» Публикации » Технические обзоры » Сушка печатных плат при бессвинцовой пайке

Сушка печатных плат при бессвинцовой пайке

Аркадий Медведев
Аркадий Сержантов

Высокие температуры бессвинцовой пайки заставляют вернуться к проблемам предотвращения расслоения оснований печатных плат, которое происходит из-за интенсивного нагрева.

Существуют специальные меры, направленные на увеличение устойчивости плат к расслоениям при нагреве. К таким мерам относят использование материалов оснований с высокой температурой стеклования [1], выполнение массивных полигонов внутренних слоев в виде сеток [2], упрочнение адгезионных связей специальной обработкой металлических поверхностей (оксидацией) [3]. В этом ряду удаление влаги из оснований печатных плат перед пайкой стоит особняком ввиду того, что необходимость данного процесса очевидна не для всех. И если для электронных компонентов установлены жесткие правила, предотвращающие их увлажнение перед пайкой [4], то для монтажных подложек таких правил нет. Хотя для печатных плат не менее существенно поддерживать минимальный уровень объемной влаги, чтобы предотвратить их расслоение при пайке [5]. Особенно важно это при групповых методах нагрева и еще более необходимо для пайки волной припоя.

Конечно, стандартные методики испытаний базовых материалов предусматривают их устойчивость к термоударам, имитирующим процессы пайки. Но от полуфабриката до готовой продукции столь длинный и разнообразный путь, что трудно ожидать от печатных плат такой же устойчивости к пайке, если не принять специальных мер, включая глубокую сушку.

В первую очередь нелишне напомнить, что большая проникающая способность воды обусловлена малым размером ее молекулы по сравнению с капиллярами и межмолекулярными полостями в твердых материалах [6].

Влага, накапливающаяся в объеме оснований печатных плат, имеет различные формы, отличающиеся прочностью связей. При сушке энергия нагрева и диффузионные процессы, стимулированные нагревом, должны разрывать такие связи и удалять определенную долю влаги из объема. Эта доля существенно зависит от соотношения прочности различных видов связи влаги с макро- и микроструктурой объема и энергией и механизмами нагрева при сушке.

Формы и виды увлажнения оснований плат

Влагопроницаемость и сорбция воды материалом определяются его физическим состоянием, поверхностными явлениями, надмолекулярной структурой, а для полимеров также химическим строением структурного звена и цепи полимера. Свойства увлажненного материала зависят от формы и вида связи влаги с веществом сухого материала.

Наиболее полно классификация форм связи влаги с материалом приводится в теории сушки [7]. В связи с тем, что процесс удаления жидкости из материала сопровождается нарушением ее связи со структурой этого материала, на что затрачивается определенная энергия, предложена следующая классификация форм связи: 
1) химическая связь;
2) физико-химическая связь;
3) физико-механическая связь.

Рассмотрим определение основных форм связи воды с материалом:
• Химическая связь характеризуется связью в строго определенных молекулярных соотношениях (стехиометрическая связь); к ней относится ионная связь, образованная в результате химической реакции, и молекулярная связь с образованием кристаллогидратов. В процессе сушки химически связанная влага настолько прочно закреплена в объеме материала, что, как правило, при приемлемых температурах сушки не удаляется. 
• Физико-химическая связь происходит в различных, не строго определенных соотношениях. К ней относятся адсорбционная связь (связь жидкости в гидратных оболочках) и осмотическая связь.

При контакте адсорбционно связанной жидкости с поверхностью материала происходит выделение тепла, при этом наибольшее количество тепла выделяется при образовании первого мономолекулярного слоя. Первый слой воды находится под большим давлением, обусловленным молекулярным силовым полем, в результате чего плотность жидкости в этом нанослое больше обычной. Адсорбционно связанная вода имеет свойства упругого твердого тела, тонкие пленки которой толщиной около 0,1 мкм обладают расклинивающим свойством. Малейшие неплотности на границе стекловолокно-смола в композиционных диэлектриках являются сосредоточием расклинивающих процессов, распространяющихся вдоль волокон стеклоткани.

Сорбционная форма связи (в части активированной сорбции) — физико-химическая форма связи в микрокапиллярах.

Осмотическая связь характерна для полимеров, содержащих низкомолекулярные фракции, например остатки растворителей, недополи-меризованные продукты, низкомолекулярные пластификаторы и т. д. Такие полимеры с разной молекулярной массой поглощают значительное количество влаги (набухают). Процесс набухания связан с диффузией влаги к низкомолекулярной растворимой фракции через полупроницаемые стенки замкнутых клеток из высокополимерной нерастворимой фракции. Образующийся гелеподобный раствор сосредотачивается между стенками высокомолекулярной клетки. За счет неравновесной диффузии создается разность осмотических давлений на стенках клеток. Как правило, к такому процессу склонны недополимери-зованные продукты связующего композиционных диэлектриков. Низкомолекулярные фракции гидролизуются и накапливают связанную влагу в клетках полимеризованного продукта.

Осмотический характер сорбции имеет и классическое происхождение для загрязнений монтажных подложек неорганическими продуктами, неизбежными в ходе изготовления плат. Молекулы воды, диффундируя через материал основания или через паяльную маску, задерживаются у частицы соли загрязнения, растворяя ее с образованием солевого раствора. Так как упругость паров воды в растворе меньше упругости паров чистой воды, то через стенки ячейки с раствором внутрь ее медленно диффундирует вода. За счет этого стенки ячейки растягиваются, и их упругое натяжение создает своего рода противодействие дальнейшему поглощению воды (обратный осмос). Внутри ячейки с раствором загрязнений образуется осмотическое давление, расклинивающее материал.

• Физико-механическая связь удерживает влагу в неопределенном количестве. К этой связи относятся капиллярная связь и связь смачивания (прилипание воды при непосредственном соприкосновении с поверхностью тела). Капиллярная связь делится в свою очередь на два вида: связь в микрокапиллярах (когда радиус капилляра меньше 10-5 см) и связь в макрокапиллярах (когда радиус капилляра больше 10-5 см). Такое условное деление предложено исходя из длины свободного пробега молекул паров воды, равной примерно 10-5 см.

Давление пара жидкости над мениском макрокапилляра практически (с точностью до 1%) равно давлению насыщенного пара над свободной поверхностью жидкости, зависящему от температуры. В то время как давление насыщенного пара жидкости в микрокапиллярах зависит еще и от радиуса мениска жидкости.

Различают следующие основные виды связи влаги в материале: ионную, молекулярную (гидратную), адсорбционную, осмотическую, структурную, капиллярную, смачивания и водородную. Адсорбционная влага в свою очередь делится на:

1) влагу мономолекулярной адсорбции;

2) влагу полимолекулярной адсорбции.

Капиллярная связь влаги, как уже было сказано ранее, делится на влагу макрокапилляров и влагу микрокапилляров. Влага макрокапилляров подразделяется в зависимости от положения в порах на:

1) капиллярную;

2) фуникулерную (фитильную);

3) пендулярную (стыковую).

Влага микрокапилляров является активированной, и перенос ее происходит в виде эффузии (молекулярного течения). Конденсат влаги в таких капиллярах происходит уже при относительной влажности порядка 60%.

В зависимости от формы и видов связи влаги с материалом и от соотношения количества поглощенной влаги материалы оснований делятся на три группы:

• 1-я группа. Капиллярно-пористые материалы. Влага, содержащаяся в таких материалах, в основном связана капиллярными силами. Капиллярно-пористые материалы впитывают любую смачивающую жидкость независимо от ее состава. Типичными представителями капиллярно-пористых тел являются влажный кварцевый песок, древесный уголь, некоторые строительные материалы, си-ликагель и т. д.
В нашем случае к этой группе следует отнести композиционные диэлектрики, то есть подавляющее большинство материалов оснований печатных плат.

• 2-я группа. Коллоидные тела. Влага в материале связана главным образом осмотически или структурно. При удалении жидкости эти тела значительно изменяют свои размеры (сжимаются), сохраняя эластические свойства. Типичными представителями коллоидных тел являются желатин, агар-агар, мучное тесто. Очевидно, эту группу материалов мы оставим без внимания.

• 3-я группа. Капиллярно-пористые коллоидные тела. К этой группе относятся тела, содержащие жидкость, связанную осмотически и капиллярно, то есть обладающие свойствами тел первых двух групп. В этой группе нас могут интересовать материалы оснований с незавершенным отверждением связующего.
Целение всех материалов на три указанные группы носит условный характер и не определяется какой-либо одной формой связи влаги с материалом.

Следует отметить, что нет резкой границы между отдельными формами связи жидкости с телом, и поэтому можно говорить лишь о преобладании той или иной формы связи.

Рассмотрим некоторые группы электроизоляционных материалов оснований печатных плат:

Слоистые пластики и лакоткани — в основном капиллярно-пористые тела, для которых характерна преимущественно физико-механическая связь влаги в макро-и микрокапиллярах. Материалы такого типа можно отнести к материалам, которым свойственна неактивированная сорбция в процессе термовлагостарения.
Эластомеры — в основном квазикапилляр-но-пористые материалы (полиэфирные, по-лиимидные и др. пленки гибких оснований, для которых характерна физико-химическая осмотическая связь влаги с материалом). Эластомеры также следует отнести к материалам, отличающимся осмотической сорбцией.
Синтетические полимеры обычно характеризуются сорбционной формой связи или водородной формой связи, близкой к химической форме (характерно, например, для полиамидов, лавсана, поликарбоната). Знание форм и видов связи влаги с диэлектриком помогает объяснить многие явления, связанные с увлажнением электроизоляционных материалов.
 

Диффузия влаги
 

Влагопроницаемость

Любой электроизоляционный материал, находясь во влажном воздухе, поглощает некоторое количество влаги. Сначала на поверхности материала происходит адсорбция паров воды, затем возникает диффузия паров воды в направлении уменьшения градиента концентрации влаги и (в случае мембраны, разделяющей два пространства с разной концентрацией водяных паров) десорбция паров воды со стороны пространства с меньшей концентрацией паров воды. Если электроизоляционный материал сильно увлажнен, а окружающий его воздух сух, происходит диффузия влаги в направлении стороны, обращенной к сухому воздуху, и десорбция влаги в окружающее пространство, то есть сушка материала.

В условиях высокой относительной влажности воздуха на поверхности электроизоляционного материала формируется полимолекулярный слой воды, толщина которого тем больше, чем выше значение относительной влажности воздуха. Адсорбция паров воды диэлектриком и его смачиваемость в значительной степени зависят от полярности последнего так, что чем полярнее диэлектрик, тем адсорбция паров воды и смачиваемость больше.

Объемное поглощение влаги материалом, происходящее путем диффузии, является частью сорбции и называется абсорбцией.

Различают два типа абсорбции — активированную и неактивированную.

Неактивированная сорбция происходит, если в материале имеются поры и капилляры, размеры, количество и характер которых не зависят от температуры в той мере, в какой можно пренебречь зависимостью размеров пор от теплового расширения. В условиях высокой влажности на стенках внутренних пор и капилляров адсорбируется слой воды, и при большой внутренней поверхности материал поглотит значительное количество влаги и резко ухудшит свои электрические характеристики.

Для неактивированной сорбции характерно молярное перемещение влаги внутрь материала по законам капиллярного движения.

Рис. 1. Жидкость в капилляре

В зависимости от величины краевого угла смачивания, жидкость в капилляре, погруженном в нее, может или подниматься, или опускаться.

Если обозначить через г радиус цилиндрической стеклянной трубки (рис. 1), настолько тонкой, что форму мениска можно считать сферической, а через Θ — краевой угол между поверхностью жидкости и стеклом (обычно близкий к нулю), то радиус кривизны мениска будет равен r/cosθ и давление непосредственно под мениском будет понижено по сравнению с давлением на той же высоте в жидкости с плоской поверхностью на величину 2γ cosθ /r, где у — коэффициент поверхностного натяжения, или свободная энергия единицы поверхности жидкости. Это создает выталкивающее давление, стремящееся поднять жидкость в капилляре, в результате чего мениск поднимается на высоту h, при которой вес столба жидкости, поднятой выше уровня ее плоской поверхности вне капилляра, уравновешивает данное выталкивающее давление. Если ηι-η2 выражает разность плотности жидкости , то h определяется соотношением:

 

 

Если же краевой угол смачивания больше 90°, то Cosθ отрицателен, соответственно, отрицательна и h, то есть жидкость в капилляре опускается. Это наблюдается, например, в том случае, когда капилляр покрыт изнутри парафином, а внутри капилляра находится вода.

Неактивированная сорбция характерна для таких материалов неорганического происхождения, как мрамор, шифер, а также для композиционных материалов, в которых строение материала допускает наличие капилляров, а элементы конструкций (торцы, отверстия) создают доступ влаги в объем материала.

Для большинства полимерных диэлектриков характерна активированная сорбция, при которой происходит непосредственное внедрение молекул воды между молекулами диэлектрика. Благодаря тепловым колебаниям самих молекул полимера и их звеньев, молекулы воды, из-за малых размеров (табл. 1), могут беспрепятственно проникать в полимер. Для активированной сорбции характерно молекулярное перемещение влаги внутри материала по законам диффузии.

Процесс проникновения молекул воды в полимер происходит следующим образом. Если диэлектрик находится во влажном воздухе, то молекулы воды, двигаясь с большими скоростями, будут ударяться о поверхность диэлектрика. Время от времени отдельные молекулы или звенья длинных молекул, получив от соседних молекул добавочную тепловую энергию (энергию активации), перескакивают в новое положение, а на месте ушедшей молекулы остается «дырка», в которую может влететь молекула воды и закрепиться там благодаря ван-дер-ваальсовым силам. Как известно, вандерваальсовы силы притяжения молекул относительно слабы, вследствие чего имеется вероятность отрыва закрепившейся молекулы для перехода в следующую «дырку», если такая образуется.

Если в соседнем слое новая «дырка» не образуется, то молекула воды, закрепившаяся в «дырке» поверхностного слоя, через некоторое время оторвется от молекулы материала и перейдет обратно во внешнюю среду. Так происходит десорбция влаги.

Внедрение молекул воды в диэлектрик связано с затратой добавочной тепловой энергии — энергии активации. Естественно, в связи с этим для активированной сорбции характерна температурная зависимость.

Активированная сорбция делится на четыре вида:

сорбция в неполярных или слабополярных материалах, подчиняющаяся закону Генри (например, в парафине и полистироле);
сорбция в полярных материалах (например, в целлулоиде);
сорбция в волокнистых материалах (например, в электрокартоне и бумаге);
сорбция осмотического характера при высоких значениях относительной влажности воздуха (например, в эластомерах).
Последние три вида сорбции не подчиняются закону Генри. Закон Генри определяет взаимосвязь количества поглощенной влаги с давлением паров воды, окружающих материал, и количеством паров воды, растворившихся в нем. В результате происходит набухание полимерного диэлектрика:

 

 

где С— количество поглощенной влаги, кг/м3; р — давление паров воды, Па; h — коэффициент растворимости, кг/(мЗ Па).

Известно, что для неполярных и слабополярных диэлектриков коэффициент растворимости уменьшается с ростом температуры; количество поглощенной влаги является функцией относительной влажности воздуха и мало зависит от температуры. Но скорость сорбции с ростом температуры увеличивается, и состояние насыщения достигается быстрее.

В тех случаях активированной сорбции, где не применим закон Генри, зависимость концентрации растворенной влаги от давления имеет следующий вид:

 

 

При высокой относительной влажности рост концентрации происходит значительно быстрее, чем по закону Генри, и показатель п>1. Это отклонение от закона Генри вызывается для полярных материалов наличием сильного взаимодействия с молекулами воды или наличием в материале водорастворимых примесей.

Диффузия молекул воды внутрь полярного диэлектрика осложняется тем, что молекулы воды, имеющие дипольный момент, закрепляются около полярных радикалов. С ростом температуры коэффициент растворимости для полярных материалов обычно падает.

При наличии в материале водорастворимых солей поглощение влаги имеет мощный осмотический характер.

Известно несколько способов определения степени увлажнения материалов, позволяющих принять решение сушить или не сушить платы перед пайкой [8]: весовые, изменения давления паров, применение радиоактивных индикаторов, метод равновесного поглощения, измерение диэлектрической проницаемости, сорбционный и некоторые другие.

Метод равновесного поглощения — самый простой из рассматриваемых и сводится к периодическому взвешиванию увлажненных материалов на аналитических весах. Основной недостаток этого метода — большая продолжительность, так как насыщение влагой материала или его сушка до установившегося значения для композиционных диэлектриков может происходить в течение нескольких месяцев.

Диффузионные механизмы увлажнения и сушки

С молекулярной точки зрения диффузия представляет собой хаотическое перемещение молекул, на которое накладывается перемещение, вызванное наличием градиента концентрации. В этом суммарном потоке вещества движение отдельных молекул также происходит независимо и подчиняется вероятностным законам.

Таблица 1. Размеры каналов водопоглощения

В действительности процесс протекает во времени не стационарным образом; при малых концентрациях и для слабо сорбирующихся веществ диффузия сначала возрастает со временем, а затем достигает постоянного значения (насыщение материала диффундирующим веществом).

Если градиент концентрации влаги направлен по оси х, то поток влаги вдоль этой оси выражается линейным законом Фика:

где D — коэффициент диффузии; С — концентрация влаги.

Первый закон Фика отражает тот эмпирический факт, что диффузионный поток исчезает, если образец однородно насыщен диффузантом, то есть концентрации диффузанта выравниваются по рассматриваемому направлению диффузии.

Рассмотрим единичную площадку, расположенную перпендикулярно оси х (рис. 2). Пусть М1 — поток воды через эту площадку в сечении х, а М2 — в сечении х+Δх (поток направлен вдоль оси х).

Если Ах очень мало, то:

Рис. 2. К уравнению диффузии

Поскольку количество воды М1; входящей в элемент объема Δх (единичная площадка, умноженная на толщину) в единицу времени f, отлично от количества выходящей М2, то концентрация в объеме изменяется. Увеличение количества воды в элементе объема Δх равно:

Уравнение первого закона Фика справедливо в любом случае, даже если концентрация или градиент концентрации в данной точке меняются в зависимости от времени. На основании уравнения первого закона Фика вместо уравнения (2) получаем:

Это второй закон диффузии Фика. Если величина D не зависит от координат, то уравнение (3) принимает вид:

По кривым сорбции, в зависимости от времени пребывания образца в условиях повышенной влажности, можно использовать это основное уравнение диффузии для определения коэффициентов диффузии и растворимости (считаем, что диффузия идет в одном направлении).

В связи с тем, что распределение концентраций с обеих сторон образца одинаково, расчет ведется для половины образца толщиной 2d

Примем граничные условия:

1) при t = 0 для всех х значение С = 0;

2) для всех t при х = d имеем С = Cw, где Cw — равновесная концентрация (состояние насыщения)

dC/dx = 0.

Окончательное решение уравнения (4) дает изменение относительной концентрации паров воды в толще образца на глубине х за время f в пределах половины образца толщиной d при коэффициенте диффузии D и концентрации насыщения Cw и имеет вид:

При снятии кривых сорбции практически имеют дело не с концентрацией, а с количеством поглощенной воды Q.

После интегрирования уравнения (5) и введения ряда упрощений окончательно получаем:

где

Q — суммарное количество влаги за время t, Q — равновесное количество влаги при насыщении.

При соблюдении неравенства Dt/d2 > 0,1 что обычно встречается на практике, можно с достаточной степенью точности пренебречь всеми членами ряда (7), кроме первого, и тогда получить простое уравнение:

Преобразовав уравнение (9) и прологарифмировав его, получим:

Из уравнения (10) по кривым сорбции легко определить коэффициент диффузии D.

Коэффициент растворимости, определяемый количеством килограммов воды, растворенной в 1 м3 материала, отнесенным к разности давлений, легко вычисляется по значению Qw, так как для растворимости паров воды или для растворимости воды

где р — парциальное давление, Па; М — первоначальная масса образца, кг; δ — плотность материала, кг/м3.

Чем выше температура при относительной влажности воздуха, близкой или равной 100%, тем больше число молекул воды находится в нем и тем интенсивнее происходит заполнение «дырок» на поверхности материала.

В случае полярных материалов наблюдается сильное взаимодействие воды с полярными радикалами. Молекулы воды, имеющие ди-польный момент, стремятся закрепиться около полярных радикалов. Это должно способствовать более интенсивному увлажнению материала.

Таблица 2. Значения констант диффузии для некоторых материалов (при t = 20 °С|
(открыть изображение)

В таблице 2 приведены значения констант диффузии, найденные авторами в немногочисленных источниках.

Термовлаго диффузия

Если внутри влажного электроизоляционного материала имеется перепад температур, то под влиянием температурного градиента влага в виде жидкости или пара перемещается по направлению потока тепла в холодную сторону.

Одной из причин такой миграции влаги становится молекулярное движение жидкости и пара — явление термодиффузии. С увеличением температуры уменьшается поверхностное натяжение воды и соответственно ее поверхностное давление. В местах с более высокой температурой поверхностное давление воды меньше, объемное давление больше, поэтому влага в капиллярно-пористых телах перемещается в сторону низких температур. Перемещению влаги внутри нагретого капиллярно-пористого тела способствует также увеличение объема воздуха в капиллярах и полостях, благодаря чему происходит механическое проталкивание влаги по капиллярам.

Таким образом, основными законами перемещения влаги в материале являются законы диффузии (молекулярное перемещение), закон капиллярного движения (молярное перемещение) и механическое проталкивание влаги капиллярным воздухом. Законы диффузии и капиллярного перемещения объединяются в один закон — закон влагопроводности, который может быть сформулирован следующим образом: плотность потока влаги прямо пропорциональна градиенту концентрации или градиенту влажности в направлении нормали к изоконцен-трической поверхности.

Перемещение влаги в нагретом капиллярно-пористом теле называется термовлаго-проводимостью. Это явление было объяснено в 1934 году А. В. Лыковым [7-9].

Следует учитывать, что по закону Фурье, устанавливающему зависимость между плотностью теплового потока и температурным градиентом, тепловой поток распространяется от более нагретого места к менее нагретому; поток влаги также распространяется от места с большей концентрацией к месту с меньшей концентрацией, а под влиянием температурного поля влага распространяется в направлении теплового потока, опережая его.

Если сушка основания происходит путем нагрева ее окружающим воздухом (конвекционная сушка), то влага начинает двигаться впереди теплового потока внутрь основания в еще не прогревшийся объем. Затем при выравнивании температуры по всему объему основания вступает в силу закон перемещения влаги в результате появляющегося градиента концентрации влаги внутри основания от центра объема к поверхности, с которой испаряется влага в окружающую среду.

Рис. 3. Влагонабор стеклоэпоксидного материала типа FR-4 в условиях 85%-ной влажности. Образцы 10x10x0,3 мм!
Если сушка организована так, что поглощение энергии и, соответственно, нагрев происходит по всему объему основания (ПК- или СВЧ-нагрев), то влага под воздействием теплового потока передвигается из объема к поверхности основания и затем от поверхности основания в окружающий ее воздух.

Количество испарившейся влаги прямо пропорционально разности парциальных давлений пара испаряющейся жидкости у поверхности и в окружающей среде, времени, интенсивности диффузии влаги из объема основания к поверхности и поверхности испарения.

Расслоения при пайке

Процесс увлажнения плат может длиться как угодно долго. Он ограничен только временем от отгрузки плат заказчику до поступления на сборочно-монтажную линию. Но испарение влаги из основания при пайке происходит настолько быстро, что пары воды распирают материал, провоцируя расслоения.

На рис. 3 показана динамика влагопогло-щения композиционного стеклоэпоксидного диэлектрика типа FR-4. Характерно, что изначально влагопоглощение идет медленно: происходит обычное проникновение влаги в объем основания через капилляры и межмолекулярные полости. В дальнейшем процесс ускоряется за счет гидролиза связующего. Именно этот процесс гидролиза наиболее опасен для предотвращения расслоения: ячейки с гидратированными продуктами взрываются при резком нагреве во время пайки, создавая многочисленные оспы в объеме и на поверхности оснований. Точно так же сорбционно связанная капиллярная влага при нагреве быстро вскипает, обнажая структуру стеклоткани. Чтобы представить интенсивность потока выделяющегося пара, можно, используя законы Авога-дро и Бойля-Мариотта и данные графика на рис. 3, показать, что из образца 10x10x1,5 мм: (объемом 1,5 мл) при температуре бессвинцовой пайки 260 °С за очень короткое время выделяется 100 мл пара, если образец совсем не подвергался сушке.

Кривая сушки имеет такой же, но обратный характер с некоторым гистерезисом за счет процессов гидролиза при увлажнении. При сушке гидратированная влага с трудом покидает объем материала, но интенсивно выделяется при пайке. Поэтому лучше вообще не допускать увлажнения плат, рассчитывая на дальнейшую сушку, чтобы предотвратить процессы гидролиза.

Для многослойных печатных плат, в структуре которых используют массивы фольги на внутренних слоях «земли» и питания, интенсивно выделяющийся пар, встречая непреодолимое сопротивление фольги и не успевая рассосаться, распирает слои, вызывая расслоение. Часто это явление сопровождается короблением плат, которое обнаруживается после пайки.

В процессе производства печатные платы периодически подвергаются сушке и нагреву для отверждения покрытий. Но на конечном этапе они подвергаются всевозможным операциям тестирования и приемки. Хорошо, если при тестировании они находятся в контролируемой среде по температуре и влажности (если соблюдаются условия стерильности) и в финале подвергаются вакуумной упаковке перед отправкой заказчику. Вся дальнейшая судьба плат не может гарантировать ее приемлемо сухое состояние. Тем не менее, если задаться вопросом: «Где сушить платы? У производителя или у потребителя?» — можно ответить: «И там, и там». Почему?

1. Всякий контакт плат с внешней средой приводит не только к их увлажнению, но и к процессам гидролиза, то есть к таким формам влагопоглощения, устранение которых затруднено. За счет хорошей смачиваемости и поверхностного натяжения капиллярная влага накапливается в объеме уже при относительной влажности порядка 60%. Конденсированная в капиллярах влага диффундирует в ближайший объем и, если она находит низкомолекулярные продукты, гидролизует их. Но гидролиз — медленный процесс, длительный во времени. И чем меньше ему предоставлено времени, тем лучше. Поэтому перед отгрузкой заказчику платы нужно сушить и поддерживать их сухое состояние за счет использования вакуумной упаковки.

2. Но упаковка плат пленками создает лишь временный барьер для влаги, в то время как внешняя среда, сопровождающая транспортировку плат к заказчику, не контролируема. В летний сезон в зонах умеренного климата температура и влажность характеризуются относительно большими значениями. Что касается климатических зон Юго-Восточной Азии, откуда могут поступать заказы печатных плат, они круглогодично отличаются большой влажностью. В этих ситуациях вакуумная упаковка сухих плат не только замедляет диффузию влаги, но создает диффузионный барьер для воздействия агрессивной атмосферы промышленных зон, другими словами, предотвращает (или по крайней мере замедляет) коррозионные процессы металлических элементов печатных плат и гидролиз изоляции. Но к заказчику после транспортировки платы на место использования приходят в неопределенном состоянии, поэтому требуют сушки («кондиционирования»).

3. Современное сборочно-монтажное производство, как правило, оснащено «сухими» шкафами с поддержанием влажности на уровне 1, 3, 5%. Они предназначены для хранения не использованных в производстве распакованных компонентов. «Сухие» шкафы — прекрасное средство сушки плат. Но если их нет, приходится использовать вентилируемые термошкафы, в которых при температуре 120 °С за 4 часа платы доходят до нужной кондиции сушки. Остается только не допустить их дальнейшего увлажнения до момента использования.

Заключение

Влага имеет возможность медленно накапливаться в основаниях печатных плат и быстро испаряется при пайке. Интенсивное испарение создает мощный напор пара, провоцирующий различные формы расслоения оснований и их коробление.

Поэтому сухому состоянию печатных плат непосредственно перед пайкой нужно уделять такое же внимание, как и компонентам.

Для компонентов установлены нормы на время пребывания их в контролируемой среде сборочно-монтажных производств (температура 21±1 °С и влажность 55±5%). Для оснований печатных плат таких норм нет. Но сушка их перед поступлением на сбороч-но-монтажную линию — операция, уменьшающая риск их расслоения и коробления.

Авторы были бы рады, если бы специалисты реального производства поделились своими наблюдениями за поведением диэлектрических оснований печатных плат в процессах пайки и приемами предотвращения дефектов,

вызванных испарением влаги из объемов монтажных подложек. По мере накопления этого опыта можно было бы установить такие же правила обращения с печатными платами, какие установлены для электронных компонентов.

Литература

Медведев А. Требования к материалам и технологиям печатных плат при бессвинцовой пайке // Производство электроники. 2005. №2.
Акулин А. Проектирование многослойных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 6.
Галецкий Ф., Лейтас И., Петров Л., Николаева Е. Сравнительный анализ адгезионных слоев // Производство электроники. 2006. № 7.
Лейтас И. Бессвинцовая директива: что нас ожидает в ближайшем будущем // Производство электроники. 2006. №5.
Макитрук А., Медведев А., Сержантов А. Исследование процессов увлажнения печатных плат // Вопросы радиоэлектроники. ЭВТ. (Технология и производство ЭВМ). Вып. 11. 1985.
Богородицкий Н., Пасынков В. Материалы в радиоэлектронике. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1961.
Лыков А. Теория сушки. М.: Энергия. 1968.
Маслов В. Влагостойкость электрической изоляции. М.: Энергия. 1973.
Смольский Б. М. Внешний тепло- и массо-обмен в процессе конвективной сушки. Минск: изд-во Белгосуниверситета. 1957.
 

« Технические обзоры