Влияние влажности и условий хранения на механические свойства печатных плат из FR-4

Одна из ключевых целей печатной платы — обеспечить эффективное функционирование электронных устройств. Однако, при производстве и хранении печатных плат возникает множество факторов, которые могут повлиять на их качество и надежность в работе. Наиболее значимыми факторами влияющими на механические свойства печатных плат являются воздействие влажности и условия хранения FR-4 это наиболее распространенный материал для изготовления печатных плат, но его свойства могут существенно изменяться при воздействии влаги. В данной статье мы рассмотрим влияние влажности и условий хранения на свойства печатных плат из стеклотекстолита FR-4, а также проведем сравнение этих свойств у печатных плат из FR-4 и FR-4 HiTg.

FR-4 и FR-4 HiTg — это два разных типа стеклотекстолита, которые используются для изготовления печатных плат. Они отличаются температурой стеклования смолы, которая определяет их механические свойства и стойкость к воздействию влаги и тепла. Температура стеклования — это такая температура при которой печатная плата начинает обладать пластичностью, в какой-то степени текучестью.

FR-4 — это стандартный тип стеклотекстолита, который обычно используется для изготовления печатных плат. Он содержит эпоксидную смолу, армирующие материалы на основе стекловолокна и наполнители. Такой стеклотекстолит имеет температуру стеклования смолы порядка 125–135 °C.

FR-4 HiTg (High Tg) — это улучшенный тип стеклотекстолита, который имеет более высокую температуру стеклования смолы, порядка 170–180 °C. Благодаря этому он обладает более высокой степенью стойкости к высоким температурам и влажности, что позволяет использовать его в более экстремальных условиях.

Рассмотрим некоторые характеристики стеклотекстолита FR-4 и FR-4 Tg 170 производства Zhejiang Huazheng New Material, которые используются у нас на заводе:

Здесь мы можем видеть существенное различие в коэффициенте расширения по оси Z, а также в значении поглощения влаги.

Ответ на вопрос — почему температура стеклования оказывает влияние свойства печатных плат кроется в том, что от температуры стеклования и состава эпоксидной смолы зависит коэффициент линейного расширения по оси Z. Чем больше коэффициент линейного расширения, тем хуже, ведь он отличен от коэффициента расширения меди и это приводит к разрывам переходных отверстий или дорожек. Причины различной температуры стеклования у различных смол кроются в молекулярной структуре этих смол.

Дело в том, что FR-4 с обычной температурой стеклования производится из дифункциональных (диановых) смол, которые имеют в своем составе две функциональные группы. Проще говоря дифункциональные смолы довольно-таки просты по составу. В то время как текстолит FR-4 HiTg производят из мультифункциональных смол, которые имеют гораздо больше функциональных групп в своём составе. Благодаря этому появляется большее количество связей внутри молекулы и увеличивается молекулярный вес полимерной молекулы. А это ведет к увеличению температуры стеклования и уменьшению коэффициента линейного расширения не только в диапазоне, превышающем температуру стеклования, но и в диапазоне нормальных условий.

Накопление влаги в смоле ухудшает ее свойства, снижая температуру стеклования смолы и увеличивая ее коэффициент линейного расширения. Это следствие разрушающего действия воды на макромолекулы полимера эпоксидной смолы. Для простых диановых смол с относительно короткими полимерными цепями влияние влаги наиболее опасно. Разрушение макромолекул полимера способствует исчезновению многих связей в молекуле и уменьшению молекулярной массы. Все это приводит к значительному увеличению коэффициента линейного расширения смолы по оси Z, а это уже приводит к разрушению медного рисунка на поверхности печатной платы.

Кроме того, влага может проникать внутрь печатной платы и при нагреве испаряться и образовывать вздутия на поверхности печатной платы, которые будут вызывать расширение печатной платы по оси Z. Пример такого вздутия приведён на рисунке ниже.

А также подобные вздутия способствуют расслаиванию печатной платы, возникновению коррозии, изменению сопротивления в случайных местах печатной платы. Дефектовать печатные платы после того, как они побывали в воде, бывает крайне проблематично. Поэтому существует ряд рекомендаций для того, чтобы минимизировать влияние влажности на печатные платы.

Избежать воздействия влаги на печатные платы

Чтобы избежать воздействия влаги на печатные платы, можно предпринять следующие меры:

Правильное хранение: Хранить печатные платы стоит в сухой и чистой среде, вдали от влаги и сырости. Стоит избегать хранения печатных плат в местах с большими температурными колебаниями. Упаковка печатных плат может включать различные элементы, такие как антистатические материалы, индикаторы влажности, контейнеры с подложкой и другие материалы, которые помогают обеспечить сохранность электронных компонентов во время транспортировки и хранения. Также срок хранения печатных плат зависит от финишного покрытия. К примеру, покрытия типа HASL и ENIG хранятся в течение года. Иммерсионное серебрение, олово и OSP хранятся в течение 6 месяцев. По прошествии этого срока, печатные платы не выходят из строя, но могут покрываться оксидной пленкой, падает способность к паяемости компонентов к печатной плате, а у некоторых типов финишных покрытий способность к паяемости и вовсе пропадает. После припаивания элементов срок годности печатных плат увеличивается до 20 лет при правильной упаковке и хранении.

Сушка: Если же печатная плата подверглась воздействию влаги, то будет необходима сушка печатной платы. При сушке печатных плат необходимо быть аккуратным, чтобы не нанести вреда компонентам на печатной плате. Не следует превышать допустимую температуру сушки, так как это может привести к повреждению компонентов. Необходимо использовать оптимальные условия, такие как правильная температура и влажность, для проведения процесса сушки. В некоторых случаях сушка может быть бесполезной. Например, если влага проникла глубоко в печатную плату, существуют специальные значения впитывания влаги печатной платой, после которых сушка оказывается бесполезной и печатная плата приходит в негодность.

Важно соблюдать все эти меры предосторожности, поскольку влага и неправильное хранение могут вызвать коррозию, расслаивание или короткое замыкание печатной платы, что приведет к неисправности или отказу.