Печатные платы. Причины коробления

Введение

Методы противодействия возникновению деформации плат хорошо проанализированы в трудах С. В. Новокрещенова, в частности в его известной статье [1], опубликованной в 2004 году. Но вопросы по поводу коробления все еще остаются. Авторы этой статьи пытаются дополнить или несколько иначе интерпретировать положения С. В. Новокрещенова, чтобы еще раз вернуться к решению проблемы коробления.

Начнем с главного: коробления возникают из-за реализации внутренних напряжений в теле платы. Источники внутренних напряжений кроются в переплетениях стеклотканей, в усадочных явлениях, возникающих в процессе полимеризации связующего, в напряжениях сдвига, возникающих в процессе прессования слоистых пластиков или многослойной печатной платы (МПП) из-за разности в коэффициентах термического расширения компонентов слоистых пластиков. Все эти напряжения неизбежно возникают в процессе производства композиционных диэлектриков и МПП. Отсюда следует, что борьба с короблением состоит в уменьшении внутренних напряжений или их симметрировании таким образом, чтобы они компенсировали друг друга. Собственно, на этом можно было бы и закончить, потому что этим все сказано. Но возникает желание определить все явления, вызывающие коробление.

Усадочные явления при отверждении связующего

Объемная усадка большинства эпоксидных смол уникальна, она составляет около 0,4% до гелеобразования и около 2,8% после гелеобразования. У других полимеров она гораздо больше. Например, у полиимидов она 17%, у полиэфиров — 12–15%. Вот почему эпоксидный клей с его уникально малой усадкой так хорош: не только из-за отличных адгезионных свойств, но и из-за незначительных внутренних напряжений в клеевом шве — потенциальных источниках разрушения склейки.

Уже на начальных стадиях создания композиционных фольгированных диэлектриков на основе стеклотканей напряжения возникают и сосредотачиваются в стеклянной пряже — в ее скрученных нитках и фиксируются фольгой. При вытравливании рисунка печатных проводников эти напряжения освобождаются: диэлектрическое основание усаживается. Это сказывается на размерной стабильности слоев МПП. Но главное в том, что несимметричная плотность рисунка на двух сторонах платы, естественно, вызывает коробление основания.

Что нужно делать? Следует выравнивать плотность меди на двух сторонах слоя за счет использования полигонов в виде сеток (рис. 1). Многие скажут: это всем известно. Да, известно, но почему-то не делается.

Рис. 1. Переплетение стеклоткани плоской пряжей

Рис. 2. Заполнение полигонов сплошной фольгой

Самый весомый «вклад» в коробление — ортогональная топология рисунка на двух сторонах платы или слоя МПП. Это неизбежно приводит к винтообразному отклонению платы от плоскостности. И его технологическими приемами не исправить.

Уже несколько лет зарубежные производители фольгированных диэлектриков используют стеклоткани с незначительным скручиванием пряжи [2], чтобы в ней в меньшей степени аккумулировались напряжения при прессовании.

Температурные коэффициенты расширения (ТКР)

Разница в ТКР меди (17×10^–6), стекла (12×10^–6) и связующего (более 100×10^–6) тоже естественным образом может приводить к деформации при остывании композиции или спрессованной МПП после прессования. Конечно, со временем напряжения, вызванные разницей в ТКР, релаксируют. Но на производстве не будут ждать, когда закончится этот процесс, поэтому прибегают к известной всем терморихтовке непосредственно перед сборкой. Но если причины кроются в неправильном конструировании, платы после рихтовки со временем возвращаются в коробленое состояние.

Сборка пакета слоев

Здесь тоже нужно соблюдать однородность пакета. Лучше закладывать в конструкцию одинаковые основания слоев и препреги, потому что любая разнородность — причина коробления. Легко представить, что в пакет слоев могут попасть препреги с разными сроками жизни, а значит, и с разной текучестью. Последствия очевидны. Для набора нужной толщины в конструкции МПП лучше предусмотреть использование более тонкой стеклянной основы прокладочной стекло-ткани (препрега) с бóльшим количеством листов [1].

Еще одно правило: нужно строго следить за тем, чтобы все слои и препреги укладывались в стопку однородно по утку и основе. Для этого листы маркируются соответствующим образом, чтобы соблюдать это правило от нарезки заготовок до укладки в пакет слоев МПП. Если из соображений экономии при раскрое материала в пакет попадет слой или лист препрега, отличающийся от направления ткачества, коробление неизбежно.

Не нужно торопиться с использованием материала, что называется, «с колес». Ему нужно обязательно хорошо вылежаться, чтобы прийти в однородное состояние по температуре и влажности. От состояния влажности листов препрега зависит качество запрессовки: если в пакет попали листы препрега с разной влажностью, коробление неизбежно [1]. Лучше всего препреги хранить и выдерживать в специальных камерах с температурой 12…15 °C и влажностью до 45%. На участке прессования нужно поддерживать такую температуру и влажность, чтобы избежать запотевания листов препрега при изъятии их из камеры хранения [3].

Прессование

Влияние процесса прессования, пресс-форм, теплоносителей, управления нагревом хорошо описаны у Новокрещенова [1]. Нужно лишь добавить, что контроль скорости охлаждения заготовок в прессе во многом позволяет избежать искривления и скручивания, если они не связаны с неправильно выбранной конструкцией.

Существуют также некоторые общие рекомендации, которые применимы к большинству материалов.

Использование вакуумного прессования

Что касается поглощения влаги, то очень важно применять вакуум при прессовании до повышения температуры и отверждения смолы в препреге. Это позволяет удалить остатки влаги, которая может образоваться в полости между слоями. Использование вакуума также может удалить другие летучие компоненты, такие как остатки растворителей в материале препрега. Часто этому не придают должного внимания, а на самом деле применение вакуума может существенно сказаться на качестве МПП и выполнении последующих операций.

Рекомендованное время применения вакуума может зависеть от фактического уровня влаги в используемом материале, но чаще всего колеблется от 15 до 30 мин. Очень важно в это время не нагревать слишком сильно пакет слоев.

Нагрев и приложение давления

Для конкретной полимерной системы важно понимать реологию смолы в препреге в зависимости от скорости повышения температуры. Это, наряду со своевременным приложением давления, гарантирует полное склеивание внутренних слоев и хорошее смачивание смолой нитей стеклоткани. Полное смачивание внутренних слоев и хорошее растекание смолы по рельефу проводников имеют большое значение для обеспечения устойчивости плат к тепловым воздействиям при последующей обработке с помощью нагрева.

Снятие напряжений и профиль давления

Важно создавать достаточное давление на пакет слоев, чтобы смола в препрегах нагрелась и начала растекаться по внутрислойным рисункам проводников. Требуемое давление можно менять в зависимости от типа используемого материала и уровня достигаемого вакуума во время этого процесса. Главное в этом процессе, что после того как смола начинает отверждаться и перестает растекаться, понижение давления в прессе может способствовать уменьшению внутренних напряжений в МПП. Это может также улучшить устойчивость плат к групповому нагреву при пайке. По зарубежным источникам [4], обычно давление уменьшают до 2,5–4 бар.

Скорость охлаждения

После того как материал был выдержан при определенной температуре в течение требуемого интервала времени, который зависит от типа используемого материала, скорость его охлаждения также будет иметь большое значение для уменьшения коробления. Обычно небольшие скорости охлаждения способствуют уменьшению коробления и остаточных напряжений. Единственное, что этому мешает: медленное охлаждение неблагоприятно сказывается на производительности процесса. Во многих случаях медленное охлаждение ведут до температуры стеклования смолы, затем следует несколько ускоренное охлаждение. Такой режим гарантирует хороший баланс качества и производительности.

Температурные режимы пайки

Разработка профиля нагрева при пайке имеет значение не только для очевидных требований пайки компонентов, но и для гарантии того, что печатная плата не будет повреждена в результате тепловых воздействий. Эти требования часто дополняют друг друга. Термопрофили могут меняться с изменением толщины печатной платы, распределения меди, плотности размещения компонентов, а также других факторов. Составление таких профилей для удовлетворения всех требований может быть весьма сложным процессом. Для оценки воздействия на печатную плату и базовый материал необходимо обратить внимание на скорость нагрева и время, в течение которого плата находится под воздействием пиковых температур, а также на скорость последующего охлаждения. Минимизация температурных градиентов поперек платы имеет большое значение для уменьшения напряжения, возникающего из-за различий в температурном расширении составляющих композиционных материалов.

Неодинаковое распределение меди и различия в массе слоев в поперечном направлении основания печатной платы могут привести к появлению как «горячих точек», в которых температура может приближаться к температуре разложения, так и области напряжения из-за различий в температурном расширении. Эти «горячие точки» или большие градиенты температур могут проявиться при попытке ускорить процесс за счет увеличения пиковых температур в термопрофиле. Эти «горячие точки» и температурные градиенты можно уменьшить, используя зоны профиля предварительного нагрева, в которых печатная плата может стабилизироваться при определенных температурах перед нагревом до пиковой температуры.

Скорость охлаждения до комнатной температуры также сказывается на короблении. Слишком быстрое охлаждение может привести к появлению значительных температурных градиентов и спровоцировать появление напряжений, вызванных температурным расширением, что, в свою очередь, может привести к короблению и расслоению плат. Следует более строго контролировать процедуры перехода на пайку групповым нагревом. Контроль температуры при таком переходе и время воздействия этих температур на плату имеют большое значение.

Заключение

Причины коробления настолько многообразны и противоречивы, что для любого предприятия они индивидуальны, и поиск правильных решений зачастую становится трудным. То, что написано в этой статье, не является панацеей от всех бед. Это лишь подсказка направления поиска. Тем не менее в таблице мы ранжировали причины коробления по большинству случаев (субъективно).

Литература

1. Новокрещенов С. Коробление многослойных печатных плат // Электронные компоненты. 2004. № 2.
2. Медведев А. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера, 2005.
3. Медведев А., Сержантов А., Семенов П. Инженерное обеспечение производства электроники // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 6.
4. Печатные платы: Справочник. В 2 кн. / Под ред. К. Ф. Кумбза. М.: Техносфера, 2011.