimique du système de résine, libérant des gaz qui entraînent la séparation.

Bien que ce guide se concentre sur les problèmes de séparation, il convient de noter les défaillances connexes telles que la défaillance CAF dans les PCB : causes et règles de conception. La croissance du CAF (Filament Anodique Conducteur) est également due à l'humidité, mais elle entraîne une migration électrochimique plutôt qu'une séparation physique des couches. Les deux nécessitent un contrôle strict de l'humidité.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Comprendre les définitions physiques nous permet d'examiner les points de données spécifiques qui prédisent la résistance d'un matériau à la délamination. Vous ne pouvez pas gérer ce que vous ne mesurez pas.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique / Facteurs	Comment mesurer
Tg (Température de Transition Vitreuse)	Détermine quand la résine passe de l'état dur à l'état mou. La résine molle se dilate plus rapidement (CTE plus élevé), augmentant la contrainte sur les liaisons.	Standard: 130-140°C Tg élevée: >170°C	DSC (Calorimétrie Différentielle à Balayage) ou TMA.
Td (Température de Décomposition)	La température à laquelle la résine perd 5% de sa masse. Si le refusion dépasse Td, la résine se gazéifie, provoquant des cloques.	Standard: 310°C Haute fiabilité: >340°C	TGA (Analyse Thermogravimétrique).
CTE-Z (Dilatation selon l'axe Z)	Mesure l'épaississement de la carte lorsqu'elle est chauffée. Une dilatation élevée sépare les couches et fissure les vias.	< 3.0% (de 50°C à 260°C) est préféré pour une haute fiabilité.	TMA (Analyse Thermomécanique).
T260 / T288	Temps avant la délamination à une température spécifique (260°C ou 288°C). Indique combien de temps la carte résiste aux températures de refusion.	T260 > 60 min T288 > 15 min	TMA (Maintien isotherme).
Absorption d'humidité	Le pourcentage de poids d'eau absorbé par le matériau. Une absorption plus élevée équivaut à un risque plus élevé de "popcorning".	< 0.20% est bon. Certains polyimides absorbent > 1.0%.	Immersion pendant 24 heures suivie d'une pesée.
Résistance au pelage	La force requise pour décoller la feuille de cuivre du stratifié. Mesure directe de l'adhérence.	> 1.05 N/mm (Standard) Diminue après contrainte thermique.	Testeur de traction tirant à 90° ou 180°.

Guide de sélection par scénario (compromis)

Les métriques étant définies, nous pouvons maintenant les appliquer à des scénarios de fabrication réels. Toutes les cartes n'ont pas besoin du matériau le plus cher, mais chaque carte a besoin du bon matériau pour prévenir la délamination et le cloquage du PCB : causes profondes et prévention.

Scénario 1 : Électronique grand public standard (faible nombre de couches)

Contexte: Jouets, contrôleurs de base, utilisation en intérieur.
Recommandation: FR4 standard (Tg 135-140°C).
Compromis: Faible coût, mais faible résistance thermique. Ne convient pas aux cycles de refusion multiples ou à la soudure sans plomb à haute température.
Risque: Si le processus d'assemblage implique le brasage à la vague et la refusion, le FR4 standard peut cloquer.

Scénario 2 : Automobile et industriel (contrainte thermique élevée)

Contexte: Électronique sous le capot, capteurs extérieurs.
Recommandation: Matériaux PCB à Tg élevé (Tg > 170°C) avec des agents de durcissement phénoliques.
Compromis: Coût des matériaux plus élevé et plus difficile à percer (cassant).
Bénéfice: L'expansion sur l'axe Z est contrôlée, réduisant le stress sur les liaisons des couches lors des variations de température extrêmes.

Scénario 3 : Assemblage sans plomb (températures de refusion élevées)

Contexte: Produits conformes RoHS nécessitant des profils de refusion à 260°C.
Recommandation: Matériaux avec un Td élevé (> 340°C) et T288 > 10 minutes.
Compromis: Essentiel pour la fiabilité. Le FR4 standard se décompose souvent légèrement à des températures sans plomb, entraînant une micro-délamination.
Risque : L'utilisation de matériaux à faible Td ici garantit le dégazage et la formation de cloques.

Scénario 4 : Constructions rigides-flexibles

Contexte : Appareils portables, dispositifs pliables.
Recommandation : Pré-imprégnés sans flux (no-flow pre-pregs) et adhésifs polyimides haute performance.
Compromis : Les adhésifs acryliques ont un CTE élevé et absorbent l'humidité. Les adhésifs époxy adhèrent mieux mais sont moins flexibles.
Risque : L'interface entre le FR4 rigide et le polyimide flexible est le point n°1 de délamination. APTPCB recommande un nettoyage au plasma de cette interface avant la stratification.

Scénario 5 : Applications haute fréquence / RF

Contexte : Radar, 5G, communications.
Recommandation : Stratifiés à base de PTFE (Téflon).
Compromis : Le PTFE est naturellement "antiadhésif". Il est difficile d'y faire adhérer le cuivre.
Risque : Nécessite une activation de surface spéciale (gravure au sodium ou plasma). Si cette étape est ignorée, le cuivre se décollera pendant l'assemblage.

Scénario 6 : Environnements très humides

Contexte : Électronique marine, climats tropicaux.
Recommandation : Matériaux à faible absorption d'humidité (< 0,15 %) et haute résistance au CAF.
Compromis : Options de matériaux limitées.
Validation : Doit réussir le test de chaleur humide et d'humidité pour PCB (85c/85rh) sans formation de cloques.

De la conception à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

Choisir le bon matériau n'est que la moitié de la bataille ; le processus de fabrication doit préserver l'intégrité de la liaison. Voici une liste de contrôle pour assurer la prévention du délaminage et du cloquage, de la conception au produit final.

Points de contrôle de la phase de conception :

Équilibre du cuivre : Assurez-vous que la distribution du cuivre est relativement uniforme sur toutes les couches. Des déséquilibres importants provoquent un gauchissement pendant le laminage, créant une contrainte de cisaillement qui entraîne une séparation.
Dégagements thermiques : Utilisez des rayons thermiques pour les pastilles connectées à de grands plans de cuivre. Cela empêche la pastille de surchauffer et de se délaminer lors des réparations de soudure.
Symétrie de l'empilement : Un empilement symétrique de PCB multicouche réduit les contraintes internes. Les constructions asymétriques se déforment, séparant les couches.

Points de contrôle de la phase de fabrication : 4. Oxyde de couche interne : Le cuivre sur les couches internes doit être traité chimiquement (oxyde brun ou noir) pour créer une surface rugueuse. Cette « dent » permet à la résine pré-imprégnée d'adhérer mécaniquement au cuivre. 5. Contrôle de l'humidité (pré-imprégné) : Le pré-imprégné doit être stocké dans des environnements à température et humidité contrôlées. S'il absorbe de l'humidité avant le laminage, cette humidité est piégée à l'intérieur de la carte pour toujours. 6. Cycle de laminage : Le cycle de pressage (rampe de chaleur et de pression) doit être ajusté à la courbe de viscosité de la résine. Si la pression est appliquée trop tard, des vides se forment. Si elle est appliquée trop tôt, la résine s'écoule trop (manque de résine), ce qui entraîne des liaisons faibles. 7. Cuisson post-perçage : Le perçage génère de la chaleur et du stress. La cuisson des panneaux élimine l'humidité absorbée lors des processus humides comme le décapage et le placage.

Points de contrôle de la phase d'assemblage : 8. Pré-cuisson : C'est la méthode de prévention la plus efficace. Cuire les cartes nues à 100-120°C pendant 2-4 heures avant l'assemblage pour éliminer l'humidité. 9. Profil de refusion : Le taux de montée en température ne doit pas dépasser 2-3°C par seconde. Un pic soudain de température agit comme un coup de marteau sur les liaisons des couches. 10. Température de pointe : Minimiser le temps passé au-dessus de la température de liquidus (TAL). Une exposition prolongée dégrade le système de résine (approchant Td). 11. Refroidissement : Un refroidissement contrôlé est tout aussi important que le chauffage. Un refroidissement rapide "gèle" le stress dans la structure du stratifié.

Points de contrôle qualité : 12. Microsectionnement : Couper physiquement un échantillon pour inspecter les lignes de liaison au microscope. 13. Test de flottement : Faire flotter un échantillon sur de la soudure fondue (288°C) pendant 10 secondes pour voir s'il se boursoufle (simulant un choc thermique extrême).

Erreurs courantes (et la bonne approche)

Même avec de bonnes intentions, les fabricants et les concepteurs tombent souvent dans des pièges spécifiques qui compromettent l'intégrité de la carte. Reconnaître ces erreurs est essentiel pour maîtriser delamination and pcb blistering: root causes and prevention.

Erreur 1 : Ignorer la "durée de vie en usine" des PCB

L'erreur : Ouvrir les emballages de PCB scellés sous vide et les laisser exposés à l'air humide de l'usine pendant des jours avant l'assemblage.
La Conséquence: Les cartes agissent comme des éponges, absorbant l'humidité. Lorsqu'elles passent dans le four de refusion, elles cloquent.
Approche Correcte: Resceller immédiatement les cartes non utilisées ou les stocker dans des armoires sèches (< 10% HR). Si exposées > 24 heures, les cuire.

Erreur 2: Désaccord entre le pré-imprégné et le noyau

L'Erreur: Utiliser un noyau à Tg élevé avec un pré-imprégné à Tg standard pour économiser de l'argent.
La Conséquence: Les matériaux se dilatent à des vitesses différentes et durcissent différemment. L'interface entre les deux systèmes de résine différents devient un point faible sujet à la fracture.
Approche Correcte: Toujours utiliser un système de matériaux homogène où les noyaux et les pré-imprégnés sont chimiquement compatibles.

Erreur 3: Retouche Agressive

L'Erreur: Utiliser un fer à souder manuel réglé à 400°C pour retirer un composant, en le maintenant trop longtemps sur le pad.
La Conséquence: La liaison adhésive entre le cuivre et le stratifié est détruite (décollement du pad/délaminage).
Approche Correcte: Utiliser des préchauffeurs pour la carte et régler les fers à la température efficace la plus basse.

Erreur 4: Remplacement Inadéquat de l'Oxyde

L'Erreur: Se fier à un nettoyage standard au lieu d'une oxydation appropriée (brunissement/noircissement) sur les couches internes.
La Conséquence: La résine n'a pas de texture de surface à laquelle s'accrocher. Les couches peuvent adhérer initialement mais se sépareront sous l'effet des vibrations ou des cycles thermiques.
Approche Correcte: S'assurer que le fabricant utilise un processus d'oxydation alternatif vérifié pour une résistance au pelage maximale. Erreur 5 : Négliger le dégazage dans les vias
L'erreur : Ne pas polymériser complètement le masque de soudure ou l'encre de bouchage dans les vias.
La conséquence : Des substances volatiles restent piégées dans le fût du via. Pendant la refusion, elles se dilatent et fissurent la paroi du via ou provoquent des cloques sur le masque.
Approche correcte : Respecter des programmes de polymérisation stricts pour la qualité des PCB pour toutes les encres polymères.

FAQ

Q : Un PCB délaminé peut-il être réparé ? R : Généralement, non. Le délaminage est une défaillance structurelle du matériau de base. Bien que vous puissiez parfois contourner une trace cassée avec un fil de liaison, l'intégrité de l'isolation de la carte est compromise et le délaminage est susceptible de se propager. Pour les applications à haute fiabilité, la carte doit être mise au rebut.

Q : Comment distinguer les "taches de rousseur" (measles) du délaminage ? R : Les "taches de rousseur" (measles) sont de petites taches blanches discrètes où les fibres de verre se sont séparées de la résine à l'intersection du tissage, généralement en raison d'un stress mécanique. Elles sont souvent cosmétiques et acceptables selon la classe IPC 2. Le délaminage est une séparation plus grande et continue entre les couches qui affecte les performances électriques et constitue un défaut à rejeter.

Q : Le séchage des PCB est-il toujours nécessaire ? R : Si les cartes sont fraîchement sorties de l'emballage sous vide et que la carte indicatrice d'humidité (HIC) est bleue (sèche), le séchage pourrait ne pas être nécessaire. Cependant, pour les cartes à grand nombre de couches, les cartes flex-rigides ou les stocks plus anciens, le séchage est une assurance bon marché contre le cloquage. Q: Qu'est-ce que l'"Effet Popcorn" ? A: C'est un terme familier désignant la délamination induite par l'humidité. Lorsque l'humidité piégée se vaporise instantanément pendant la refusion, la pression provoque le gonflement et la fissuration du boîtier ou du PCB avec un "pop" audible, similaire à l'éclatement du maïs soufflé.

Q: La finition de surface affecte-t-elle la délamination ? A: Indirectement. Les finitions qui nécessitent des excursions thermiques plus élevées ou plusieurs cycles de refusion (comme le HASL ou plusieurs étapes d'immersion) exercent plus de stress thermique sur le stratifié. Cependant, la finition de surface elle-même se trouve au-dessus du cuivre ; la délamination se produit généralement sous le cuivre ou entre les couches diélectriques.

Q: Comment le "test de chaleur humide et d'humidité pour PCB (85c/85rh)" aide-t-il ? A: Ce test soumet la carte à 85°C et 85% d'humidité relative pendant des périodes prolongées (par exemple, 1000 heures). Il force l'humidité à pénétrer dans la carte. Si la carte survit à cela sans se délaminer ou développer des défaillances CAF, elle est considérée comme robuste pour les environnements difficiles.

Q: Pourquoi le cuivre épais augmente-t-il le risque de délamination ? A: Le cuivre épais (par exemple, 3oz+) retient la chaleur plus longtemps que le stratifié environnant. Pendant le refroidissement, le cuivre se contracte à un rythme différent de celui de la résine. Si la liaison de la résine n'est pas assez forte, la force de cisaillement du cuivre en refroidissement déchirera l'interface.

Q: Quelles normes IPC couvrent ces défauts ? A: IPC-A-600 (Acceptabilité des cartes imprimées) définit les critères visuels pour le cloquage et le délaminage. IPC-TM-650 décrit les méthodes de test (comme 2.4.24.1 pour le temps de délaminage).

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
Adhérence	La force d'attraction moléculaire entre différentes substances (par exemple, le cuivre et l'époxy).
Cloquage	Gonflement et séparation localisés entre l'une des couches d'un matériau de base stratifié, ou entre le matériau de base et la feuille conductrice.
CTE (Coefficient de Dilatation Thermique)	Une mesure de la quantité d'expansion d'un matériau lorsqu'il est chauffé. Les déséquilibres de CTE sont une cause principale de délaminage.
Délaminage	Une séparation entre les couches à l'intérieur d'un matériau de base, entre un matériau de base et une feuille conductrice, ou toute autre séparation planaire.
Desmear	Un processus chimique pour enlever les bavures de résine des couches de cuivre internes d'un trou percé afin d'assurer une bonne connexion électrique.
Hygroscopique	La propriété d'un matériau à absorber l'humidité de l'air. Le FR4 est naturellement hygroscopique.
Laminage	Le processus de liaison des couches de pré-imprégné et de matériau de base ensemble en utilisant la chaleur et la pression.
Microsection	Un test destructif où un PCB est coupé, poli et observé au microscope pour inspecter les structures internes.
Dégazage	Le dégagement de gaz piégé dans un matériau solide. Dans les PCB, il s'agit généralement de vapeur d'eau ou de solvants libérés pendant le brasage.
Pré-imprégné	Tissu de fibre de verre imprégné de résine semi-polymérisée (stade B). Il agit comme colle et isolant entre les couches.
Td (Température de Décomposition)	La température à laquelle un matériau perd 5 % de son poids en raison d'une décomposition chimique.
Tg (Température de Transition Vitreuse)	La plage de température où un polymère passe d'un état dur et vitreux à un état mou et caoutchouteux.
Choc Thermique	La contrainte produite par des changements rapides de température, conduisant souvent à la défaillance du matériau.
Vide	Un espace vide ou une poche d'air à l'intérieur du stratifié ou du joint de soudure. Les vides peuvent être des précurseurs de cloques.

Conclusion (prochaines étapes)

Prévenir la délaminage et le cloquage des PCB : causes profondes et prévention ne relève pas d'une solution unique ; c'est une approche holistique impliquant la science des matériaux, un contrôle de fabrication précis et une manipulation disciplinée. Du choix de matériaux à Td élevé pour les applications sans plomb à l'application de protocoles de cuisson stricts en atelier, chaque étape compte.

Chez APTPCB, nous intégrons ces stratégies de prévention dans nos procédures opérationnelles standard. Nous nous assurons que vos données sont examinées pour détecter les risques thermiques potentiels avant le début de la production.

Prêt à fabriquer des PCB fiables ? Lorsque vous soumettez votre conception pour une revue DFM ou un devis, veuillez fournir les éléments suivants pour nous aider à évaluer les risques de délaminage :

Fichiers Gerber : Y compris toutes les couches de cuivre et les fichiers de perçage.
Exigences d'empilement: Spécifiez l'épaisseur totale et les matériaux diélectriques préférés.
Environnement Opérationnel: La carte sera-t-elle exposée à une humidité élevée ou à des températures extrêmes ?
Profil d'Assemblage: Informations sur vos températures de refusion (surtout si sans plomb).
Exigences Spéciales: Tout besoin spécifique en Tg ou Td basé sur votre application.

En vous associant à un fabricant qui comprend la physique de la défaillance, vous vous assurez que vos produits fonctionnent parfaitement sur le terrain.