книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

Основные технические характеристики установки:

Максимальный размер контролируемых плат 220X360 мм; Относительная влажность воздуха в камере (при температуре, равной температуре ок­

50 Вт (питание из­ мерительного при­ бора)

В состав установки входят камера влажности и изме­ рительный прибор. Корпус камеры изготовлен из прозрач­ ного материала. Влажность создается естественным испа­ рением воды, налитой на дно камеры. Для контроля влажности предусмотрена установка «сухого» и «влаж­ ного» термометров.

Температура в камере не регулируется, так как темпе­ ратурные колебания, возможные в комнатных условиях, существенного влияния на сопротивление поверхностной изоляции не оказывают. Для контактирования монтажа проверяемой платы с измерительным прибором камера имеет герметичные шарнирно укрепленные щупы.

Наличие на плате железа и меди можно определить также, используя чувствительную испытательную бумагу. Она прижимается к плате, в результате чего на ней воз­ никает контактный отпечаток загрязнения: голубой для железа и красно-коричневый для меди. Чувствительность этого метода испытаний по железу и меди до 0,001 мкг/мм2 [50].

ции

П р и м е ч а н и е . В — высокая; С — средняя; Н — низкая.

170

Влага, загрязненная химическими реагентами, стано­ вится фактически электролитом и, обладая значительной проводимостью, начинает шунтировать сопротивление участков изоляции печатного основания [56—58]. Кроме того, образование электролитов на поверхности твердого тела 'способствует резкому снижению гидрофобности и улучшению условий его смачиваемости. В процессе дли­ тельного воздействия влажной среды, даже в случае за­ щиты поверхности стеклопластика лаковой пленкой, это может привести к поверхностному перекрытию диэлектри­ ка [59].

Если предположить, что сорбированная влага распо­ лагается на поверхности в виде отдельных сквозных кана­

упрощения случай равномерного ее распределения в виде сквозных каналов, имеющих одинаковые сопротивления, равные сопротивлению одного канала воды — Нкаи.в.

Эквивалентную схему замещения можно представить

ввиде упрощенной электрической схемы (рис. 39). Здесь: R„3 —эквивалентное поверхностное сопротивление изоляции, определяющее потери сопротивления изоляции постоянному току и ток утечки (сквоз­

ной ток проводимости); Сш — емкость, определяемая геометрией размещения

изоляции электрических цепей; Св— эквивалентная емкость, образуемая сорбируе­

мой влагой на поверхности изоляции;

Rb. o 6 i u + R h 3

171

Пкан. в

Пкан. в — общее количество сквозных каналов, образован­ ных сорбированной влагой на материале.

d — диаметр сквозного канала воды в материале, см.

где рѵв — удельное объемное сопротивление дистиллиро­

ванной воды, ^кан.в. —длина сквозного канала с водой.

Предположим, что площадь изоляции между печат­ ными проводниками составляет около 5 см2, площадь сквозных каналов 0,05 см2, то есть порядка одного про­ цента от площади изолятора.

Примем длину сквозного канала с водой равной 1 мм, а диаметр канала 2,5-Ю-5 сж (диаметр молекулы воды

эквивалентное сопротивление по каналам, заполненных влагой, является величиной значительной и соизмери­ мой с поверхностным сопротивлением стеклопластиков

(Ю10Ож) .

Вода, загрязненная ионами С1~, HCCTf, SOf“ , стано­ вится практически электролитом. Например, при кон­ центрации ионов С1—-— 0,5%, SO^- — 0,003%, HCO^"— 0,06% электропроводность ее в 72 000 раз больше, чем дистиллированной [61].

172

Известно, что йоны солей и кислот трудно удаляются с поверхности стеклопластика [62—64], а вероятность по­ падания на нее у них значительная. Эта вероятность за­ висит от того, каков метод изготовления печатных плат. Наиболее трудным для материала является комбиниро­ ванный негативный метод изготовления, при котором диэлектрик вскрывается первой операцией травления. В процессе дальнейшей обработки плат на пробельные участки многократно воздействуют химические реа­ генты.

Химическая стойкость материала ограничена и явля­ ется переменной величиной даже для эпоксидных стеклотекстолитов, поскольку качество диэлектрика изменяется от изготовителя к изготовителю, а иногда и от партии к партии. Вот почему следует стремиться к тому, чтобы не применять органические растворители и не допускать длительного нахождения платы в кислотных и щелоч­ ных растворах.

На основании опыта известно, что просверленная за­ готовка платы без металлизации отверстий, находившая­ ся под воздействием растворов для снятия резистов, ацетона или других растворителей, склонна к расслаива­ нию. О превышении времени воздействия на заготовку различных органических растворителей или о.некачест­ венном материале указывает вздутие поверхности платы вокруг отверстий, .заметное на ощупь. То же самое наблю­ дается и на торцах заготовок, если они не были защище­ ны лаком.

Несмотря на то, что существует опасность изменения свойств диэлектриков химическими растворами и раство­ рителями, многочисленные испытания и производствен­ ный опыт доказали возможность изготовления высокона­ дежных и электропрочных систем на базе диэлектриков, фольгированных медью.

При комбинированном позитивном методе заготовка платы защищена медной фольгой вплоть до последней операции травления. Однако и в случае такой последова­ тельности операций не исключена возможность снижения сопротивления изоляции. Установлено [56,65,66], что ос­ таточные загрязнения от травящих растворов, коррозион­ ных флюсов, отпечатков пальцев, а также температурные

173

позитивным комбинированным методом, значения сопро­ тивления изоляции стабильнее, чем при негативном.

Исследования динамики изменения сопротивления изоляции печатных плат на основных операциях массо­ вого производства в случае применения комбинирован­ ного негативного метода изготовления показали, что после операции травления и химико-гальванического мед­ нения степень чистоты поверхности диэлектрика, если очистка выполнена тщательно, относительно высокая. На операции горячего лужения отмечается самое значитель­ ное снижение сопротивления изоляции.

Результаты замеров на печатных платах, изготовлен­ ных на материале СФ-2Н, приведены в табл. 38. Изме­ рялось сопротивление изоляции по всем разобщенным цепям платы при относительной влажности 96% и темпе­ ратуре 20+2° С.

Дополнительные исследования причин, вызывающих уменьшение сопротивления изоляции при горячем луже­ нии, позволили установить, что изоляционные свойства диэлектрика с увеличением температуры резко ухудша­ ются. Зачистки и промывки способствуют частичному восстановлению сопротивления изоляции. Однако излиш­ нее «травмирование» поверхности диэлектрика может впоследствии способствовать уменьшению сопротивления.

На некоторых образцах материалов типа СФ и ГФ после воздействия температуры свыше 140° С появляет­ ся белый налет. Природа его пока не установлена, но там, где он был, наблюдалось снижение сопротивления изоляции до единиц МОм. Характер налета и его интен­ сивность самая разнообразная — от отдельных пятен до сплошного перекрытия пробельных участков платы. При. удалении налета гидролизным спиртом, ацетоном, раст­ ворителем Rna повышается на один-два порядка.

174

Если не удалить белый налет и перекрыть печатную плату лаком на основе смолы ПН-9, ПН-56, то визуально *налет не обнаруживается, но сопротивление изоляции не восстанавливается. Интенсивность появления белого на­ лета в значительной мере зависит от степени недополимеризации смол исходного материала печатной платы. Прй коэффициенте недополимеризации свыше 0,07% и увеличении температуры лужения, интенсивность его

очень возрастает.

Можно предположить, что под действием резкой сме­ ны температур (термоудара) происходят необратимые изменения химического состава и свойств диэлектрика (старение) [59]. Это вызывает резкие изменения внут­ ренних механических напряжений в надмолекулярной структуре, приводит к растрескиванию и углублению оки­ слительного действия атмосферы, и как следствие — уменьшение сопротивления изоляции. При этом нельзя иаключать отрицательного воздействия остатков клея и глицериновой среды, которая в случае применения горя­ чего способа лужения обязательна. Наличие глицерина даже в микроколичествах можно определить с помощью качественной реакции на многоатомные спирты [67].

Поскольку процесс горячего лужения без резких смен температур невозможен, то для сохранения высоких ди­ электрических показателей материала этот перепад не­ обходимо уменьшать до минимума или отказаться от та­ кого лужения.

Влияние растворов соляной кислоты различной кон­ центрации на сопротивление изоляции печатных плат показано на рис. 40. Замеры сопротивления осуществля­ лись в нормальных условиях и при повышенной влажно­ сти и температуре.

Из Трафиков видно, что в нормальных условиях у плат, обработанных соляной кислотой, снижения сопротивления изоляции практически не обнаруживается. Эти же платы, когда влажность и температура повышенные, сопротивле­ ние изоляции уменьшают. Особенно это касается плат, обработанных растворами соляной кислоты концентраци­ ей до 0,1%. Существенное влияние оказывает и время обработки плат в растворе соляной кислоты. Платы, кото­ рые подверглись обработке в течение значительно мень­ шего, времени (до трех секунд, кривая II), имеют сопро­ тивление изоляции при одних и тех же концентрациях

J75

значительно выше. Чтобы уменьшить влияние остатков

*соляной кислоты на сопротивление изоляции, печатные платы необходимо тщательно промывать проточной водо­ проводной, а затем дистиллированной водой.

При изготовлении, печатных плат комбинированным позитивным методом широко применяется гальваническое серебрение. Самый серьезный недостаток серебра — его

Рис. 40. Зависимость ропротивлення изоляции от остатков соляной кислоты в нормальной и влаж­ ной среде для двух видов схем

способность к миграции, то есть свойство перемещаться при определенной влажности, температуре и потенциале по поверхности и в слое диэлектрика. В результате соп­ ротивление изоляции в диэлектрическом промежутке сни­ жается. Затем появляются пробои и короткие замыкания. Миграция серебра проявляется визуально в виде слабого черного налета (рис.41).

Наблюдения за миграцией серебра показали, что оно ёсегда выделяется из электрода, находящегося под поло­ жительным потенциалом. Это подтверждает предположе­ ние о механизме миграции, как об электрохимическом

176

веденные данные свидетельствуют о том, что в течение 300 часов испытаний сопротивление изоляций между про­ водниками снижается более чем на пять порядков. В слу­ чае длительных испытаний отмечается быстрое нараста­

ствляться лишь в присутствии влаги и электрического по­ ля одновременно. Поскольку устранить в эксплуатируе­ мых схемах разность потенциалов между отдельными ее элементами невозможно, схемы, чтобы уменьшить миг­ рацию, следует защищать от влияния влага.

177

Высокие показатели сопротивления изоляции печат­ ных плат, достигнутые в процессе их изготовления, необ­ ходимо сохранить при монтаже и защите печатных уз­ лов электроизоляционными лаками. Главное внимание в этом случае должно быть уделено правильному выбору флюса и припоя, строгому соблюдению режима пайки и тщательной очистке печатных плат перед лакировкой.

Исследования [69] показали, что остатки флюсов ока­ зывают существенное влияние на уменьшение сопротив­ ления изоляции плат, изготовленных из любого фольги­ рованною материала. На рис. 42—47 отражена динамика сопротивления изоляции плат, паяных смолосодержащи­ ми флюсами на основе канифоли (ФКСп); полиэфирных смол ПН-9, ПН-56 (ФПэТ) и на основе салициловой ки­ слоты и триэтаноламина (ФТС). Усредненные графики построены согласно данным замеров сопротивления изо­ ляции большого количества печатных плат при относи­ тельной влажности 95—98% и температуре 40±2°С.'Для проведения испытаний в условиях, наиболее тяжелых, платы были покрыты двумя слоями лака УР-231 методом окунания.

Полученные результаты свидетельствуют, что харак­ тер изменения сопротивления изоляции во времени зави­ сит от материала печатной платы и используемого флю­ са. Наибольшее падение сопротивления наблюдается на платах, паяных с применением флюса ФТС (на два-три порядка от значений, замеренных в нормальных клима­ тических условиях). Степень влияния остатков флюсов на изменение сопротивления изоляции уменьшается в такой последовательности: ФТС, ФКСп, ФПэТ на основе смолы ПН-9; ФПэТ — на основе смолы ПН-56.

Одновременно с замерами сопротивления изоляции оценивалась работоспособность печатных плат. За крите­ рий отказа для материалов типа СФ принималось сопро­ тивление изоляции меньше 20 МОм, для материалов ти­ па ГФ — меньше 10 МОм.

Сравнивая значения сопротивления изоляции печат­ ных плат и процентный показатель .отказов образцов в зависимости от флюсов, применяемых при монтаже, не­ трудно сделать вывод, что наиболее приемлемым флюсом является ФПэТ. Выбирая флюс для пайки, необходимо учитывать его активность, имея в виду качественную пай­ ку, и существующую возможность удаления в процессе

178

сх,! я •&

- я ,I ->а о.04

з 'S S «

3 о a g

ЗКП т

3 я ^

3 in s S

=°? S с » « g o 3- о. ^

зу я ѳ

179