Классификация дефектов печатных плат

УДК 620.179 Данилова Е.А.

Пензенский государственный университет

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Аннотация. Для создания конкурентоспособной радиоэлектронной аппаратуры необходимо уделять пристальное внимание обеспечению качества и повышению надежности. Данный процесс должен затрагивать все стадии производства аппаратуры начиная со стадии производства печатных плат. В статье предложена классификация технологических дефектов печатных плат, дано описание и выявлены возможные причины появления дефектов по каждому из признаков. Классификация дает возможность построения на ее основе моделей дефектов для своевременного регулирования технологических процессов.

Ключевые слова: печатная плата, дефект, признак дефекта, технологический дефект

Появление дефектов обусловлено комплексом причин, которые носят различный характер - несовершенство технологических процессов, оборудования, несоблюдение технологических норм и правил персоналом, износ оборудования, изменение параметров материалов в процессе эксплуатации и т.д. Большинство отказов печатных плат связано с наличием скрытых технологических дефектов, которые могут проявляться во время эксплуатации. Характер дефектов во многом определяет особенность их поиска. Поэтому важно определить, к какому типу относится данный дефект. Классификация дефектов печатных плат по признакам может ускорить определение неисправности и соответственно сократить время, затрачиваемое на ремонт, позволяет своевременно регулировать технологический процесс.

Отечественные стандарты по проектированию и контролю качества печатных плат определяют дефект как отдельное несоответствие объекта установленным нормам и требованиям. В ГОСТ Р 533862009 «Платы печатные. Термины и определения», содержится ряд определений, затрагивающий качество печатных плат и приводятся определения некоторых видов дефектов печатных плат.

Иностранные производители пользуются стандартом IPC-A-600H «Критерии качества печатных плат» («Acceptability of Printed Boards») - стандарт по дефектам печатных плат. В нем описаны приемлемые (и неприемлемые) отклонения и дефекты для разных классов точности печатных плат. В частности, стандарт затрагиваем материалы печатных плат, паяльные маски, переходные отверстия, металлизацию токопроводящих частей печатной платы, маркировку печатной платы, конструктивные особенности.

Обобщая материал, представленный в нормативной и методической литературе можно привести следующую классификацию технологических дефектов печатных плат (рис. 1).

Дефекты печатных плат

Дефекты

металлизации

заусенцы

шероховатость

стенок

недостаточное кол-во металлизации

неравномерное распределение слоя

нарушение контакта

неметаллизированные

участки

Дефекты Дефекты

изоляционного материала проводящего рисунка

пятна

трещины

расслоение

пузырение

тканевая структура

коробление

скручивание

вмятины

углубление

царапины

раковина

заужение

расширение

вырыв

протрав

трещины

смещение центра отверстий

изменение геометрии КП

Дефекты

финишных покрытий

пустота

диаметр отверстий

смачивание

наплывы

несмачивание

Рисунок 1 - Классификация технологических дефектов печатных плат

В соответствии с предложенной классификацией составим перечень дефектов с их описанием и проанализируем возможные причины возникновения.

Дефекты проводящего рисунка

Вмятина - гладкое углубление в токопроводящей фольге, которое не уменьшает значительно толщину фольги.

Причины возникновения - механическое воздействие постороннего предмета в результате несоблюдения условий хранения или транспортировки.

Углубление - уменьшение толщины проводящего слоя, которое не проникает полностью к базовому материалу, но уменьшает межсекционную зону проводника. Дефекты практически невозможно обнаружить, поскольку они редко визуально видны проверяющему.

Причины возникновения - пропуск заготовки с несоответствующими параметрами на входном контроле (субтрактивные методы изготовления), а также нарушение в процессе осаждения меди на подложку (аддитивные методы изготовления).

Царапина - легкая отметка на поверхности или порез, который может протянуться по всему или не по всему расстоянию до базового материала.

Причины возникновения - механическое воздействие постороннего предмета в результате несоблюдения условий хранения или транспортировки.

Раковина - дефект на участке проводящего рисунка в виде углубления, уменьшающего толщину проводникового материала (pit). Отсутствие проводящего материала в локализованной зоне в границах проводника. Глубина дефекта имеет протяженность до базового материала.

Причины возникновения - пропуск заготовки с несоответствующими параметрами на входном контроле (субтрактивные методы изготовления). Нарушение в процессе осаждения меди на подложку (аддитивные методы изготовления). Вытравливание ямок является результатом остатков травителя, оставшегося на поверхности стенок СМО. Основной источник остатков травителя - это химикаты, используемые при снятии внешнего слоя.

Заужение - уменьшение ширины проводника по сравнению с заданным значением на расстоянии, значительно превышающем ширину проводника. Зазор между проводниками — это расстояние между смежными сторонами (не центральными линиями) изолированных проводников. Пространство между проводниками и/или плоскими участками спроектировано так, чтобы обеспечить надлежащую изоляцию между контурами проводников.

Причины возникновения - неправильные температурные и временные режимы производства, воздушные пузырьки в электролите. Интервал разброса значений замеров увеличивается с увеличением толщины фольги. При субтрактивной технологии получения печатных элементов в готовых слоях с заданной шириной, необходимо в размеры изображений на фотошаблоне вводить величину заужения, т.е. к номинальному значению ширины проводника, прибавлять величину заужения.

Расширение - разрастание печатного проводника. Увеличение ширины печатного проводника печатной платы по отношению к его ширине на фотошаблоне, образованное металлическим защитным покрытием (outgrowth). Увеличение ширины проводника по сравнению с заданным значением на расстоянии, значительно превышающем ширину проводника.

Причины возникновения - загрязненная поверхность текстолита, механическое повреждение и искривление вследствие деформации печатной платы и т.д. Уменьшение пространства между проводниками может привести к электрическому дефекту или повлиять на емкость контура.

Вырыв - уменьшение ширины проводника по сравнению с заданным, соотношение сторон дефекта составляющее 1-2.

Причины возникновения - процесс накопления влаги, определяемый относительной влажностью воздуха, температурой и временем воздействия.

Протрав (разрыв) - отсутствие проводящего материала в локализованной зоне, следствием чего является нарушение электрической связности проводника.

Причины возникновения - наличие участков проводящего рисунка, не покрытых гальванически осажденным металлорезистом (олово-свинец); повреждение металлорезиста при межоперационной транспортировке и в процессе травления меди с пробельных мест.

Трещина - отсутствие проводящего материала в локализованной зоне в границах проводника. Глубина - до базового материала. Длина дефекта значительно превышает ширину.

Причины возникновения - воздействие влаги, определяемое относительной влажностью воздуха, температурой и длительностью воздействия.

Смещение центра отверстия. Положение отверстий относительно центров КП проводящего рисунка регламентируется обязательным наличием гарантированного пояска b, величина которого должна соответствовать выбранному классу точности печатной платы. Смещение центров происходит из-за погрешностей при сверлении отверстий и при нанесении рисунка на заготовку.

Причины возникновения. Качество отверстий зависит от режимов сверления (величина подачи, скорость резания, скорость извлечения сверла из отверстия), геометрии и качества режущих кромок сверла.

Погрешности установки (базирования) заготовки на столе сверлильного станка; погрешности настройки станка; точность станка.

Точность изготовления фотошаблона; погрешности взаимной ориентации шаблона и заготовки печатной платы; погрешности при экспонировании рисунка (дифракция).

Изменение геометрии контактной площадки - отклонение геометрии контактной площадки от концентрической окружности.

Причины возникновения. Размеры кругового кольца, которые меньше указанных, могут служить препятствием для присоединения компонента, а разрыв кольца (нулевое круговое кольцо), связанный с зоной, к которой подходит проводник, может уменьшить способность цепи в токопроводности.

Дефекты изоляционного основания

Пятна. Возникновение пятен проявляет себя в форме прерывистых белых пятен или «пересечений» ниже поверхности базового материала.

Причины возникновения. Это внутреннее условие появляется в базовом материале из слоев тканевых армированных волокон, в котором пучки разделены в местах пересечения ткани. Пятна могут быть косметически бракованными, но их влияние на функциональность готовой продукции в худшем случае минимальны, а в большинстве случаев незначительны.

Трещины - внутренний дефект, проявляющийся в базовом материале при расплетении тканевых волокон, при котором по стекловолокну, разделенному на нити, могут возникнуть трещины вдоль длины нити. Это условие проявляется в форме соединенных белых пятен или пересечений ниже поверхности базового материала.

Причины возникновения связаны с механическим и/или термально спровоцированным ударом. Ограниченное число трещин является приемлемым условием, пока оно не снижает пространство между проводящими рисунками ниже минимального проводящего пространства, расстояние между царапинами не составляет более 50% расстояния между регулируемыми проводящими рисунками, распространяемые результаты о термальной проверке, которые повторяют процесс производства, отсутствуют.

Расслоение - это разделение между слоями в рамках базового материала, между материалом и токопроводящей фольгой или между любыми другими двухмерными разделениями в рамках печатной платы.

Причины возникновения. Главная конструктивная причина расслоения - недостаточная толщина препрега (или количество листов препрега между ядрами многослойной печатной платы), заложенная при проектировании стека платы.

Для уменьшения вероятности образования трещин, сколов, расслоений и повышения точности обрабатываемый материал прижимают к плоскости матрицы фольгированной стороной. Вырубку в штампах

производят как в холодном, так и в нагретом до 80-100°С состоянии материала. Прогревают материал при получении сложного контура печатной платы и его толщине свыше 2 мм.

Пузырение - локализованное увеличение и отделение между любыми слоями базового материала или между базовым материалом и токопроводящей фольгой или защитным покрытием, пузырение является формой расслоения.

Причины возникновения - воздействие влаги во внутренних межслойных пустотах диэлектрического материала, накопившейся в процессе хранения или эксплуатации.

Тканевая структура - В этом состоянии поверхности базового материала несломанные волокна тканевого стекловолокна не полностью покрыты смолой.

Причины возникновения. Туманные зоны, повторяющие рисунок переплетения стеклоткани - обнаруживаются после изготовления рисунка внешних слоев многослойной печатной платы. Главная конструктивная причина возникновения туманных зон - недостаточное количество смолы в препреге (неверно выбранная марка препрега).

Коробление - это изменение плоскостности печатной платы, характеризуемое цилиндрической или сферической кривизной, при котором, если печатная плата имеет прямоугольную форму, ее четыре угла лежат в одной плоскости.

Причинами этих дефектов становятся технологические огрехи, ошибки при задании профиля прессования, неправильная сборка пакета заготовки перед прессованием. Качество и кондиционные

свойства применяемых материалов также играют большую роль в возникновении дефектов прессования.

Причиной коробления может быть не только асимметричность расположения диэлектриков относительно продольной оси платы, но и неравномерность толщин меди, неравномерность и несбалансированность рисунка проводников во внутренних слоях.

Скручивание - это деформация, происходящая параллельно диагонали прямоугольного листа, при которой один из углов лежит в плоскости, отличной от плоскости остальных трех углов.

Причинами этих дефектов становятся технологические огрехи, ошибки при задании профиля прессования, неправильная сборка пакета заготовки перед прессованием. Качество и кондиционные

свойства применяемых материалов также играют большую роль в возникновении дефектов прессования.

Дефекты металлизации стенок отверстий

Заусенцы, образующиеся на кромках при механической обработке, являются причиной снижения точности детали, исключения автоматизации, снижения точности контроля размеров. Заусенцы препятствуют сборке изделий, повреждают сопрягаемые поверхности и провода, нарушают эксплуатационные характеристики изделия, являются причиной травм рабочих.

Причины возникновения. Тупое сверло с недопустимым износом режущих кромок; - сколы на режущих кромках сверла; неудаляемая стружка внутри пакета обрабатываемых заготовок печатной платы; мягкий подкладной материал или недостаточное усилие прижима пакета; неоптимальное соотношение скорости вращения и подачи сверла. На размеры заусенца влияют физико-механические характеристики обрабатываемого материала, геометрия инструмента и заготовки, параметры износа лезвия и режим резания.

Шероховатость стенок является неровностью на боковой стенке отверстия; наличие узлов - это маленький узел или неровный участок, обнаруженный в или на металлизации.

Причины возникновения. Разогрев и оплавление эпоксидной смолы стеклотекстолита с образованием на стенках эпоксидных пятен из-за несоблюдения режимов, работы тупым сверлом, недопустимой толщины пакета заготовок, плохого отвода стружки.

Выпячивание стекловолокон в стенки отверстий влияет на толщину покрытия и, следовательно, может содействовать растрескиванию отверстия. Выпячивание происходит из-за непостоянства управления процессом при сверлении отверстий и подготовки отверстий или применения тонкого медного покрытия.

Причиной появления пор при химической металлизации могут быть остатки химических растворов очистки и травления в микротрещинах диэлектрика, пористые образования на стенках отверстий. Они являются продуктами распада материала основы, образующимися при очистке и травлении, или следствием грубой механической обработки.

Недостаточное количество металлизации. Плохая подготовка отверстия часто обязана чрезмерному удалению эпоксидной смолы. Пористость покрытия часто связана с присутствием воздушных пузырьков на поверхности основания печатной платы, которые вызываются прохождением воздуха в фильтрующую систему.

Причины возникновения. Плохая рассеивающая способность электролита; нарушение режимов осаждения (времени, плотности тока, интенсивности качания заготовок, отклонения в составе электролита); наличие неудаленных заусенцев на кромках отверстия.

Изготовление печатных плат осуществляется с применением технологий жидкостной химической и механической обработки. Некоторые из химических ванн содержат соли металлов и органические материалы. Эти химические вещества, если их оставить на поверхности, могут негативно сказаться на функциональности печатных плат, уменьшая сопротивление электрической изоляции и приводя к коррозии или электрохимической миграции на проводящем рисунке.

Недостаточная толщина покрытия возникает либо из-за недостаточного тока или времени осаждения в гальванической ванне, либо из-за малой рассеивающей способности электролита. Малая рассеивающая способность электролита вызывает неровность покрытия стенки со снижением толщины при высоких аспектовых отношениях (более 4:1).

Неравномерное распределение слоя Неравномерное распределение слоя металлизации по глубине

h

отверстия (у кромок м(н<ф) - 60-7 0%

Причины возникновения - велико время травления меди; остановка конвейера в оборудовании травления; неровности края осажденного металлорезиста.

Другая причина их возникновения - несоблюдение требований по чистоте помещений и инженерному обеспечению.

Нарушение контакта. Нарушение контакта слоя металлизации с торцами внутренних контактных площадок отверстий многослойных печатных плат.

К

на середине глубины отверстия

h

1м

30%

К

).

Причины возникновения - разогрев и оплавление эпоксидной смолы из-за несоблюдения режимов сверления и наволакивание смолы на торцы внутренних контактных площадок; нарушение режимов и условий химического и гальванического осаждения меди.

Неметаллизированные участки - образование пустот при электрохимической металлизации, приводящих к нарушению электрического контура, а также снижающее прочность сцепления контактной площадки с подложкой.

Причины возникновения - нарушение режимов сверления; плохая очистка отверстий после сверления (остатки реагентов, пыли, наличие заусенцев); нарушение режимов активирования диэлектрика в отверстиях (состав раствора, малое содержание палладия, недостаточное время активации).

Дефекты финишных покрытий

Диаметр отверстия - разрастание (сужение) отверстия при сверлении механическими сверлами, а также искажение результатов лазерного или плазменного сверления.

Причины возникновения. Качество отверстий зависит от режимов сверления (величина подачи, скорость резания, скорость извлечения сверла из отверстия), геометрии и качества режущих кромок сверла.

Нарушение режимов сверления; плохая очистка отверстий после сверления (остатки реагентов, пыли, наличие заусенцев); нарушение режимов активирования диэлектрика в отверстиях (состав раствора, малое содержание палладия, недостаточное время активации).

Приподнятые участки. В ходе визуальной проверки не должно быть выявлено наличия приподнятых участков над поверхностью базового материала. Приподнятые участки могут задерживать примеси в процессе монтажа и рассматриваются как нежелательные для монтажа.

Причины возникновения - образовываются за счет неизотропности слоистого материала, наличия в его слоях пустот, заполненных водой.

Смачивание - создание равномерной, гладкой, сплошной и неотслаиваемой пленки припоя на базовом материале, смачивание является предпочитаемым и приемлемым условием.

Причины возникновения. Образование коррозии, оксидной пленки на поверхности металла определяется условиями эксплуатации, хранения, наличия черного налета после электрохимического обезжиривания.

Наплывы. Это состояние возникает, когда расплавленный припой покрывает поверхность крепления и растекается, образуя холмики неправильной формы, отделенные зонами с тонкой пленкой припоя, которая полностью покрывает базовый металл. Наплывы неприемлемы для паяных соединений, но допускаются на земляных шинах или шинах питания для продуктов классов 1 и 2.

Причины возникновения. Одной из причин может выступать неправильный подбор флюса, режима пайки волной, скорости истекания струи припоя.

Несмачивание - это состояние, неудовлетворяющее техническим условиям, когда происходит ограниченное растекание расплава припоя на контактной поверхности с оставлением без смачивания некоторой области поверхности базового металла.

Причины возникновения. Образование коррозии, оксидной пленки на поверхности металла определяется условиями эксплуатации, хранения, наличия черного налета после электрохимического обезжиривания.

На основе предложенной классификации возможно построение описательной модели дефектов печатных плат, применение которой позволит прояснить причины их возникновения и прогнозировать состояние.

Актуальным вопросом является процесс локализация дефектов. На сегодняшний день существует несколько основных принципов создания систем выявления дефектов печатных плат. Эти принципы можно подразделить на две группы: контактные и бесконтактные методы обнаружения дефектов. Эффективность поиска дефектов на сегодняшний день связана с развитием автоматизированных систем контроля качества печатных плат.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шихов С.В. Применение критериев IPC для приемки печатных плат и электронных блоков. Часть 1. Параметры плоскостности печатных плат // Технологии в электронной промышленности, № 6, 2008, С. 32 - 38

2. Валлин Л. Стандарт и тренинг 1РС-А-600Н//Технологии в электронной промышленности. 2010. № 1. Режим доступа: http://tech-e.ru/2010 01 54.php

3. IPC-A-600G. Критерии приемки печатных плат [Электронный ресурс] Режим доступа: http://pcblayout.ru/pcb/download/ipc-a-600g.pdf

4. ГОСТ Р 53386-2009. Платы печатные. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2009, 16

с.

5. Юрков Н.К. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств

/ И.М. Трифоненко, Н.В. Горячев, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Надежность и качество: Труды

международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та,

2012. Том 1, С. 396-400

6. Држевецкий А.Л., Григорьев А.В. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов. - «Метрология» (прил. к ж. «Измерительная техника»), 1995,

вып. 4, С. 11-18.

7. Юрков, Н.К. Технология радиоэлектронных средств. Учебник/Н.К.Юрков//Пенза: Изд-во ПГУ,

2012, - 640 с.

8. Кочегаров И.И. Информационные технологии проектирования РЭС: учебное пособие/ И.И. Коче-гаров.-Пенза: Изд. Пенз гос. ун-та, 2007.-96 с.

9. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2013. - 108 с.