Přehled deformace desek plošných spojů: od materiálu k výrobnímu procesu

Na SMT montážní lince může deformovaná deska plošných spojů procházet transportními kolejnicemi, ale v budoucnu by mohla způsobit problémy, jako je praskání pájených spojů, poškození čipu namáháním a dokonce i úplné selhání systému. Deformace, k níž dochází v milimetrovém měřítku, představuje potenciální riziko pro výtěžnost a spolehlivost při montáži elektroniky s vysokou hustotou.

I. Podstata deformace: Mikroskopický „stresový konflikt“

Deformace desek plošných spojů (PCBA) není jen „nerovnost“, jejím hlavním problémem je neschopnost uvolnit vnitřní napětí, které vzniká během tepelného procesu v důsledku nesouladných koeficientů tepelné roztažnosti mezi různými materiály, jako je substrát desky plošných spojů, měděné vrstvy, součástky a pájka. Tento konflikt napětí přetrvává v celém výrobním procesu.

II. Pět základních příčin: Odkud se deformace bere?

1. „Přirozené vady“ v materiálech a designu desek plošných spojů

● Asymetrie jádra desky: Asymetrie v počtu vrstev prepregu a tloušťce měděné fólie na vícevrstvých deskách, podobně jako nerovnoměrné rozložení materiálu v „sendviči“, nevyhnutelně vede k nerovnováze vnitřního napětí po vytvrzení.

● Velké měděné povrchy a síťový návrh: Významný rozdíl v tepelném smrštění mezi plnými měděnými povrchy v napájecích/zemních vrstvách a oblastmi pouze s průběhy je hlavní příčinou lokálního deformování. Nepoužití síťovité měděné vrstvy pro velkoplošné odlitky mědi je častou konstrukční chybou.

● Hodnota Tg materiálu: Materiály s nízkou Tg (jako je běžný FR-4) se při pájení reflow při maximálních teplotách dostávají do vysoce elastického stavu, což je činí náchylnějšími k nevratné deformaci v důsledku gravitace a napětí.

2. „Aditivní efekt“ z rozvržení komponent a nevyváženosti hmotnosti

● Koncentrace těžkých součástek na jedné straně: Koncentrace velkých BGA, chladičů, induktorů a konektorů na jedné straně desky plošných spojů vede k významné deformaci v důsledku jejich vlastní hmotnosti a tepelného namáhání při vysokých teplotách. 

● Asymetrické uspořádání: Nadměrné rozdíly v hmotnosti a objemu součástek na obou stranách desky zhoršují nerovnováhu tepelného namáhání. 

3. „Tepelný šok“ během procesů SMT

●  Nesprávný profil pájení reflow: Příliš rychlé rychlosti ohřevu/ochlazování vedou k nadměrným teplotním rozdílům podél tloušťky desky plošných spojů, což generuje obrovské okamžité tepelné namáhání.

●  Lokalizované přehřátí během vlnového pájení: Během selektivního pájení nebo vlnového pájení může překážka v přípravku způsobit nerovnoměrné zahřátí horního a spodního povrchu desky plošných spojů, což má za následek klenuté deformace.

4. „Chronická eroze“ z prostředí a stresu

●  Absorpce vlhkosti a deformace: Desky plošných spojů (zejména ty s vysoce savými substráty) se při skladování ve vlhkém prostředí roztahují v důsledku absorpce vlhkosti. Během pájení reflow vede rychlé odpařování vlhkosti k efektu „popcorn“ a deformaci.

●  Zbytkové mechanické napětí: Mechanické napětí nahromaděné během demontáže a montáže, pokud není zcela uvolněno, se hromadí a projevuje během tepelného procesu.

III. Metody zlepšování

1. Optimalizace návrhu: Nařizovat symetrické vrstvení desek plošných spojů, používat mřížkový vzor pro velké měděné plochy a začlenit vyvažovací měděné bloky do návrhu panelu.

2. Výběr materiálu: Pro vysoce spolehlivé elektronické výrobky použijte substráty se středním až vysokým Tg, materiály s nízkým CTE (jako je modifikovaná epoxidová pryskyřice, polyimid) nebo „sendvičovou“ strukturu pro stabilizaci základní desky.

3. Řízení tepelného procesu: Optimalizace profilů pájení reflow pomocí jemné křivky ohřevu-udržování-reflow pro minimalizaci rozdílů povrchových teplot na desce plošných spojů.

4. Monitorování postupu: Zavést automatické měření deformace na klíčových pracovních stanicích (například po pájení přetavením) a poskytovat tak zpětnou vazbu v reálném čase pro statistické řízení procesu.

5. Prostředí a stres: Přísně kontrolujte skladovací vlhkost desek plošných spojů a polotovarů a před povrchovou montáží (SMT) proveďte standardní vypalování materiálů absorbujících vlhkost.

6. Analýza poruch a analýza v uzavřené smyčce: Provádějte simulaci napětí, termomechanické simulace a analýzu průřezu na deskách plošných spojů s nadměrným deformováním, abyste přesně určili příčinu a neustále zlepšovali proces.

IV. Měřicí standardy a kritéria přijetí 

Průmysl desek plošných spojů se obecně řídí normami IPC-A-610 a J-STD-003:

1. Pro osazování desek plošných spojů se součástkami montovanými zespodu, jako jsou BGA: Maximální přípustná deformace je obvykle 0,75 % (tj. pro délku desky 300 mm je maximální výška prohnutí 2,25 mm).

2. Zařízení bez spodních svorek: Maximální povolené deformace lze snížit na 1,0 %–1,5 %.

3. Načasování měření: Měření musí být provedeno při pokojové teplotě po tepelném zpracování a před kritickou montáží.

Závěr: 

Deformace desek plošných spojů (PCBA) je výsledkem několika faktorů. Aby se zabránilo deformaci, je nutný přístup zaměřený na produkt: Konstruktéři, výrobci desek plošných spojů, inženýři SMT a dodavatelé materiálů musí přísně kontrolovat své procesy. Od rozvržení desek plošných spojů v procesu návrhu až po řízení nárůstu teploty v reflow peci je zapotřebí systematické pochopení a přesná kontrola, aby bylo zajištěno, že desce plošných spojů budou schopny podporovat spolehlivé elektronické výrobky.

Společnost Benlida vyrábí desky plošných spojů (PCB) již 14 let. Vlastníme profesionální vybavení a techniky pro provádění přesných měření deformace, což pomáhá inženýrům pochopit a analyzovat základní fyzikální mechanismy a zlepšit procesy. Máme zkušený inženýrský tým a laboratorní vybavení:

1. Přesné 3D měření deformace: Pomocí vysoce přesného laserového skeneru a interferometru bílého světla vygenerujte 3D mapu deformačních oblaků celého povrchu desky plošných spojů.

2. Analýza materiálů a struktury: analýza Tg a CTE substrátu pomocí TMA a DSC. SEM/analýza řezu pro pozorování laminované struktury, výplně pryskyřicí a původu trhlin.

3. Simulace a ověření tepelného namáhání: Termomechanická simulace metodou konečných prvků se provádí na základě naměřených dat za účelem predikce rizika deformace a optimalizace procesních parametrů.

4. Komplexní analýza poruch: Pro poruchy způsobené deformací, jako jsou přerušené obvody, studené pájené spoje a praskání třísek, je poskytována kompletní analytická zpráva od příznaků až po hlavní příčinu.

Pokud má vaše deska plošných spojů problémy s deformací a chcete systematicky zlepšit kvalitu svých desek plošných spojů a desek plošných spojů (PCBA), můžete kontaktovat společnost Benlida!