Модель параметра увлажнения монтажных подложек

Увлажнение диэлектрических оснований печатных плат с теоретических позиций - процесс мало изученный. Обычно этот процесс оценивают косвенно по изменению электрических характеристик печатных плат. Современные представления о процессах увлажнения не позволяют выработать обоснованные требования к проектированию узлов и блоков электронной аппаратуры, к условиям их эксплуатации и климатической защиты. В научно-технической литературе сведений об увлажнении композиционных диэлектриков слишком мало, а теоретические модели увлажнения носят слишком общий характер, что не позволяют использовать их для инженерных расчетов.

Результаты экспериментальных исследований процессов увлажнения также недостаточны, так как они могут быть достоверны только для равновесного влагопоглощения, когда для фиксированных внешних условий насыщение достигает установившихся значений но всему объему конструкции узла, блока, и не создают предпосылок для прогнозирования количественных характеристик нестационарных процессов увлажнения композиционных материалов с различными диффузионными и сорбционными константами [121,122].

Актуальность рассмотрения комплекса вопросов, связанных с процессами увлажнения печатных узлов обусловила необходимость разработки математической модели, с помощью которой можно было бы при 01раниченном объеме экспериментальных исследований количественно оценить нестационарные во времени и объеме изменения содержания влаги в композиционных материалах - диэлектрических основаниях печатных плат.

Одной из распространенных причин возникновения дефектов и отказов печатных плат является повышенное влагосодержание. Концентрация влаги в диэлектрическом основании печатных плат может быть такой значительной, что при условиях ее интенсивного испарения, характерных, например, для пайки расплавленной волной припоя, могут возникать большие поверхностные или объемные взрывные расслоения, многочисленные дефекгы паяных соединений.

Повышение температуры пайки при переходе на бессвинцовые технологии обостряет проблему обеспечения устойчивости плат к термоударам, возникающим при пайке [123].

Наличие на внутренних слоях ГМП массивов фольги, характерных для цепей земли и питания, усугубляет последствия интенсивного испарения влаги. Препятствия для выхода пара, возникающего в местах сосредоточения больших поверхностей фольги, повышают его локальное давление до значений, превышающих адгезионную прочность сцепления слоев ГМП. Если, например, задел ГМП перед пайкой хранился в условиях производственного помещения при температуре 25 °С и относительной влажности 70 %, равновесное содержание влаги в плате с габаритами 150x140x2 мм превышает 0,2 г. Обычным расчетом можно показать, что объем пара, выделяющегося из такой платы за время пайки при температуре 250 °С, будет приблизительно равен 0,5 л. Этого достаточно чтобы привести к расслоению ГМП по ослабленным местам, которыми опять же являются соединения фольги с диэлектриком. Расслоения ГМП неизбежно приводят к необходимости забракования дорогостоящих узлов и блоков, так как их отрицательные последствия непредсказуемы для дальнейшей эксплуатации электронной аппаратуры [123].

Для предотвращения дефектов паяных соединений, связанных с паровыделением, стандартный технологический процесс предусматривает сушку плат за 6 часов до пайки, не связывая эго время с конкретными условиями хранения задела. Тем не менее, практика производства показывает, что, во-первых, не всегда можно уложиться в это время, и, во-вторых, при максимально разрешенных значениях относительной влажности и температуры воздуха производственных помещении монтажных участков и цехов, наступающих обычно в летний период, за 6 часов поверхностные слои ПП могуг увлажниться до критических значений. Напротив, в зимний период, когда холодный атмосферный воздух имеет низкое абсолютное содержание влаги после нагрева его до температуры производственных помещений, относительная влажность становится очень низкой - до 20%. В этих условиях, очевидно, производить сушку плат перед пайкой не требовалось бы. Однако, во избежание опасностей, связанных со статическим электричеством, помещения, где производится сборка и монтаж, искусственно увлажняются. В реальных условиях относительная влажность воздуха всегда изменяется. При ручной сборке печатных узлов дополнительным фактором заметного поверхностного увлажнения плат является конденсация продуктов испарения кожи рук человека, наиболее интенсивного в жаркий период времени [123].

В результате изменения влажности происходит попеременное увлажнение и высыхание материала. Вследствие этого поверхностные слои диэлектрического основания ПП теряют механическую прочность, разрыхляются.

Высокое влагосодержание может вызвать гидролиз связующего. Совокупность этих факторов может приводить к размягчению поверхности диэлектрика ПП, а продукты гидролиза могут способствовать ускорению коррозии металлических покрытий и тем самым способствовать потери паяемости металлических элементов. К размягченной поверхности связующего могут прилипать продукты процессов пайки, вызывая различные формы белесоватости диэлектрика.

Увлажнение ПП с теоретических позиций - процесс малоизученный. Обычно этот процесс оценивают косвенно но изменению электрических характеристик изоляции при испытаниях ПП на влагоустойчивость при исследованиях процессов отказа изоляции, коррозии металлических элементов ПП. Современные представления о процессах увлажнения ПП не позволяют выработать обоснованные требования к технологиям узлов и блоков электронной аппаратуры, к условиям их эксплуатации.

В научно-технической литературе сведений об увлажнении стеклопластиков слишком мало, а теоретические модели увлажнения носят слишком общий характер и не позволяют использовать их для инженерных расчетов. Актуальность рассмотрения комплекса вопросов, связанных с процессами сушки и увлажнения ПП, и отсутствие теоретических исследований этих процессов обусловила необходимость разработки математической модели, с помощью которой можно было бы при ограниченном объеме экспериментальных исследований количественно оценить нестационарные по времени и по толщине образца изменения содержания влаги в стеклопластиках - базовых материалах ПП [ 124, 125].

Количество влаги, которое может быть поглощено платой, зависит главным образом от количества влаги, содержащейся в окружающем воздухе. Процесс влагопоглощения происходит непрерывно до установления равновесия. Скорость проникновения молекул воды возрастает с повышением температуры. В отличие от большинства материалов, стеклопластики - капиллярно-пористые тела, для которых характерна преимущественно физико-механическая связь влаги в микро- и макрокаиилярах. В силу этого влагопоглощение стеклотекстолита в большей мере обусловлено адсорбцией влаги на границе связующее-стекло. Поэтому, чем лучше связующее обеспечивает соединение с ним стеклоткани, гем меньше капиллярная пористость стеклотекстолита, тем выше влагостойкость диэлектрика ПП [126].

Известно, что при небольшой пористости (менее 3 %) проникновение воды происходит путем активированной диффузии, и если градиент концентрации влаги направлен но оси X , диффузионный поток влаги вдоль этой оси выражается линейным законом Фика:

где: D - коэффициент диффузии влаги в материале ПП (м²/с); С -

, , зч дС

концентрация влаги (г/м ); — - градиент концентрации влаги по

дх

толщине ПП вдоль оси X (г/м⁴) .

Но одновременно с началом проникновения влаги в плату начнется и сорбционное поглощение влаги стеклопластиком. Не вдаваясь в физическую сущность процессов сорбции и конденсации влаги в объеме стеклопластика, формализуем эти процессы следующим уравнением:

где gC - концентрация влаги в объеме платы, обусловленная сорбционными процессами (г/м³); К - коэффициент сорбционного поглощения материала.

Таким образом, если плата долго находилась на воздухе, т.е. t —»foo, С —> Соо, то масса поглощенной влаги Goо в равновесном состоянии составит:

где V - объем ПП; С<х> - установившееся значение концентрации влаги в материале ПП, равное концентрации влаги в воздухе помещения.

Таким образом, на основании проведенных исследований получены:

• - уравнения для инженерных расчетов концентрации и массы влаги в объеме печатных плат;
• - значения коэффициентов диффузии и сорбции, которые можно использовать для оценки качества печатных плат;
• - выражения, позволяющие обосновать требования к предельным значениям увлажнения плат, режимам сушки для подготовки плат к монтажу, и за счег этого снизить уровень брака и улучшить качество монтажных изделий.