Czym jest pad cratering i jak go unikać?

Ze względu na wyraźną różnicę w miejscach występowania defektów delaminacji i pad crateringu, aby złagodzić dwa zupełnie różne mechanizmy uszkodzeń, proponuje się stosowanie różnych materiałów laminowanych w tych dwóch obszarach:

1. Termicznie stabilne laminaty dostosowane do procesu bezołowiowego, które mogą być podatne na defekt pad cratering, powinny być stosowane w warstwach od 2 do n-1 stosu PCB, co minimalizuje problemy z delaminacją.

2. Laminaty odporne na pad cratering, a więc w istocie laminaty mniej odporne na ciepło, ale bardziej plastyczne i mniej kruche, które jednocześnie są bardziej podatne na rozwarstwienie podczas montażu bezołowiowego, powinny być stosowane do utworzenia obu warstw zewnętrznych.

Przykładem takiej hybrydowej struktury może być wykorzystanie utwardzanego laminatu epoksydowego, który jest generalnie bardziej odporny na pad cratering (ale podatny na delaminację), jako warstwy zewnętrznej, w połączeniu laminatem epoksydowym utwardzanym fenolem jako warstwy wewnętrznej. Takie połączenie zapobiega powstawaniu pad crateringu w warstwach zewnętrznych i delaminacji w warstwach wewnętrznych. Inną oczywistą zaletą tej kombinacji jest to, że żywica epoksydowa utwardzana metodą dicy-cured i żywica epoksydowa utwardzana fenolem mają bardzo podobne właściwości chemiczne i elektryczne, a zatem, w przeciwieństwie do kombinacji poliimidu i żywicy epoksydowej, nie mają problemów z kompatybilnością.

Mechanizm pad crateringu

Ogólnie uważa się, że pad cratering jest spowodowany pękaniem kruchego laminatu pod wpływem zewnętrznych naprężeń mechanicznych (w tym cieplno-mechanicznych). Aby dobrze zrozumieć przyczyny pękania laminatu, trzeba rozróżnić tzw. ‘mechanikę pękania’ zamiast klasycznej ‘mechaniki materiałów’. W mechanice klasycznej zdolność materiału do przetrwania naprężeń jest określona przez równowagę między przyłożonym naprężeniem zewnętrznym a wewnętrznymi właściwościami materiału, takimi jak granica plastyczności lub wytrzymałość na rozciąganie. W mechanice pękania, oprócz naprężenia zewnętrznego i wewnętrznej właściwości materiału, należy również wziąć pod uwagę trzeci parametr, defekty fizyczne, będące miejscem inicjacji pęknięcia. Alternatywna strategia unikania zjawiska pad crateringu opiera się eliminacji miejsc potencjalnej inicjacji pęknięcia.

Generalnie można stwierdzić, iż obecność drobnych defektów materiałów może drastycznie zwiększyć koncentrację naprężeń w tym konkretnym miejscu, inicjując wystąpienie pęknięcia w warunkach przyłożenia znacznie mniejszego naprężenia zewnętrznego niż w stanie całkowicie wolnym od wad. Łatwo uzmysłowić sobie występowanie tego typu mechanizmu inicjacji przywołując przykład cięcia szkła. Szkło jest mocnym, ale kruchym materiałem i jest bardzo podatne na ‘kruche’ pękanie. Najłatwiejszym sposobem wycięcia kawałka szkła jest utworzenie w nim ‘wady’, np. poprzez zarysowanie. Szkło można następnie łatwo stłuc wzdłuż miejsca ubytku przy minimalnym naprężeniu. Bardziej szczegółowy opis tego mechanizmu znajduje się w oryginale omawianego tekstu.

W procesie produkcji PCB folie miedziane są laminowane do materiałów dielektrycznych, takich jak laminat epoksydowy. Ze względu na naturalnie słabą interakcję pomiędzy miedzią a typowymi laminatami, adhezja chemiczna pomiędzy folią Cu i laminatami jest również raczej słaba, tak więc aby poprawić przyczepność między foliami miedzianymi a laminatami, powierzchnia miedzi jest wstępnie obrabiana promotorami adhezji w celu zwiększenia przyczepności chemicznej, a także wytrawiana w celu uzyskania szorstkiej powierzchni zwiększającej przyczepność mechaniczną. Gdy miedź jest usuwana w procesie produkcji PCB na etapie wytrawiania, trwałe nierówności spowodowane nierówną powierzchnią miedzi są odciskane na powierzchni laminatu.

Rysunek 2: Nierówności miedzi powodują nierówności powierzchni laminatu. Żródło: © 'Novel Approaches for Minimizing Pad Cratering’

Owe defekty wokół padu mogą niestety pełnić funkcję inicjatora powstawania pad crateringu. W celu określenia, autorzy omawianego artykułu przebadali, jak chropowatość powierzchni miedzi wpływa na częstotliwość występowania pad crateringu, stosując miedź standardową oraz wygładzoną, a następnie – mówiąc kolokwialnie – próbując oderwać pad od laminatu.

Stwierdzili oni, iż istnieje wyraźna różnica w sile jaką musieli zastosować pomiędzy gładką i szorstką powierzchnią miedzi. Pozornie, gładka próbka powinna mieć słabszą przyczepność niż próbka szorstka, co oznaczałoby jednocześnie konieczność przyłożenia mniejszej siły odrywającej dla próbki gładkiej niż próbka szorstka. Jednak wyniki eksperymentu pokazują całkowicie odwrotną tendencję: próbki z gładką miedzią wymagały znacznie większej siły naciągu niż próbki z miedzią szorstką. Ten pozornie zaskakujący wynik jest prawdopodobnie spowodowany różnicą w ilości występowania drobnych defektów między dwiema próbkami: gładka próbka będzie miała ich mniej niż próbka szorstka, a w konsekwencji, ilość miejsc inicjacji pęknięć będzie mniejsza. Innymi słowy: większa gęstość występowania defektów w próbce z miedzią standardową w porównaniu z miedzią wygładzoną skutkuje wyższą koncentracją naprężeń w obszarach tych mikro-defektów, a tym samym zwiększonym prawdopodobieństwem powstawania defektu pad crateringu.