בארכיטקטורה המורכבת של מכשירים אלקטרוניים, ניתן להתייחס למעגלים כמרכז הליבה, האחראי על חיבור והנעת רכיבים אלקטרוניים שונים. עם זאת, כמו מוצרים תעשייתיים רבים, לוחות מעגלים אינם ניתנים לשימוש קבוע, וחיי המדף שלהם מושפעים מגורמים שונים המשפיעים על הביצועים, האמינות ואפילו חיי השירות של מכשירים אלקטרוניים. לחקירה-מעמיקה של ידע על חיי המדף של מעגלים יש משמעות רבה עבור יצרני מכשירים אלקטרוניים, אנשי תחזוקה וחובבי אלקטרוניקה.
ניתוח גורמים המשפיעים על חיי מדף
מאפייני החומר ותהליך הייצור
לוחות מעגלים עשויים בדרך כלל מסיבי זכוכית, שרף ומצעים אחרים, המכוסים בחומרים מוליכים כגון רדיד נחושת. העמידות למזג האוויר, עמידות החום והיציבות הכימית של חומרים בסיסיים אלו מניחים את הבסיס לחיי המדף שלהם. חומרים באיכות גבוהה יכולים לשמור טוב יותר על תכונות פיזיות וכימיות יציבות כאשר הם מתמודדים עם שינויים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות וחומציות. לדוגמה, שימוש בנייר נחושת בטוהר- גבוה ושרף יציב יכול להפחית את קצב החמצון של נייר נחושת, למזער את ההתרחבות והעיוות של המצע בסביבות לחות וחמות, ובכך להאריך את תוחלת החיים של המעגל. תהליך הייצור הוא גם קריטי ביותר, החל מלמינציה, תחריט ועד טיפול פני השטח של המעגל, הדיוק ובקרת האיכות של כל שלב בתהליך ישפיעו על הביצועים הראשוניים שלו וקצב ההזדקנות שלאחר מכן. שליטה לא נכונה בלחץ ובטמפרטורה במהלך תהליך הלמינציה של לוחות מרובי-שכבות עלולה להוביל להדבקה בין-שכבתית לא מספקת, וכתוצאה מכך לדילמינציה לאורך זמן ולקיצור משמעותי של חיי המדף.
הבדלים בתהליכי טיפול פני השטח
לתהליך טיפול פני השטח של מעגלים יש השפעה משמעותית על חיי המדף שלהם. טיפולי משטח שונים מציגים ביצועים משתנים מבחינת עמידות לחמצון, עמידות בפני קורוזיה ויכולת ריתוך. תהליך זהב טבילה, בשל היציבות הכימית המעולה שלו ועמידות החמצון החזקה של שכבת הזהב, יכול למנוע ביעילות את חמצון הרפידות, וכתוצאה מכך חיי מדף ארוכים יחסית למעגלים, בדרך כלל עד 12 חודשים ואף יותר. לעומת זאת, תהליך השימור האורגני לריתוך, על אף שהוא נמוך יותר, הוא בעל שכבת סרט דקה יחסית שמתחמצנת בקלות באוויר, וחיי המדף שלו הם בדרך כלל 3-6 חודשים בלבד. המעגל עם תהליך ציפוי כסף נוטה לתגובת גופרית של שכבת כסף בסביבות ספציפיות, ומייצר גופרי כסף שחור, המשפיע על יכולת ההלחמה והביצועים החשמליים. יש גם לשלוט בקפידה על חיי המדף שלו, בדרך כלל בסביבות 6-9 חודשים.
גורמי סביבת אחסון
ניתן לכנות את סביבת האחסון "הרוצח הבלתי נראה" או "המגן" של חיי המדף של המעגלים. מבחינת טמפרטורה, טמפרטורת האחסון האידיאלית היא בין 15-30 מעלות צלזיוס. טמפרטורה מוגזמת עלולה להאיץ את הזדקנות החומר, ולגרום להרחבת רדיד נחושת ולריכוך המצע, מה שמוביל לסיכון מוגבר לקצרים בין מעגלים; כאשר הטמפרטורה נמוכה מדי, הלוח הופך שביר וסדקים נוטים להתרחש במהלך הובלה והתקנה. לחות היא גם גורם מפתח, ויש לשלוט בלחות יחסית בין 30% ל-70%. בסביבות לחות גבוהה, לוחות מעגלים מועדים לספיגת לחות, מה שגורם לקורוזיה בנייר נחושת, חלודה במפרק הלחמה ונזק לחיבורים חשמליים; לחות נמוכה עלולה ליצור חשמל סטטי בקלות ולפגוע ברכיבים אלקטרוניים במעגל הרגישים לחשמל סטטי. בנוסף, אם יש בחלל האחסון גזים קורוזיביים כמו גופרית דו-חמצנית, מימן גופרתי וכו', הם יגיבו בצורה כימית עם המתכת שעל פני המעגל, יזרזו את תהליך החמצון והקורוזיה ויקצרו משמעותית את חיי המדף.
הבדלים בחיי המדף של סוגים שונים של לוחות מעגלים
ההבדל בין לוח חשוף ללוח מורכב
חיי המדף של לוחות מעגלים חשופים (ללא התקנה של רכיבים אלקטרוניים) תלויים בעיקר בחומרים שלהם, בתהליכי הייצור ובתנאי האחסון שלהם. בתנאי אחסון טובים, ללוחות חשופים שעוברים תהליכי טיפול משטחים קונבנציונליים כמו התזת פח וציפוי זהב יש בדרך כלל חיי מדף של 6-12 חודשים. אבל אם לוחות חשופים מטופלים במשטחים הניתנים לחמצון בקלות כגון OSP, חיי המדף עשויים להיות רק 3-6 חודשים. המעגל המורכב, עם רכיבים אלקטרוניים שונים המולחמים עליו, מציג מצב מורכב יותר. לרכיבים אלקטרוניים יש גם מגבלות אורך חיים משלהם, כגון קבלים אלקטרוליטיים. לאחר אחסון או שימוש ממושכים, האלקטרוליט עלול להתייבש וערך הקיבול עלול להיסחף, ולהשפיע על הביצועים הכוללים של המעגל. ככלל, חיי המדף של לוחות הרכבה נעים בין שנתיים ל-10 שנים, תלוי באיכות ובסוג הרכיבים האלקטרוניים שנבחרו, כמו גם בתדירות ותנאי הפעולה של המעגל.
מאפיינים של לוחות מעגלים בתחומי יישום שונים
בתחום האלקטרוניקה הצרכנית, לוחות מעגלים עשויים לעתים קרובות מחומרים רגילים ותהליכי טיפול פני השטח בשל החתירה שלהם לקל משקל ולעלות נמוכה. יתרה מכך, המוצרים מתעדכנים במהירות, וחיי המדף שלהם מוגדרים בדרך כלל ל-2-5 שנים כדי לעמוד בדרישות האמינות של המוצר במהלך מחזור השימוש הרגיל שלו. לוחות מעגלים בתחום הבקרה התעשייתית דורשים אמינות גבוהה בשל פעולתם היציבה לטווח ארוך- בסביבות מורכבות וקשות. הם עשויים לעתים קרובות מחומרים- באיכות גבוהה ועוברים טיפול קפדני של שלוש הוכחות (עמיד למים, עמיד בפני אבק ואנטי קורוזיה), עם חיי מדף של עד 5-10 שנים או אפילו יותר. בתחום האלקטרוניקה לרכב, לוחות מעגלים מתוכננים ומיוצרים על פי תקנים מחמירים לבטיחות ועמידות, תוך התחשבות באופי הייחודי של סביבת הרכב (רעידות, טמפרטורות גבוהות ונמוכות, הפרעות אלקטרומגנטיות ועוד). חיי המדף שלהם הם בדרך כלל 5-8 שנים, ולאורך כל מחזור החיים של הרכב, ביצועי המעגל צריכים להיות יציבים כדי להבטיח בטיחות נסיעה ותפעול תקין של הרכב.