כמרכיב הליבה של מוצרים אלקטרוניים, הביצועים והאיכות של המעגלים המודפסים משפיעים ישירות על היציבות והאמינות של המכשיר האלקטרוני כולו. בין הגורמים הרבים המשפיעים על ביצועי המעגלים המודפסים, קיבולת נוגדת החמצון משחקת תפקיד מכריע.
הסכנות של חמצון מעגלים מודפסים
המעגל המודפס מורכב בעיקר מקווים מוליכים, מצעים מבודדים ורכיבים אלקטרוניים שונים. בשימוש יומיומי, לוחות מעגלים מודפסים נתקלים באתגרים סביבתיים שונים, וחמצון הוא נושא שאי אפשר להתעלם ממנו. חמצן, לחות ומזהמים שונים באוויר עלולים להגיב כימית עם חוטי המתכת על המעגל המודפס, ולגרום לקורוזיה, התנגדות מוגברת, העברת אותות לא יציבה ואפילו תקלות במעגלים. במיוחד חלקי המתכת, כגון קווי רדיד נחושת וחיבורי הלחמה על לוחות מעגלים מודפסים, נוטים להגיב עם חמצן באוויר, וליצור תחמוצות. תחמוצות אלו עלולות להגביר את ההתנגדות של המעגל, להפריע ליציבות העברת האותות, ובמקרים חמורים לגרום להפסקות במעגל, וכתוצאה מכך מכשירים אלקטרוניים אינם פועלים כראוי.
תהליך נוגד חמצון
מסכת הלחמה אורגנית
זהו תהליך אנטי- של מעגלים מודפסים בשימוש נפוץ, אשר יוצר סרט מגן אורגני דק על פני המעגל המודפס כדי לבודד את המתכת מהאוויר, ובכך להפעיל השפעות אנטי--חמצון. העיקרון מבוסס על קשר כימי. אם לוקחים את האזול הנפוץ OSP כדוגמה, טבעת האימידאזול בתרכובות אורגניות של אלקיל-בנזימידאזול יכולה ליצור קשר תיאום עם האלקטרונים 3d10 של אטומי נחושת, ובכך ליצור קומפלקסים של נחושת אלקיל-בנזימידאזול. בתהליך הציפוי מצפים תחילה את השכבה הראשונה אשר סופחת נחושת. לאחר מכן, השכבה השנייה של מולקולות ציפוי אורגני מתמזגות עם נחושת, ותהליך זה חוזר על עצמו עד שנוצר מבנה המורכב ממולקולות ציפוי אורגניות רבות. לבסוף, שכבת הגנה בעובי בדרך כלל בין 0.2-0.5 מיקרומטר נוצרת על פני הנחושת. יתרה מכך, בשל המשיכה של ואן דר ואלס בין קבוצות אלקיל ארוכות-שרשרת ונוכחות של טבעות בנזן, לסרט המגן הזה יש עמידות טובה בחום וטמפרטורת פירוק גבוהה. בסביבת הריתוך שלאחר מכן בטמפרטורה גבוהה, ניתן להסיר סרט מגן זה בקלות ובמהירות על ידי השטף, מה שמאפשר למשטח הנחושת הנקי החשוף להיקשר עם ההלחמה המותכת בפרק זמן קצר מאוד, וליצור מפרק הלחמה יציב.
לתהליך OSP יש עלות נמוכה יחסית ואינו מסובך, מה שהופך אותו למתאים לייצור-בקנה מידה גדול. והוא יכול לשמור על יכולת הלחמה טובה של רפידות ההלחמה, מה שמבטיח איכות ריתוך. אבל יש לו גם כמה חסרונות, כמו שכבת הסרט הדקה המובילה לזמן אחסון מוגבל, וביצועי נוגדי החמצון נוטים לרדת עם הזמן ושינויים סביבתיים; אינו עמיד לטמפרטורות גבוהות, מוגבל בתרחישים הדורשים תהליכים מרובים של-טמפרטורות גבוהות; לסביבת הריתוך דרישות מחמירות, וגורמים כמו זיהומים ולחות בסביבה יכולים להשפיע בקלות על ביצועיה ואיכות הריתוך שלה.
טבילה זהב
תהליך זה כולל הפקדת שכבת ניקל על פני המעגל המודפס, ואחריה שכבת זהב. שכבת הניקל יכולה לחסום את דיפוזיה של נחושת, בעוד לשכבת הזהב יש התנגדות חמצון ומוליכות טובה, מה שיכול לשפר משמעותית את הביצועים והאמינות של המעגל המודפס. תהליך ציפוי זהב ניקל כימי בשל, עם אספקה מספקת, מתאים להלחמה נטולת עופרת-. עם זאת, העלות של תהליך זה גבוהה יחסית, ופני השטח שלו אינם חלקים מספיק, מה שמקשה על ריתוך רכיבי פסל עדין.
טבילה בכסף
תהליך כסף טבילה יכול ליצור שכבת כסף אחידה על פני המעגל המודפס, עם עמידות טובה לחמצון וניתן להלחמה. אין שכבת ניקל מתחת לשכבת הכסף, כך שכסף טבילה אינו חזק פיזית כמו ציפוי ניקל נטול חשמל/זהב טבילה. שכבת הכסף תעבור מסלול קורוזיה כפול בעת חשיפה לאוויר. תחת חמצון כימי, 4Ag+O ₂ → 2Ag ₂ O יוצר שכבת תחמוצת צהובה; בקורוזיה אלקטרוכימית, Ag+H ₂ S → Ag ₂ S+H ₂ מייצר סולפידים שחורים. כאשר הלחות היחסית גדולה מ-60%, קצב הקורוזיה עולה פי שלושה; בסביבות המכילות גופרית, כמו אריזות גומי, שינוי צבע גלוי יכול להתרחש תוך 24 שעות.
טבילת פח
תהליך פח הטבילה מכסה את פני המעגל המודפס בשכבת פח, שיכולה למנוע ביעילות חמצון. מכיוון שכל חומרי ההלחמה מבוססים על פח, שכבת הפח יכולה להתאים לכל סוג הלחמה. עם זאת, לוחות מעגלים מודפסים שטופלו בעבר בתהליכי טבילת בדיל היו מועדים לבעיות של שפם בדיל, ובמהלך תהליך ההלחמה, תופעות של שפם בדיל ותופעות נדידת בד היוו אתגרים רציניים לאמינות. מאוחר יותר, על ידי הוספת תוספים אורגניים לתמיסת הטבילה בדיל, מבנה שכבת הפח הפך לחלקיקים, תוך התגברות על הקשיים-שצוינו לעיל ובעלת יציבות תרמית טובה ויכולת ריתוך. זמן האחסון של לוחות פח טבילה מוגבל, ואם נשארים זמן רב מדי, תיווצר תחמוצת פח על פני השטח שלהן, מה שישפיע על אפקט הריתוך. לכן, יש צורך להקפיד על סדר הטבילה של פח במהלך ההרכבה.
פילוס אוויר חם
פילוס אוויר חם, הידוע גם בשם פילוס הלחמה באוויר חם, המכונה בדרך כלל התזת פח. תהליך זה כולל ציפוי של פני השטח של לוח מעגלים מודפס בהלחמת עופרת בדיל מותכת. כיום, נעשה שימוש נפוץ יותר בהלחמה נטולת עופרת, ולאחר מכן נעשה שימוש בחימום אוויר דחוס כדי ליישר את ההלחמה, ויוצרת שכבת ציפוי שיכולה לעמוד ביעילות בפני חמצון נחושת ולספק יכולת הלחמה מצוינת. במהלך מיזוג אוויר חם, ההלחמה מקיימת אינטראקציה עם נחושת ליצירת תרכובות מתכת פח נחושת בצומת. תהליך זה מחולק לסוגים אנכיים ואופקיים, כאשר בדרך כלל הסוג האופקי נחשב ליותר יתרון בשל הציפוי האחיד יותר שלו והיכולת להגיע לייצור אוטומטי. התהליך הכללי כולל שלבים כמו מיקרו תחריט, חימום מוקדם, ציפוי שטף, ריסוס פח וניקוי. תהליך פילוס האוויר החם הוא בוגר, בעל עלות נמוכה יחסית ויכולת הלחמה טובה, מתאים להלחמה נטולת עופרת-. אבל פני השטח שלו אינם חלקים מספיק, מה שמקשה על ריתוך רכיבי פסולת עדינים, והעופרת המכילה HASL מתמודדת גם עם בעיות סביבתיות.
הַשׁחָמָה
בתהליך הייצור של לוחות מודפסים מרובי-שכבות, הטיפול במשטח רדיד הנחושת הפנימי הוא קריטי לאיכות הלמינציה, ותהליך ההשחמה נמצא בשימוש נרחב בו. הליבה שלו היא ליצור סרט תחמוצת נחושת נקבובי או תחמוצת קופרוס על פני הנחושת באמצעות תגובת חמצון כימית. תחת פעולתם של חומרי חמצון אלקליים, נחושת עוברת תגובות חמצון, עם 2Cu+4OH ⁻+O ₂ → 2CuO+2H ₂ O, Cu+2OH ⁻ → Cu ₂ O+H ₂ O+2e . השחמה לא רק מספקת הדבקה טובה בין השכבות, אלא גם משפרת את יכולת ההרטבה של השרף במהלך תהליך הלמינציה. המבנה הנקבובי של שכבת ההשחמה מגדיל את שטח הפנים של רדיד הנחושת, מקל על חדירת שרף ומילוי מיקרו-נקבוביות, מפחית בועות וחללים במהלך הלמינציה, משפר את כוח הנשיכה המכני ומפחית את הסיכון לדלמינציה. ברכיבה תרמית של לוח מעגלים מודפסים, הלחץ יכול להתפזר בצורה שווה יותר, להפחית את הסיכון של דלמינציה בין השכבות ולשפר את האמינות התרמית. עם זאת, אם לא נשלט כראוי, חמצון מוגזם יכול להפוך את שכבת התחמוצת לעבה ושבירה מדי, ולהפחית את חוזק ההתקשרות; חמצון לא אחיד יכול להוביל לכוחות קשירה לא עקביים ולהגביר את הסיכון לדלמינציה; אם השחמה מזוהמת לפני הלמינציה שלאחר מכן, כגון ספיגת לחות או נזק לסרט התחמוצת, זה יכול גם להוביל לירידה בחוזק ההדבקה. עובי שכבת התחמוצת נשלט בדרך כלל בין 0.5-1.5 מיקרומטר. לפני ההשחמה, נעשה שימוש בתהליך מיקרו תחריט להסרת תחמוצות ומזהמים אורגניים ממשטח הנחושת. סוכני מיקרו תחריט נפוצים כוללים אמוניום פרסולפט או מערכות מי חמצן חומצה גופרתית. תמיסות השחמה מורכבות בדרך כלל מחומצנים אלקליים, חומרי קומפלקס ומייצבים. על ידי התאמת תנאי החמצון, ניתן לקבל את היחס האופטימלי CuO/CuO ₂ O כדי לאזן את חוזק הקישור ועמידות החום. משטח הנחושת לאחר ההשחמה נוטה ללחות או לזיהום אוויר, ולרוב דורש טיפול נוגד חמצון לפני למינציה, כגון שימוש בשכבות הגנה אורגניות כגון בנזוטריאזול או נוגדי חמצון אחרים, וכן אחסון יבש כדי למנוע ספיגת לחות ולהפחית את הסיכון להידרדרות.
אמצעים אחרים לעמידות לחמצון המעגלים המודפסים
בחירת חומרים
בחירת מצעים וחומרי מתכת באיכות- גבוהה היא חיונית בתהליך ייצור המעגלים המודפסים. מצעים באיכות גבוהה הם בעלי תכונות בידוד טובות ויציבות, שיכולים לחסום ביעילות את פלישת החמצן והלחות. בינתיים, על ידי שימוש בציפויי מתכת בעלי תכונות נוגדות חמצון חזקות כגון ציפוי זהב, ציפוי כסף, ציפוי פח וכו', ניתן ליצור סרט מגן על פני מעגל המתכת כדי למנוע התרחשות של תגובות חמצון. לדוגמה, במוצרים אלקטרוניים מסוימים-מתקדמים, רדיד נחושת נטול חמצן עם עמידות חמצון מעולה משמש כחומר מצופה-נחושת כדי לשפר את עמידות החמצון הכוללת של המעגל המודפס.
בקרה סביבתית
סביבת אחסון ושימוש סבירים חיוניים באותה מידה לעמידות החמצון של המעגל המודפס. במהלך הייצור, האחסון וההובלה של מעגלים מודפסים, יש לשלוט בקפדנות על הטמפרטורה והלחות של הסביבה כדי להימנע מחשיפת מעגלים מודפסים לטמפרטורה גבוהה, ללחות גבוהה או לסביבות המכילות מזהמים. לדוגמה, אחסון לוחות מעגלים מודפסים בסביבה עם לחות יחסית נשלטת בין 40% -60% וטמפרטורה מבוקרת בין 20 מעלות -25 מעלות יכול להאט ביעילות את קצב החמצון. במקביל, בחר חומרי אריזה מתאימים, כגון שקיות חסינות לחות, קופסאות קצף וכו', כדי להבטיח את תקינות ואיכות המעגלים המודפסים. עבור לוחות חשופים שעדיין לא הורכבו, אריזות ואקום יכולות לבודד ביעילות את האוויר ולעכב את תהליך החמצון.
אופטימיזציה של תהליך הייצור
ייעול תהליך הייצור יכול להפחית את זמן החשיפה של מעגלים מודפסים לאוויר במהלך תהליך הייצור וגם להוריד את הסיכון לחמצון. לדוגמה, על ידי שימוש בציוד אוטומטי כדי להשלים במהירות את המעבר מתחריט למסכת הלחמה, ניתן למנוע זמן המתנה מיותר. שימוש בתמיסות נוגדי חמצון לטיפול במשטחי נחושת במהלך שלבים ספציפיים של ייצור המעגלים המודפסים יכול לספק הגנה זמנית למשטח הנחושת בפרק זמן קצר עד תחילת התהליך הבא.