Каква функция изпълнява отворът със смола на PCB платката?

Каква функция изпълнява отворът със смола на PCB платката?

Процес на смолено запушване на дупки за HDI печатни платки и приложения

Въведение: Защо смоленото запушване на печатни платки има значение в съвременната електроника

В днешната епоха на миниатюризация на цифровите устройства изискванията към съвременните технологии за производство на печатни платки никога не са били по-високи. От малките, изключително надеждни платки в мобилните телефони и спътниците до сложните многослойни HDI печатни платки в медицинското оборудване и автономните камиони всяка подробност от производствения процес на печатните платки влияе върху крайната надеждност на продукта. Един от най-важните, но често погрешно тълкувани аспекти е смоленото запушване — известно също като свързване на продукти за печатни платки, запушване на отвори в продукти или нанасяне на товар.  

Свързването на печатни платки (PCB) е специфичен производствен процес за PCB, при който се изпълват виа-отвори, микровиа и чрез-отвори с високопроизводителни материали като епоксидна смола. Правилната модификация на материалната зарежданост превръща стандартния процес в сигурен, надежден и електрически изолиран метод. Това подобряване предпазва от изтичане на оловно-сребърна спойка по време на сглобяването на PCB, позволява монтирането на компоненти като BGA и QFN директно върху виа-отвори в медните площадки и увеличава общия срок на експлоатация на PCB срещу механични повреди, деламинация и въздействие на околната среда.

Защо свързването на продуктите е важно за стабилността и ефективността на PCB?

Намалява производствените проблеми при PCB, като например чрез-отвори, пукнатини от свиване на материала и замърсяване.

Възможнява напреднали конструкции (BGA, стекирани чрез-отвори, фин шаг и иновации в областта на вградените виа-отвори в медните площадки).

Подобрява резултатите при производството на HDI PCB чрез намаляване на въздушни мехури, празнини и риска от образуване на спойкови мостове.

Отваря по-голяма плътност на частите, значително по-добро качество на сигнала при високоскоростни слоеве и критична дълготрайна надеждност.

Разбрахте ли? Според пазарни проучвания използването на оптимизирана технология за свързване на материали може да намали честотата на дефекти в PCB, свързани с преходни отвори, до 85 % спрямо обикновеното свързване с мастило или запълване със solder mask.

Сектори на PCB, които силно разчитат на висококачествено свързване на материали

HDI (High-Density Interconnect) PCB.

Медицински и аерокосмически електронни устройства.

Автомобилни и напреднали промишлени системи за управление.

Битова електроника с тесни разстояния между контакти и изключително малки размери.

Всеки вид материнска платка, при която надеждността, чистотата и дебелината на компонентите са непременни.

Какво представлява отвор с материално запълване в PCB?

Отвор в печатна платка (PCB), запълнен със смола, описва чрезходно отверстие, микросвързка или чрезходно отверстие, което е било запълнено и защитено със специализиран материал – обикновено епоксидна смола – по време на процеса на обработка на PCB-материала. За разлика от конвенционалната мастилна или проста фоторезистна маска, запълването на отворите в PCB-материала създава издръжливо, херметично уплътнение, което значително подобрява механичната, електрическата и екологичната надеждност.

Как точно функционира запълването на отворите в PCB?

Процесът за прикрепване на материала изисква предварителна подготовка на използваната повърхност или отвора чрез почистване, груба обработка и обикновено предварително плакиране на вътрешните повърхности. Тази операция гарантира максимално прикрепване на материала и премахва замърсявания. След това се нанася смола – обикновено епоксидна смола с ниско свиване и термична устойчивост – чрез методи като вакуумно прикрепване, токова печатна технология или запълване под налягане. След нанасянето на смолата тя се отвръзва при нагряване, за да се затвърди и закрепи запълването на място. Последващата обработка на повърхността (например прецизно шлифоване или полирене) осигурява равна повърхност, която е важна за монтажа на PCB с виа-върху-пад и HDI.

Видове запушени отвори в продукти

Резинов запушващ отвор във виа-върху-пад: Разполага виа директно под ключови SMD падове; важно за BGA и QFN с фин разстояние между краката.

Запушващ отвор за микровиа: Използва се при натоварени, слепи и скрити виа в многослойни HDI PCB.

Запушване на чрез-отвори в продукти: Прилага се за пълни чрез-отвори в дебели или високотокови PCB.

Цел и функции на отворите за запълване със смола

Запълването на отворите в печатните платки има множество взаимосвързани функции, всяка от които е насочена към подобряване на производителността, възможността за производство или дълготрайната здравина.

Функции на метода за запълване на отворите в печатни платки

Предотвратява изтичане на оловно-сребърна паста: Запечатва контактните отвори под лостовете за лепене (via-in-pad), за да се спре преместването на оловно-сребърната паста и образуването на мостове по време на монтажа на компонентите.

Възможнява използването на via-in-pad и високоплътни разположения: От особено значение при маршрутизиране под тесни BGA, QFN и напреднали ИС в HDI печатни платки.

Защитава от влага и замърсяващи вещества: Запълването на отворите с материал предотвратява проникването на почистващи разтворители, влага, температурни промени и въздушни частици, които могат да застрашат дълготрайната цялост на печатната платка.

Подобрява равнинността за монтаж: Създава равна и стабилна повърхност дори в области с комплексно разположение или изключително висока плътност на компонентите.

Подобрява електрическата изолация: Чрез уплътняне и инкапсулиране чрез рамки се увеличава свързаността на материала, което повишава напрежението на пробив и предотвратява електрически къси съединения.

Механично подсилване: Укрепва чувствителните участъци, особено тънките платки или тези, които са изложени на огъване, намалявайки риска от пукнатини или разслояване.

Подобряване на циркулацията на материала: Стъпка по стъпка

Процесът на уплътняне на материала за PCB е многостепенна, прецизно контролирана операция, предназначена да запълва виите, презходните отвори или микровиите с подходящ материал, за да се подобри както механичната, така и електрическата ефективност. Оптималното използване на всяка стъпка е от съществено значение за намаляване на типичните дефекти при уплътняне и осигуряване на висок процент на доброкачествена продукция при производството на сложни HDI PCB.

Подготовка преди уплътняне

Подготовката е основата за надеждното уплътняне на материала в PCB. Този процес започва след пробиването и почистването на виите или отворите.

Микроетициране и изравняване: Отворените повърхности на стените се химически микроетицират или механично изравнят. Тази ключова операция увеличава повърхностната площ и подобрява адхезията между смолата и медта, намалявайки риска от разделяне на смолата по време на процеса.

Премахване на замърсявания: Остатъчните замърсявания, прах и естествени материали от пробиването се отстраняват, за да се осигури чиста повърхност и да се подобри стабилността на запълването с материал.

Контрол на влажността: Осигуряването на сухота на отворите е задължително; влагата вътре в прехода или през-дупката може да причини въздушни мехурчета, празнини в материала или загуба на адхезия след обработката с материал.

Свързване на продукта

Съществуват множество методи за вкарване на материал в отворите на PCB, като всеки от тях е подходящ за определени типове платки и обеми на производство.

Показване на печатно свързване: Традиционният, икономичен метод. Материалът се втласква в отворите чрез шаблон. Широко използван за основни платки, но значително по-малко надежден за микросвързки или свързки с високо съотношение на дълбочина към диаметър, където е задължително пълно запълване на цялата свързка и липса на въздушни дупки.

Вакуумно свързване на продукти: В момента златният стандарт за производството на интелигентни PCB и HDI PCB. Платката се поставя под вакуум преди, по време или след нанасяне на материала, което отстранява уловения въздух и осигурява дълбоко и пълно запълване на отворите, включително при стекирани и високоплътни свързки. Вакуумното запълване преобладава в автомобилната, медицинската и аерокосмическата промишленост, където надеждността е от решаващо значение.

Сравнение на устройства:

Топлинно отвърдяване/изпичане на смола

След нанасяне на материала процесът на отвърдяване подобрява запълването и го закрепва към медния или плакиращия слой.

Стандартен цикъл на отвърдяване: Повечето епоксидни материали се отвърдяват при около 150 ° °C в продължение на около 1 час. Точният цикъл се определя според химичния състав на продукта, дебелината на платката и геометрията на отворите.

Защо отвърдяването е важно: Пълно и последователно отвърдяване е задължително. Недостатъчно отвърденият материал може да предизвика сериозни проблеми с надеждността, като например мехури в материала, свиване или пукнатини при термично циклиране.

Обработване и финиширане на повърхността

След допълнителното отвърдяване свързаните повърхностни области трябва да бъдат изравнени с останалата част от печатната платка, за да се постигне равномерност — необходимо условие за конструкции с вградени във възлите отвори (via-in-pad) и за компоненти като BGA, LGA и QFN.

Шлифоване с лентов шлифач: Най-широко използваният метод за премахване на излишък от материал, за да се получи гладко и равнинно покритие.

Шлифоване с керамична четка: Осигурява по-точно контролирано покритие и е значително по-малко вероятно да доведе до прекомерно шлифане и повреда на медните контактни площи.

Елементи за размисъл при шлифоването: Важно е да се осъществи равномерно шлифоване, да се предотврати прекомерно намаляване на дебелината на медта и да се компенсира лекото свиване на продукта, за да се запази изключително качество на контактните площадки/виите.

Видове и приложения на материали за запълване на вии в платки HDI PCB

HDI (високоплътни междинни връзки) PCB-платки стимулират бума в сложните електронни устройства, като позволяват функции като наслоени вии, микровии и иновацията via-in-pad — всичко това зависи от надеждно запълване на виите с подходящ материал.

Често срещани видове материали за запълване на вии в HDI PCB-платки

Основни приложения

Мобилни телефони: Минимално влияние, максимална плътност на компонентите.

Медицинско и аерокосмическо оборудване: Висока цялостност, чистота и изолация.

Автомобилна промишленост: устойчивост към резонанс и тежки среди.

Промишлени регулации: високи изисквания за съществуваща сигурност и сигурност на сигнала.  

Проучване: основен производител на смартфони приложил HDI PCB продукти за запълване на всички BGA и микровиа-в-пад структури, намалил върнатите площи с 40 % поради елиминиране на зоните между лепкавите връзки и подобряване на устойчивостта към проникване на влага.

При проектирането виите бяха направени директно чрез пробиване върху контактните площи и не бяха защитени. По време на рефлоу запояването оловно-калайовата паста проникна във виите, което доведе до неправилно запояване. ZEON ELECTRONICS препоръча на клиента да приложи процеса за материално свързване и електролитно покриване на виите (POFV). Въпреки че това повиши цената в известна степен, напълно реши проблема със стабилността на SMT запояването.

Предимства на смолистото свързване: производителност, цялостност и миниатюризация

Двойно подобряване: ефективност и ефикасност

1. Превъзходна надеждност на продукта

Премахва изтичане на припой по време на сглобяването, предотвратява къси съединения, прекъсвания и слаби BGA връзки.

Блокира влага и замърсяване — хит за цифрови устройства с критична функция или изложени на полеви условия.

Намалява риска от образуване на проводими анодни филаменти (CAF), които са основен източник на устойчиво разрушаване на печатни платки.

Предотвратява улавяне на въздух и образуване на празнини, които могат да застрашат цялостта на конструкцията.  

2. Подобрена стабилност на сигнала

Нормална повърхностна равнинност: Запълнени и изравнени виа осигуряват гладко и постоянство на импеданса за високоскоростни и високочестотни PCB слоеве.

Намаляване на взаимното влияние и смущения: Правилно запълнени и изолирани виа намаляват вероятността от непреднамерено пресичане между сигнали.  

3. По-голяма плътност на компонентите и миниатюризация

Възможнява директно монтиране на виа в контактната площадка, което позволява на дизайнерите да намалят размерите на компонентите, без да жертват функционалност.

Поддържа стекирани и многоредови виа решения за компактни и многофункционални платки.

4. Подобрена издръжливост и здравина

Усилва места, склонни към механично напрежение, което е съществено при извити или дебели медни печатни платки (PCB).

Подобрява устойчивостта към разрушаване и химични въздействия, разширявайки приложението в транспортни средства, авиационна и космическа техника или тежки промишлени условия.

Често срещани проблеми при свързване със смола: причини и решения

Дефектите в прикрепянето на материала към печатната платка (PCB) могат да възникнат, ако процесът не е напълно оптимизиран. По-долу са изброени типичните проблеми, техните причини и целенасочените решения за оптимизация на процеса.

Избор на продукти: Как да изберете подходящия материал.

Изборът на подходящ материал за свързване на печатни платки е от решаващо значение за успеха, особено при изискващи HDI и напреднали производствени условия за печатни платки.

На какво да обърнете внимание при избора на материал

Вид: Най-често използван е епоксиден материал с висока чистота, но за специализирани приложения се използват и полиуретани, и термопласти.

Физични свойства:

Намалена дебелина: Лесно прониква в микровиите и отворите с високо съотношение на елементи.

Намалено свиване: Предотвратява пукнатини и вдлъбнатини след отвръхване.

Висока Tg (температура на стъклоподобно преходно състояние): Устойчива на лепене и термични натоварвания по време на експлоатация.

Намален CTE (коефициент на топлинно разширение): Съвместим със слоевете на платката за максимална цялостност.

Химични свойства:

Устойчива на алкални вещества, измиване и функционални химикали.

Изключителна адхезия към мед, диелектрични материали и покрития чрез електролитно нанасяне.

Обработваемост:

Обработва се ефективно при стандартните температури за термообработка на PCB (обикновено 150 ° °C за 1 час).

Лесно изравняване за малки проблеми след шлифоване или с плоскостта.

Екологични променливи, които трябва да се вземат предвид:

Практичност при високи температури, висока влажност или тежки атмосферни условия.

Подобряване на процеса за свързване на материала за постигане на бездефектно пълнене

Ключов елемент за постигане на бездефектно пълнене на PCB е контролът и оптимизацията на процеса.

Най-добрите практики за оптимизация на пълненето на PCB със смола

Критерии за вакуумно свързване: прецизни вакуумни стъпени елиминират уловения въздух, осигуряват пълно запълване при натоварване и намаляват въздушните дефекти в свързания материал.

Свързано напрежение и скорост: постоянството и контролираността на напрежението предотвратяват както недостатъчното, така и излишното пълнене; регулирайте скоростта за високоплътни и дълбоки отвори.

Почистване на отворите и обработка на повърхността: пълното премахване на отпадъците и надеждната микроетчингова обработка подобряват адхезията и хармонията на пълненето със смола.

Свързващи инструменти: редовно подменяйте вакуумните свързващи машини и шлифовъчните устройства, за да гарантирате повторяемост.

Второ запълване: При високи аспекти или дълбоки отвори може да се наложи повторен цикъл или „допълнително запълване“.

Оптимизация на възстановяването: Съгласувайте продукта, структурата на платката и изискванията за отвердяване (време, температура, въздушно движение), за да намалите намаляващия ефект, да оптимизирате механичната издръжливост и да избегнете остатъчни напрегнати пукнатини.

Оптимизация на шлифоването/изравняването: Използвайте многопосочни.

Оптимизация на шлифоването/изравняването

Когато обработката е завършена, шлифоването на повърхността на PCB е важно за постигане на равна повърхност, особено в зони, където се изисква монтаж на компоненти върху виа-в-пад или дебели чрез-отвори. Този етап изисква:

Точно шлифоване и контрол на плоскостта: Многопосочното шлифоване с груби ленти или керамични четки гарантира идеално равна повърхност без прекомерно изтъняване на медта на PCB, което би застрашило механичната или електрическата надеждност.

Разпределение за свиване на продукта: Професионалистите трябва да вземат предвид стягането на материала при определяне на обема на пълнене, за да избегнат проблеми и да гарантират, че всеки контакт е леко претоварен преди шлифоване.

Избягване на прекомерно шлифоване: Внимателният процесен контрол помага да се предотврати излагането на медните ръбове на цилиндричната част или повреждането на повърхности, подходящи за лепене, което би намалило лепимостта и стабилността на конструкцията.  

Случай от практиката: След прилагане на типична оптимизация на шлифоването в процеса си за свързване на материала един производител на HDI печатни платки намалил проблемите при монтажа, свързани с вдълбочини, с 70 % и подобрил добива при PCB-платки с вградени контакти, поддържащи BGA с разстояние между краката 0.4 mm.  

Технология за запълване на отвори с материал срещу запълване с маска за лепене

Макар както запълването с материал, така и запълването с маска за лепене да затварят отворите в PCB, има съществени различия, които определят тяхното приложение — особено при производството на PCB с висока надеждност или HDI PCB.

Гаранция и оценка на качеството при запълване на печатни платки със смола

Системният контрол на качеството е основата на производството на печатни платки без дефекти и е ключов за всеки вид иновативен процес за производство на печатни платки.

1. Проверка на материала

Качества на материала: дебелина, коефициент на свиване, температура на стъкловидно преходно състояние (Tg) трябва да отговарят на техническите спецификации и тестовите данни.

Тестове преди изпращане: всички продукти се подлагат на изпитания за продължителност на живота, чистота и проблеми при складиране.

2. Поддръжка на оборудването

Устройства за запълване/шлайфане: калибриране и профилактична поддръжка на вакуумните линии и линиите за шлифоване, за да се предотврати отклонение в процеса.

Вакуумна система: търсене на течове, достатъчна вакуумна мощност, редовно проверяване на цикъла.

3. Подстройка на стандартизацията

Използване на метода за експерименти (DOE) за оптимизиране на изискванията: напрежение, вакуумна почистваща машина, скорост, температура.

Постоянно документиране и контрол на обработката при всяко действие.

4. Оценка на първия образец и в процес на производство

Оценка на напречното сечение: потвърждение на пълното запълване на устата, липсата на зазори и допълнителното покритие на повърхността на стената на отвора от запушалката.

Измерване на равнинността/височината на областта: гарантира правилно шлифоване и предотвратява вдлъбнатини по продукта или подложена мед.

5. Обучение на шофьорите на превозни средства

Основно обучение по работа с иновативни продукти, свързани с модерни технологии, вакуумни цикли и оптимизация на процесите.

Най-добрите практики за откриване на проблеми и обратна връзка.

6. Непрекъснато оценяване на честността

Топлинно изпитване при велосипедни цикли и ударно тестване: Гарантира, че световно приетите отвори за щепсел издържат екстремни експлоатационни условия.

Изпитване за деламинация/отделяне: Потвърждава, че механичната и химичната адхезия отговарят на изискванията.

Заключение

Запълване на материали за PCB е основната процедура, която затваря разликата между задължителната защита при употреба и изискванията на електрониката от следващото поколение. Тя дава възможност на проектираните да надвишават ограниченията — правейки възможно използването на портативни структури с вградени в пада контактни площадки (via-in-pad) и струпани микровиа, поддържайки надеждността на HDI PCB и създавайки здрава основа за автомобилната, телекомуникационната, аерокосмическата и професионалната индустрия.