Przegląd deformacji PCBA: od materiału do procesu produkcyjnego

Na linii montażowej SMT , odkształcona płytka PCBA może przejść przez szyny transportowe, ale w przyszłości może to prowadzić do problemów, takich jak pękanie lutów, uszkodzenia chipów pod wpływem naprężeń, a nawet całkowita awaria systemu. Odkształcenie, czyli deformacja występująca w skali milimetrowej, stanowi potencjalne zagrożenie dla płynięcia i niezawodności w montażu elektronicznym o dużej gęstości.

I. Istota wypaczenia: mikroskopijny „konflikt stresu”

Odkształcenie PCBA to nie tylko „nierówności”. Jego głównym problemem jest brak możliwości uwolnienia naprężeń wewnętrznych, które powstają podczas procesu termicznego z powodu niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej różnych materiałów, takich jak podłoże PCB, warstwy miedzi, komponenty i lutowie. Ten konflikt naprężeń utrzymuje się przez cały proces produkcyjny.

II. Pięć głównych przyczyn: Skąd bierze się deformacja?

1. „Naturalne wady” w materiałach i projektowaniu PCB

● Asymetria względem rdzenia płyty: Asymetria w liczbie warstw prepregu i grubości folii miedzianej na płytach wielowarstwowych, podobnie jak nierównomierne rozłożenie materiału w „kanapce”, nieuchronnie prowadzi do braku równowagi naprężeń wewnętrznych po utwardzeniu.

● Duże powierzchnie miedziane i konstrukcja siatki: Znaczna różnica w skurczu termicznym między litymi powierzchniami miedzianymi w warstwach zasilania/uziemienia a obszarami ze śladami jest główną przyczyną lokalnych odkształceń. Brak zastosowania warstwy miedzianej o strukturze siatki w przypadku dużych powierzchni wylewek miedzianych jest częstym błędem projektowym.

● Wartość Tg materiału: Materiały o niskiej temperaturze zeszklenia (takie jak zwykły FR-4) podczas lutowania rozpływowego w szczytowych temperaturach przechodzą w stan wysokiej sprężystości, przez co stają się bardziej podatne na nieodwracalne odkształcenia spowodowane grawitacją i naprężeniami.

2. „Efekt addytywny” wynikający z rozmieszczenia komponentów i nierównowagi wagowej

● Koncentracja ciężkich komponentów po jednej stronie: Koncentracja dużych układów BGA, radiatorów, cewek indukcyjnych i złączy po jednej stronie płytki PCB prowadzi do znacznych odkształceń ze względu na ich własny ciężar i naprężenia cieplne w wysokich temperaturach. 

● Asymetryczne opakowanie: Nadmierne różnice masy i objętości komponentów po obu stronach płytki pogłębiają nierównowagę naprężeń termicznych. 

3. „Szok termiczny” podczas procesów SMT

●  Nieprawidłowy profil lutowania rozpływowego: Zbyt szybkie tempo nagrzewania/chłodzenia skutkuje dużymi różnicami temperatur na całej grubości płytki PCB, generując ogromne, chwilowe naprężenie cieplne.

●  Lokalne przegrzanie podczas lutowania falowego: Podczas lutowania selektywnego lub lutowania falowego, przeszkoda w uchwycie może spowodować nierównomierne nagrzewanie górnej i dolnej powierzchni płytki PCB, co skutkuje powstaniem łukowatych odkształceń.

4. „Przewlekła erozja” spowodowana środowiskiem i stresem

●  Absorpcja wilgoci i odkształcenie: PCB (zwłaszcza te wykorzystujące podłoża o wysokiej chłonności) rozszerzają się pod wpływem wilgoci, jeśli są przechowywane w wilgotnym środowisku. Podczas lutowania rozpływowego szybkie parowanie wilgoci prowadzi do efektu „popcornu” i odkształcenia.

●  Resztkowe naprężenia mechaniczne: Naprężenia mechaniczne nagromadzone podczas demontażu i montażu, jeśli nie zostaną całkowicie uwolnione, będą się kumulować i ujawniać podczas procesu termicznego.

III. Metody doskonalenia

1. Optymalizacja projektu: należy zastosować symetryczne warstwowanie PCB, zastosować siatkę w przypadku dużych obszarów miedzianych i uwzględnić równoważące bloki miedziane w projekcie panelu.

2. Wybór materiałów: W przypadku produktów elektronicznych o wysokiej niezawodności należy stosować podłoża o średniej lub wysokiej temperaturze zeszklenia (Tg), materiały o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (takie jak modyfikowana żywica epoksydowa, poliimid) lub strukturę „kanapkową” w celu stabilizacji płyty rdzenia.

3. Kontrola procesu termicznego: optymalizacja profili lutowania rozpływowego poprzez zastosowanie łagodnej krzywej nagrzewania-podtrzymywania-lutowania rozpływowego w celu zminimalizowania różnic temperatur powierzchni na płytce PCB.

4. Monitorowanie postępu: Wprowadzenie automatycznego pomiaru odkształceń na kluczowych stanowiskach roboczych (np. po lutowaniu rozpływowym), zapewniającego informacje zwrotne w czasie rzeczywistym na potrzeby statystycznej kontroli procesu.

5. Środowisko i naprężenia: Należy ściśle kontrolować wilgotność przechowywania płytek PCB i półproduktów oraz przeprowadzać standardowe wypalanie materiałów absorbujących wilgoć przed montażem powierzchniowym (SMT).

6. Analiza awarii i analiza pętli zamkniętej: przeprowadzanie symulacji naprężeń, symulacji termomechanicznych i analizy przekrojów płytek PCB z nadmiernymi odkształceniami w celu ustalenia przyczyny problemu i ciągłego udoskonalania procesu.

IV. Standardy pomiarowe i kryteria akceptacji 

W branży PCB obowiązują na ogół normy IPC-A-610 i J-STD-003:

1. W przypadku montażu płytek PCB z elementami montowanymi od spodu, takimi jak BGA: maksymalne dopuszczalne odkształcenie wynosi zazwyczaj 0,75% (tj. w przypadku płytki o długości 300 mm maksymalna wysokość wygięcia wynosi 2,25 mm).

2. Urządzenia bez zacisków dolnych: Maksymalne dopuszczalne odkształcenie można zmniejszyć do 1,0%-1,5%.

3. Czas pomiaru: Pomiar musi zostać wykonany w temperaturze pokojowej po procesie termicznym i przed krytycznym montażem.

Wniosek: 

Odkształcenia płytek PCB są wynikiem wielu czynników. Aby ich uniknąć, konieczne jest podejście skoncentrowane na produkcie: inżynierowie projektanci, producenci płytek PCB, inżynierowie procesowi SMT i dostawcy materiałów muszą ściśle kontrolować swoje procesy. Od układu płytek PCB w procesie projektowania, po kontrolę wzrostu temperatury w piecu rozpływowym, wymagana jest systematyczna wiedza i precyzyjna kontrola, aby zapewnić, że płytka PCB będzie w stanie obsługiwać niezawodne produkty elektroniczne.

Benlida produkuje płytki PCB od 14 lat. Posiadamy profesjonalny sprzęt i techników, którzy wykonują precyzyjne pomiary wypaczeń, wspierając inżynierów w zrozumieniu i analizie podstawowych mechanizmów fizycznych oraz ulepszaniu procesów. Dysponujemy doświadczonym zespołem inżynierów i sprzętem laboratoryjnym:

1. Precyzyjny pomiar odkształceń 3D: Używając precyzyjnego skanera laserowego i interferometru światła białego, wygeneruj mapę chmury odkształceń 3D całej powierzchni PCBA.

2. Analiza materiałów i struktury: analiza Tg i CTE podłoża przy użyciu TMA i DSC. Analiza SEM/przekrojów w celu obserwacji struktury laminacji, wypełnienia żywicą i pochodzenia pęknięć.

3. Symulacja i weryfikacja naprężeń cieplnych: Symulacja elementów skończonych termomechanicznych jest przeprowadzana na podstawie danych pomiarowych w celu przewidywania ryzyka odkształceń i optymalizacji parametrów procesu.

4. Kompleksowa analiza awarii: W przypadku awarii spowodowanych odkształceniami, takimi jak przerwy w obwodach, zimne luty i pękanie układów scalonych, sporządzany jest kompleksowy raport z analizy – od objawów do pierwotnej przyczyny.

Jeśli Twoja płytka PCB ma problemy z odkształceniami i chcesz systematycznie poprawiać jakość swoich płytek PCB i PCBA, zapraszamy do kontaktu z firmą Benlida!