به عنوان جزء اصلی محصولات الکترونیکی، عملکرد و کیفیت برد مدار چاپی مستقیماً بر پایداری و قابلیت اطمینان کل دستگاه الکترونیکی تأثیر می گذارد. در میان بسیاری از عواملی که بر عملکرد برد مدار چاپی تأثیر می گذارد، ظرفیت آنتی اکسیدانی نقش مهمی ایفا می کند.
خطرات اکسیداسیون برد مدار چاپی
برد مدار چاپی عمدتاً از خطوط رسانا، بسترهای عایق و اجزای مختلف الکترونیکی تشکیل شده است. در استفاده روزانه، بردهای مدار چاپی با چالش های محیطی مختلفی مواجه می شوند و اکسیداسیون موضوعی است که نمی توان آن را نادیده گرفت. اکسیژن، رطوبت و آلاینده های مختلف در هوا می توانند با سیم های فلزی روی برد مدار چاپی واکنش شیمیایی داده و باعث خوردگی، افزایش مقاومت، انتقال سیگنال ناپایدار و حتی خرابی مدار شوند. به خصوص قطعات فلزی مانند خطوط فویل مسی و اتصالات لحیم روی بردهای مدار چاپی مستعد واکنش با اکسیژن هوا هستند و اکسید تولید می کنند. این اکسیدها می توانند مقاومت مدار را افزایش دهند، در پایداری انتقال سیگنال اختلال ایجاد کنند و در موارد شدید باعث قطع شدن مدار شوند و در نتیجه دستگاه های الکترونیکی به درستی کار نکنند.
فرآیند آنتی اکسیدانی
ماسک لحیم کاری ارگانیک
این یک فرآیند ضد اکسیداسیون تخته مدار چاپی متداول است که یک لایه محافظ آلی نازک بر روی سطح برد مدار چاپی ایجاد می کند تا فلز را از هوا جدا کند و در نتیجه اثرات ضد اکسیداسیون- اعمال کند. اصل بر پایه پیوند شیمیایی است. با در نظر گرفتن OSP معمولی آزول به عنوان مثال، حلقه ایمیدازول در ترکیبات آلی آلکیل بنزیمیدازول می تواند یک پیوند هماهنگی با الکترون های 3d10 اتم های مس ایجاد کند و در نتیجه کمپلکس های مس آلکیل بنزیمیدازول را تشکیل دهد. در طول فرآیند پوشش، ابتدا لایه اول پوشش داده می شود که مس را جذب می کند. سپس لایه دوم مولکول های پوشش آلی با مس ترکیب می شود و این فرآیند تا زمانی تکرار می شود که ساختاری متشکل از بسیاری از مولکول های پوشش آلی تشکیل شود. در نهایت، یک لایه محافظ با ضخامت معمولاً بین 0.2-0.5 میکرومتر بر روی سطح مس تشکیل میشود. علاوه بر این، به دلیل جاذبه واندروالسی بین گروههای آلکیل زنجیره بلند- و وجود حلقههای بنزن، این فیلم محافظ دارای مقاومت حرارتی خوب و دمای تجزیه بالا است. در محیط جوشکاری با دمای بالا بعدی، این لایه محافظ را می توان به راحتی و به سرعت توسط شار جدا کرد و به سطح مس تمیز در معرض اجازه می دهد تا در مدت زمان بسیار کوتاهی با لحیم مذاب بچسبد و یک اتصال لحیم کاری محکم را تشکیل دهد.
فرآیند OSP هزینه نسبتاً پایینی دارد و پیچیده نیست، بنابراین برای تولید-در مقیاس بزرگ مناسب است. و می تواند لحیم کاری خوب لنت های لحیم کاری را حفظ کند و کیفیت جوش را تضمین کند. اما همچنین دارای معایبی است، مانند لایه لایه نازک که منجر به زمان ذخیره سازی محدود می شود، و عملکرد آنتی اکسیدانی با گذشت زمان و تغییرات محیطی مستعد کاهش است. در برابر دماهای بالا مقاوم نیست، محدود به سناریوهایی است که به چندین فرآیند{3} دمای بالا نیاز دارند. محیط جوش الزامات سختگیرانه ای دارد و عواملی مانند ناخالصی ها و رطوبت موجود در محیط به راحتی بر عملکرد و کیفیت جوشکاری آن تأثیر می گذارد.
طلای غوطه وری
این فرآیند شامل رسوب یک لایه نیکل بر روی سطح برد مدار چاپی و به دنبال آن یک لایه طلا است. لایه نیکل می تواند انتشار مس را مسدود کند، در حالی که لایه طلا دارای مقاومت اکسیداسیون و رسانایی خوبی است که می تواند عملکرد و قابلیت اطمینان برد مدار چاپی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. فرآیند آبکاری طلا نیکل شیمیایی بالغ، با عرضه کافی، مناسب برای لحیم کاری بدون سرب-است. با این حال، هزینه این فرآیند نسبتاً بالا است و سطح آن به اندازه کافی صاف نیست و جوش دادن اجزای گام ریز را دشوار می کند.
غوطه ور شدن در نقره
فرآیند غوطه وری نقره می تواند یک لایه نقره ای یکنواخت را روی سطح برد مدار چاپی تشکیل دهد که مقاومت در برابر اکسیداسیون و لحیم کاری خوبی دارد. هیچ لایه نیکلی در زیر لایه نقره وجود ندارد، بنابراین نقره غوطه ور از نظر فیزیکی به اندازه آبکاری نیکل الکترولس/طلا غوطه ور نیست. لایه نقره زمانی که در معرض هوا قرار می گیرد دچار یک مسیر خوردگی دوگانه می شود. تحت اکسیداسیون شیمیایی، 4Ag+O2 → 2Ag2O یک لایه اکسید زرد تشکیل می دهد. در خوردگی الکتروشیمیایی، Ag+H2S → Ag2S+H2 سولفیدهای سیاه تولید می کند. هنگامی که رطوبت نسبی بیشتر از 60٪ باشد، نرخ خوردگی سه برابر افزایش می یابد. در محیطهای حاوی گوگرد، مانند بستهبندیهای لاستیکی، تغییر رنگ قابل مشاهده میتواند در عرض 24 ساعت رخ دهد.
فرو بردن قلع
فرآیند غوطه وری قلع سطح برد مدار چاپی را با یک لایه قلع می پوشاند که می تواند به طور موثر از اکسید شدن جلوگیری کند. از آنجایی که تمام مواد لحیم کاری بر پایه قلع هستند، لایه قلع می تواند با هر نوع لحیم کاری مطابقت داشته باشد. با این حال، تختههای مدار چاپی که در گذشته با فرآیندهای غوطهوری قلع پردازش میشدند، مستعد مشکلات سبیل قلع بودند، و در طول فرآیند لحیم کاری، پدیده مهاجرت قلع و سبیل قلع چالشهای جدی برای قابلیت اطمینان ایجاد کرد. بعداً با افزودن مواد افزودنی آلی به محلول غوطهوری قلع، ساختار لایه قلع به ذرات تبدیل شد و بر مشکلات ذکر شده غلبه کرد و از پایداری حرارتی و جوشپذیری خوبی برخوردار شد. زمان نگهداری صفحات قلع غوطه ور محدود است و اگر برای مدت طولانی باقی بماند، اکسید قلع روی سطح آنها تشکیل می شود که بر اثر جوشکاری تاثیر می گذارد. بنابراین لازم است در هنگام مونتاژ، ترتیب غوطه وری قلع را به شدت رعایت کنید.
تسطیح هوای گرم
تسطیح هوای گرم، همچنین به عنوان تسطیح لحیم کاری با هوای گرم شناخته می شود، که معمولا به عنوان اسپری قلع شناخته می شود. این فرآیند شامل پوشش دادن سطح یک برد مدار چاپی با لحیم سرب مذاب قلع است. امروزه بیشتر از لحیم{2}}بدون سرب استفاده میشود و سپس از گرم کردن هوای فشرده برای تراز کردن لحیم استفاده میشود و یک لایه پوششی تشکیل میدهد که میتواند به طور موثر در برابر اکسیداسیون مس مقاومت کند و لحیمکاری عالی را ارائه دهد. در طول تهویه مطبوع گرم، لحیم کاری با مس در تعامل است و ترکیبات فلزی قلع مس را در محل اتصال تشکیل می دهد. این فرآیند به دو نوع عمودی و افقی تقسیم می شود که نوع افقی به دلیل پوشش یکنواخت تر و توانایی دستیابی به تولید خودکار، عموماً مزیت بیشتری در نظر گرفته می شود. فرآیند کلی شامل مراحلی مانند میکرو اچینگ، پیش گرم کردن، پوشش فلاکس، اسپری قلع و تمیز کردن است. فرآیند تراز کردن هوای گرم بالغ، با هزینه نسبتاً کم و لحیم کاری خوب، مناسب برای لحیم کاری بدون سرب-است. اما سطح آن به اندازه کافی صاف نیست و جوش دادن اجزای گام ریز را دشوار می کند و سرب حاوی HASL نیز با مشکلات زیست محیطی مواجه است.
قهوه ای شدن
در فرآیند تولید بردهای مدار چاپی چند لایه، پردازش سطح فویل مس داخلی برای کیفیت لمینیت بسیار مهم است و فرآیند قهوه ای شدن به طور گسترده در آن استفاده می شود. هسته آن تشکیل یک اکسید مس متخلخل یا فیلم اکسید مس روی سطح مس از طریق واکنش اکسیداسیون شیمیایی است. تحت اثر اکسیدان های قلیایی، مس تحت واکنش های اکسیداسیون قرار می گیرد، با 2Cu+4OH-+O2 → 2CuO+2H2O، Cu+2OH-→ Cu 2 O+H₂ O{10}}e. قهوه ای شدن نه تنها چسبندگی بین لایه ای خوبی را فراهم می کند، بلکه ترشوندگی رزین را در طول فرآیند لمینیت بهبود می بخشد. ساختار متخلخل لایه قهوه ای باعث افزایش سطح فویل مسی، تسهیل نفوذ رزین و پر شدن ریز منافذ، کاهش حباب ها و حفره ها در حین لمینیت، افزایش نیروی گزش مکانیکی و کاهش خطر لایه برداری می شود. در چرخه حرارتی برد مدار چاپی، تنش می تواند به طور یکنواخت توزیع شود و خطر لایه لایه شدن بین لایه ها را کاهش دهد و قابلیت اطمینان حرارتی را بهبود بخشد. با این حال، اگر به درستی کنترل نشود، اکسیداسیون بیش از حد می تواند لایه اکسید را بیش از حد ضخیم و شکننده کند و استحکام پیوند را کاهش دهد. اکسیداسیون ناهموار می تواند منجر به نیروهای اتصال ناسازگار شود و خطر لایه برداری را افزایش دهد. اگر قهوه ای شدن قبل از لمینیت بعدی، مانند جذب رطوبت یا آسیب به فیلم اکسید آلوده شود، می تواند منجر به کاهش استحکام پیوند نیز شود. ضخامت لایه اکسید معمولا بین 0.5-1.5μm کنترل می شود. قبل از قهوه ای شدن، از فرآیند میکرو اچینگ برای حذف اکسیدها و آلاینده های آلی از سطح مس استفاده می شود. عوامل رایج میکرو اچینگ شامل سیستم های پرسولفات آمونیوم یا اسید سولفوریک پراکسید هیدروژن است. محلول های قهوه ای معمولاً از اکسیدان های قلیایی، عوامل کمپلکس کننده و تثبیت کننده ها تشکیل شده اند. با تنظیم شرایط اکسیداسیون، نسبت بهینه CuO/CuO2O را می توان برای متعادل کردن قدرت اتصال و مقاومت حرارتی به دست آورد. سطح مس پس از قهوه ای شدن مستعد رطوبت یا آلودگی هوا است و معمولاً قبل از لمینیت نیاز به درمان آنتی اکسیدانی دارد، مانند استفاده از لایه های محافظ آلی مانند بنزوتریازول یا سایر آنتی اکسیدان ها و همچنین ذخیره سازی خشک برای جلوگیری از جذب رطوبت و کاهش خطر خرابی.
سایر اقدامات برای مقاومت در برابر اکسیداسیون برد مدار چاپی
انتخاب مواد
انتخاب زیرلایهها و مواد فلزی با کیفیت-در فرآیند تولید برد مدار چاپی بسیار مهم است. بسترهای با کیفیت بالا دارای خواص عایق و پایداری خوبی هستند که می تواند به طور موثری از تهاجم اکسیژن و رطوبت جلوگیری کند. در این میان با استفاده از پوشش های فلزی با خواص آنتی اکسیدانی قوی مانند آبکاری طلا، آبکاری نقره، قلع اندود و ... می توان یک لایه محافظ بر روی سطح مدار فلز ایجاد کرد تا از بروز واکنش های اکسیداسیون جلوگیری کند. به عنوان مثال، در برخی از محصولات الکترونیکی پیشرفته، از فویل مسی بدون اکسیژن با مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون به عنوان روکش مسی{6}}برای افزایش مقاومت کلی در برابر اکسیداسیون برد مدار چاپی استفاده میشود.
کنترل محیطی
محیط ذخیره سازی و استفاده معقول به همان اندازه برای مقاومت در برابر اکسیداسیون برد مدار چاپی بسیار مهم است. در طول تولید، ذخیره سازی و حمل و نقل بردهای مدار چاپی، دما و رطوبت محیط باید به شدت کنترل شود تا از قرار گرفتن بردهای مدار چاپی در معرض دمای بالا، رطوبت بالا یا محیط های حاوی آلاینده جلوگیری شود. برای مثال، نگهداری بردهای مدار چاپی در محیطی با رطوبت نسبی کنترل شده بین 40% -60% و دمای کنترل شده بین 20-25 درجه می تواند به طور موثری سرعت اکسیداسیون را کاهش دهد. در عین حال، مواد بسته بندی مناسب مانند کیسه های ضد رطوبت، جعبه های فوم و غیره را انتخاب کنید تا از یکپارچگی و کیفیت برد مدار چاپی اطمینان حاصل کنید. برای تختههای خالی که هنوز مونتاژ نشدهاند، بستهبندی خلاء میتواند به طور موثری هوا را جدا کرده و فرآیند اکسیداسیون را به تاخیر بیندازد.
بهینه سازی فرآیند تولید
بهینهسازی فرآیند تولید میتواند زمان قرار گرفتن در معرض هوای بردهای مدار چاپی را در طول فرآیند تولید کاهش دهد و همچنین خطر اکسیداسیون را کاهش دهد. به عنوان مثال، با استفاده از تجهیزات خودکار برای تکمیل سریع انتقال از حکاکی به ماسک لحیم کاری، می توان از زمان انتظار غیر ضروری جلوگیری کرد. استفاده از محلولهای آنتیاکسیدان برای درمان سطوح مسی در مراحل خاص تولید برد مدار چاپی میتواند محافظت موقتی از سطح مس را در مدت زمان کوتاهی تا شروع فرآیند بعدی فراهم کند.