Деламинация и вздутия PCB: причины, профилактика и чек‑лист

Термическое напряжение и влага — молчаливые враги надежности печатных плат. Когда слои разделяются или под поверхностью образуются газовые карманы, плата подвергается катастрофическому отказу. Это руководство представляет собой всесторонний обзор деламинации и вздутия печатных плат: коренные причины и предотвращение, переходя от теоретических определений к практическим контрольным точкам производства.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы рассматриваем эти дефекты как предотвратимые проблемы, а не как неизбежные результаты. Понимая физику адгезии и теплового расширения, инженеры могут проектировать надежные платы, которые выдерживают суровые процессы сборки и эксплуатационные условия.

Ключевые выводы

Влага — основной катализатор: Захваченный водяной пар быстро расширяется во время пайки оплавлением, создавая давление, которое разделяет слои.
Выбор материала критичен: Согласование температуры стеклования (Tg) и температуры разложения (Td) с профилем сборки предотвращает термическую деградацию.
Контроль процесса предотвращает дефекты: Правильная обработка оксида и давление ламинирования необходимы для механической адгезии.
Предварительная выпечка обязательна: Предварительная выпечка печатных плат перед сборкой удаляет поглощенную влагу, значительно снижая риски "эффекта попкорна".
Валидация требует разрушения: Испытание на термошок и микросекционирование — единственные способы окончательно доказать, что стек устойчив к разделению.
Дизайн влияет на технологичность: Области с толстым слоем меди требуют специальных конструкций теплоотвода для предотвращения локализованных теплоотводов, которые нагружают ламинат.

Что на самом деле означают расслоение и образование пузырей на печатной плате: первопричины и предотвращение (область применения и границы)

Основываясь на ключевых выводах, крайне важно точно определить, что представляют собой эти отказы, чтобы эффективно их устранять. Хотя термины "расслоение" и "образование пузырей" часто используются как взаимозаменяемые, они описывают различные физические явления, хотя и имеют схожие первопричины.

Расслоение — это разделение слоев ламината. Это может произойти между смолой и пучками стекловолокна, между отдельными слоями препрега или между медной фольгой и смолой. Это структурное разрушение границы соединения. При расслоении электрическая изоляция между слоями нарушается, что приводит к потенциальным коротким замыканиям или обрывам цепи, если переходные отверстия повреждены.

Образование пузырей (Blistering) относится к локализованному вздутию или образованию пузырьков на поверхности печатной платы или внутри подложки. Это выглядит как волдырь на коже. Обычно это вызвано расширением газа — обычно водяного пара или летучих веществ из смолы — запертого внутри платы. Когда плата нагревается, этот газ расширяется, выталкивая слои наружу, пока они не деформируются пластически.

Обзор первопричин:

Захват влаги: Гигроскопичные материалы поглощают воду из воздуха. Во время пайки (240°C+) вода превращается в пар и увеличивается в объеме в 1000 раз.
Термический шок: Быстрый нагрев и охлаждение вызывают расширение и сжатие материалов. Если коэффициент теплового расширения (КТР) значительно различается между материалами, сдвиговое напряжение разрывает связь.
Загрязнение: Масла, пыль или окисление на поверхности меди перед ламинированием препятствуют химическому связыванию смолы.
Деградация материала: Превышение температуры разложения (Td) приводит к химическому разрушению системы смолы, выделяя газы, вызывающие расслоение.

Хотя это руководство посвящено проблемам расслоения, стоит отметить связанные с этим отказы, такие как отказ CAF в печатных платах: причины и правила проектирования. Рост CAF (проводящего анодного волокна) также обусловлен влагой, но приводит к электрохимической миграции, а не к физическому расслоению слоев. Оба требуют строгого контроля влажности.

Важные метрики (как оценивать качество)

Понимание физических определений позволяет нам рассматривать конкретные данные, которые предсказывают устойчивость материала к расслоению. Вы не можете управлять тем, что не измеряете.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон / Факторы	Как измерить
Tg (Температура стеклования)	Определяет, когда смола переходит из твердого состояния в мягкое. Мягкая смола расширяется быстрее (более высокий КТР), увеличивая нагрузку на соединения.	Стандарт: 130-140°C Высокая Tg: >170°C	ДСК (Дифференциальная сканирующая калориметрия) или ТМА.
Td (Температура разложения)	Температура, при которой смола теряет 5% своей массы. Если оплавление превышает Td, смола газифицируется, вызывая образование пузырей.	Стандарт: 310°C Высокая надежность: >340°C	ТГА (Термогравиметрический анализ).
КТР-Z (Расширение по оси Z)	Измеряет, насколько утолщается плата при нагревании. Сильное расширение разрывает слои и вызывает трещины в переходных отверстиях.	< 3.0% (от 50°C до 260°C) предпочтительно для высокой надежности.	ТМА (Термомеханический анализ).
T260 / T288	Время до расслоения при определенной температуре (260°C или 288°C). Показывает, как долго плата выдерживает температуры оплавления.	T260 > 60 мин T288 > 15 мин	ТМА (Изотермическая выдержка).
Влагопоглощение	Процент веса воды, поглощаемой материалом. Чем выше поглощение, тем выше риск "попкорнинга".	< 0.20% — это хорошо. Некоторые полиимиды поглощают > 1.0%.	Погружение на 24 часа с последующим взвешиванием.
Прочность на отслаивание	Сила, необходимая для отслаивания медной фольги от ламината. Прямая мера адгезии.	> 1.05 Н/мм (Стандарт) Уменьшается после термического воздействия.	Испытатель на растяжение, тянущий под углом 90° или 180°.

Руководство по выбору по сценарию (компромиссы)

Определив метрики, мы можем теперь применить их к реальным производственным сценариям. Не каждой плате нужен самый дорогой материал, но каждой плате нужен правильный материал для предотвращения расслоения и образования пузырей на печатной плате: первопричины и предотвращение.

Сценарий 1: Стандартная бытовая электроника (низкое количество слоев)

Контекст: Игрушки, базовые контроллеры, использование внутри помещений.
Рекомендация: Стандартный FR4 (Tg 135-140°C).
Компромисс: Низкая стоимость, но низкая термостойкость. Не подходит для многократных циклов оплавления или бессвинцовой пайки при высоких температурах.
Риск: Если процесс сборки включает пайку волной и оплавление, стандартный FR4 может вздуться.

Сценарий 2: Автомобильная и промышленная электроника (высокое термическое напряжение)

Контекст: Электроника под капотом, наружные датчики.
Рекомендация: Материалы High-Tg PCB (Tg > 170°C) с фенольными отвердителями.
Компромисс: Более высокая стоимость материала и сложнее сверлить (хрупкий).
Преимущество: Контролируется расширение по оси Z, что снижает нагрузку на межслойные соединения при экстремальных перепадах температур.

Сценарий 3: Бессвинцовая сборка (высокие температуры оплавления)

Контекст: Продукты, соответствующие RoHS, требующие профилей оплавления 260°C.
Рекомендация: Материалы с высоким Td (> 340°C) и T288 > 10 минут.
Компромисс: Необходимо для надежности. Стандартный FR4 часто слегка разлагается при бессвинцовых температурах, что приводит к микрорасслоению.
Риск: Использование материала с низким Td в этом месте гарантирует выделение газов и образование пузырей.

Сценарий 4: Жестко-гибкие конструкции

Контекст: Носимые устройства, складные устройства.
Рекомендация: Препреги без текучести (no-flow pre-pregs) и высокоэффективные полиимидные клеи.
Компромисс: Акриловые клеи имеют высокий КТР и поглощают влагу. Эпоксидные клеи лучше связывают, но менее гибки.
Риск: Интерфейс между жестким FR4 и гибким полиимидом является основным местом для расслоения. APTPCB рекомендует плазменную очистку этого интерфейса перед ламинированием.

Сценарий 5: Высокочастотные / РЧ-приложения

Контекст: Радар, 5G, связь.
Рекомендация: Ламинаты на основе ПТФЭ (тефлона).
Компромисс: ПТФЭ по своей природе "антипригарный". Приклеить к нему медь сложно.
Риск: Требуется специальная активация поверхности (травление натрием или плазма). Если этот шаг пропущен, медь отслоится во время сборки.

Сценарий 6: Среды с высокой влажностью

Контекст: Морская электроника, тропический климат.
Рекомендация: Материалы с низким влагопоглощением (< 0,15%) и высокой стойкостью к CAF.
Компромисс: Ограниченные варианты материалов.
Проверка: Должен пройти испытание на влажное тепло и влажность для печатных плат (85c/85rh) без образования пузырей.

От проектирования до производства (контрольные точки реализации)

Выбор правильного материала — это только полдела; производственный процесс должен сохранять целостность соединения. Вот контрольный список для предотвращения расслоения и образования пузырей от этапа проектирования до конечного продукта.

Контрольные точки этапа проектирования:

Баланс меди: Убедитесь, что распределение меди относительно равномерно по всем слоям. Большие дисбалансы вызывают деформацию во время ламинирования, создавая сдвиговое напряжение, которое приводит к расслоению.
Термические зазоры: Используйте термические спицы для контактных площадок, подключенных к большим медным плоскостям. Это предотвращает перегрев и расслоение контактной площадки во время пайки.
Симметрия стека: Симметричный стек многослойной печатной платы снижает внутренние напряжения. Асимметричные конструкции деформируются, разрывая слои.

Контрольные точки этапа изготовления: 4. Оксид внутреннего слоя: Медь на внутренних слоях должна быть химически обработана (коричневый или черный оксид) для создания шероховатой поверхности. Этот «зуб» позволяет смоле препрега механически сцепляться с медью. 5. Контроль влажности (препрег): Препрег должен храниться в условиях контролируемой температуры и влажности. Если он поглощает влагу до ламинирования, эта влага навсегда остается внутри платы. 6. Цикл ламинирования: Цикл прессования (нарастание тепла и давления) должен быть настроен в соответствии с кривой вязкости смолы. Если давление применяется слишком поздно, образуются пустоты. Если применяется слишком рано, смола вытекает слишком сильно (голодание), что приводит к слабым связям. 7. Выпекание после сверления: Сверление генерирует тепло и напряжение. Выпекание панелей удаляет влагу, поглощенную во время влажных процессов, таких как удаление смазки и гальваника.

Контрольные точки фазы сборки: 8. Предварительное выпекание: Это наиболее эффективный метод предотвращения. Выпекайте голые платы при 100-120°C в течение 2-4 часов перед сборкой, чтобы удалить влагу. 9. Профиль оплавления: Скорость нарастания температуры не должна превышать 2-3°C в секунду. Внезапный скачок температуры действует как удар молотка по связям слоев. 10. Пиковая температура: Минимизируйте время, проведенное выше температуры ликвидуса (TAL). Длительное воздействие ухудшает систему смолы (приближаясь к Td). 11. Охлаждение: Контролируемое охлаждение так же важно, как и нагрев. Быстрое охлаждение "замораживает" напряжение в структуре ламината.

Контрольные точки качества: 12. Микрошлиф: Физическое разрезание образца для осмотра линий связи под микроскопом. 13. Тест на всплытие: Помещение образца на расплавленный припой (288°C) на 10 секунд, чтобы увидеть, образуются ли пузыри (имитация экстремального термического шока).

Распространенные ошибки (и правильный подход)

Даже с благими намерениями производители и дизайнеры часто попадают в специфические ловушки, которые компрометируют целостность платы. Распознавание этих ошибок является ключом к освоению delamination and pcb blistering: root causes and prevention.

Ошибка 1: Игнорирование "срока хранения" печатных плат

Ошибка: Открытие вакуумно-запечатанных упаковок печатных плат и оставление их на несколько дней на влажном заводском воздухе перед сборкой.
Последствие: Платы действуют как губки, поглощая влагу. При попадании в печь оплавления они вздуваются.
Правильный подход: Неиспользованные платы немедленно запечатывать или хранить в сухих шкафах (< 10% относительной влажности). Если они были подвержены воздействию более 24 часов, запеките их.

Ошибка 2: Несоответствие препрега и сердечника

Ошибка: Использование сердечника с высоким Tg со стандартным препрегом Tg для экономии денег.
Последствие: Материалы расширяются с разной скоростью и по-разному отверждаются. Интерфейс между двумя различными системами смол становится слабым местом, склонным к разрушению.
Правильный подход: Всегда используйте однородную материальную систему, где сердечники и препреги химически совместимы.

Ошибка 3: Агрессивная доработка

Ошибка: Использование ручного паяльника, установленного на 400°C, для удаления компонента, удерживая его на контактной площадке слишком долго.
Последствие: Адгезионная связь между медью и ламинатом разрушается (отслоение контактной площадки/расслоение).
Правильный подход: Используйте предварительные нагреватели для платы и устанавливайте паяльники на минимально эффективную температуру.

Ошибка 4: Недостаточная замена оксида

Ошибка: Полагаться на стандартную очистку вместо надлежащего оксидирования (потемнения/чернения) на внутренних слоях.
Последствие: Смола не имеет поверхностной текстуры, за которую можно было бы зацепиться. Слои могут прилипнуть изначально, но разделятся под воздействием вибрации или термического циклирования.
Правильный подход: Убедитесь, что производитель использует проверенный альтернативный процесс оксидирования для максимальной прочности на отслаивание. Ошибка 5: Игнорирование выделения газов в переходных отверстиях
Ошибка: Неполное отверждение паяльной маски или заливочной пасты в переходных отверстиях.
Последствие: Летучие вещества остаются запертыми в стволе переходного отверстия. Во время оплавления они расширяются и растрескивают стенку переходного отверстия или вызывают образование пузырей на маске.
Правильный подход: Соблюдайте строгие графики отверждения для качества печатных плат для всех полимерных чернил.

Часто задаваемые вопросы

В: Можно ли отремонтировать расслоившуюся печатную плату? О: В общем, нет. Расслоение — это структурное разрушение основного материала. Хотя иногда можно обойти поврежденную дорожку с помощью перемычки, целостность изоляции платы нарушена, и расслоение, вероятно, будет распространяться. Для высоконадежных применений плата должна быть утилизирована.

В: Как отличить "коревую сыпь" от расслоения? О: "Коревая сыпь" — это небольшие, дискретные белые пятна, где стеклянные волокна отделились от смолы на пересечении плетения, обычно из-за механического напряжения. Они часто носят косметический характер и приемлемы согласно IPC Class 2. Расслоение — это более крупное, непрерывное разделение между слоями, которое влияет на электрические характеристики и является дефектом, подлежащим отбраковке.

В: Всегда ли необходимо запекать печатные платы? О: Если платы только что из вакуумной упаковки, а индикатор влажности (HIC) синий (сухой), запекание может не потребоваться. Однако для многослойных плат, гибко-жестких плат или старых запасов запекание является дешевой страховкой от образования пузырей. Q: Что такое "эффект попкорна"? A: Это сленговый термин для расслоения, вызванного влагой. Когда захваченная влага мгновенно испаряется во время оплавления, давление вызывает вздутие и растрескивание корпуса или печатной платы с слышимым "хлопком", похожим на лопающийся попкорн.

Q: Влияет ли поверхностное покрытие на расслоение? A: Косвенно. Покрытия, требующие более высоких температурных воздействий или нескольких циклов оплавления (например, HASL или несколько этапов погружения), создают большее термическое напряжение для ламината. Однако само поверхностное покрытие находится поверх меди; расслоение обычно происходит под медью или между диэлектрическими слоями.

Q: Как помогает "испытание печатных плат на влажное тепло и влажность (85c/85rh)"? A: Этот тест подвергает плату воздействию 85°C и 85% относительной влажности в течение длительных периодов (например, 1000 часов). Он принудительно вводит влагу в плату. Если плата выдерживает это без расслоения или развития отказов CAF, она считается надежной для суровых условий.

Q: Почему толстая медь увеличивает риск расслоения? A: Толстая медь (например, 3 унции+) удерживает тепло дольше, чем окружающий ламинат. Во время охлаждения медь сжимается с другой скоростью, чем смола. Если связь смолы недостаточно прочна, сдвигающая сила от охлаждающейся меди разорвет интерфейс.

Q: Какие стандарты IPC охватывают эти дефекты? A: IPC-A-600 (Приемлемость печатных плат) определяет визуальные критерии для образования пузырей и расслоения. IPC-TM-650 описывает методы испытаний (например, 2.4.24.1 для времени до расслоения).

Глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
Адгезия	Молекулярная сила притяжения между различными веществами (например, медью и эпоксидной смолой).
Образование пузырей (Blistering)	Локальное вздутие и разделение между любыми слоями ламинированного основного материала или между основным материалом и проводящей фольгой.
КТР (Коэффициент теплового расширения)	Мера того, насколько материал расширяется при нагревании. Несоответствия в КТР являются основной причиной расслоения.
Расслоение (Delamination)	Разделение между слоями внутри основного материала, между основным материалом и проводящей фольгой или любое другое плоское разделение.
Десмир (Desmear)	Химический процесс удаления смоляного налета с внутренних медных слоев просверленного отверстия для обеспечения хорошего электрического соединения.
Гигроскопичный	Свойство материала поглощать влагу из воздуха. FR4 является естественно гигроскопичным.
Ламинирование	Процесс соединения слоев препрега и основного материала с использованием тепла и давления.
Микрошлиф	Разрушающий тест, при котором печатная плата разрезается, полируется и рассматривается под микроскопом для проверки внутренних структур.
Дегазация	Выделение газа, запертого в твердом материале. В печатных платах это обычно водяной пар или растворители, выделяющиеся во время пайки.
Препрег	Стеклоткань, пропитанная полуотвержденной смолой (стадия B). Действует как клей и изолятор между слоями.
Td (Температура разложения)	Температура, при которой материал теряет 5% своей массы из-за химического разложения.
Tg (Температура стеклования)	Диапазон температур, при котором полимер переходит из твердого, стеклообразного состояния в мягкое, резиноподобное.
Термический шок	Напряжение, вызванное быстрыми изменениями температуры, часто приводящее к разрушению материала.
Пустота	Пустое пространство или воздушный карман внутри ламината или паяного соединения. Пустоты могут быть предшественниками образования пузырей.

Заключение (дальнейшие шаги)

Предотвращение расслоения и образования пузырей на печатных платах: первопричины и профилактика — это не одноразовое решение; это комплексный подход, включающий материаловедение, точный контроль производства и дисциплинированное обращение. От выбора материалов с высоким Td для бессвинцовых применений до соблюдения строгих протоколов выпечки в цеху — каждый шаг имеет значение.

В APTPCB мы интегрируем эти стратегии предотвращения в наши стандартные операционные процедуры. Мы гарантируем, что ваши данные будут проверены на предмет потенциальных термических рисков до начала производства.

Готовы производить надежные печатные платы? При отправке вашего проекта для DFM-анализа или запроса коммерческого предложения, пожалуйста, предоставьте следующее, чтобы помочь нам оценить риски расслоения:

Файлы Gerber: Включая все слои меди и файлы сверления.
Требования к стеку: Укажите общую толщину и предпочтительные диэлектрические материалы.
Условия эксплуатации: Будет ли плата подвергаться воздействию высокой влажности или экстремальных температур?
Профиль сборки: Информация о ваших температурах оплавления (особенно если бессвинцовая).
Особые требования: Любые специфические требования к Tg или Td в зависимости от вашего применения.

Сотрудничая с производителем, который понимает физику отказов, вы гарантируете безупречную работу вашей продукции в полевых условиях.