Обзор проблемы деформации печатных плат: от материала до производственного процесса.

На линии поверхностного монтажа деформированная печатная плата может пройти через транспортировочные направляющие, но в будущем это может привести к проблемам, таким как растрескивание паяных соединений, повреждение кристалла под воздействием напряжения и даже полный отказ системы. Деформация, происходящая в масштабе миллиметров, представляет потенциальный риск для выхода годной продукции и надежности при сборке электронных компонентов высокой плотности.

I. Суть деформации: микроскопический «конфликт напряжений»

Деформация печатной платы — это не просто «неровность», её основная проблема заключается в неспособности снять внутренние напряжения, возникающие в процессе термической обработки из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения различных материалов, таких как подложка печатной платы, медные слои, компоненты и припой. Этот конфликт напряжений сохраняется на протяжении всего производственного процесса.

II. Пять основных причин: откуда берется деформация?

1. «Естественные дефекты» в материалах и конструкции печатных плат.

● Асимметрия, обусловленная сердцевиной платы: Асимметрия в количестве слоев препрега и толщине медной фольги на многослойных платах, подобно неравномерному распределению материала в «сэндвиче», неизбежно приводит к дисбалансу внутренних напряжений после отверждения.

● Большие медные поверхности и сетчатая конструкция: Значительная разница в термической усадке между сплошными медными поверхностями в силовом/заземляющем слоях и областями только с дорожками является основной причиной локальной деформации. Неиспользование сетчатого медного слоя для заливки меди на больших площадях — распространенная ошибка проектирования.

● Значение Tg материала: Материалы с низкой температурой стеклования (например, обычный FR-4) переходят в высокоэластичное состояние при пайке оплавлением при пиковых температурах, что делает их более восприимчивыми к необратимой деформации под воздействием силы тяжести и напряжений.

2. «Аддитивный эффект» от расположения компонентов и дисбаланса веса.

● Концентрация тяжелых компонентов на одной стороне: размещение крупных BGA-компонентов, радиаторов, индукторов и разъемов на одной стороне печатной платы приводит к значительной деформации из-за их собственного веса и термического напряжения при высоких температурах. 

● Асимметричная упаковка: чрезмерные различия в массе и объеме компонентов с обеих сторон платы усугубляют дисбаланс тепловых нагрузок. 

3. «Термический шок» во время процессов поверхностного монтажа.

●  Неправильный профиль пайки оплавлением: чрезмерно высокие скорости нагрева/охлаждения приводят к значительным перепадам температур по толщине печатной платы, вызывая огромные мгновенные термические напряжения.

●  Локальный перегрев при волновой пайке: Во время селективной или волновой пайки препятствие в виде зажимного приспособления может вызвать неравномерный нагрев верхней и нижней поверхностей печатной платы, что приводит к дугообразному искривлению.

4. «Хроническая эрозия», вызванная воздействием окружающей среды и стрессом.

●  Влагопоглощение и деформация: печатные платы (особенно те, которые используют сильно впитывающие подложки) расширяются из-за поглощения влаги при хранении во влажной среде. Во время пайки оплавлением быстрое испарение влаги приводит к эффекту «попкорна» и деформации.

●  Остаточные механические напряжения: Механические напряжения, накапливающиеся в процессе демонтажа и сборки панелей, если они не будут полностью сняты, будут накапливаться и проявляться в процессе термической обработки.

III. Методы улучшения

1. Оптимизация конструкции: Обязательное использование симметричной многослойной компоновки печатной платы, применение сетчатой ​​схемы для больших медных участков и включение балансирующих медных блоков в конструкцию панели.

2. Выбор материалов: Для высоконадежных электронных изделий используйте подложки со средней или высокой температурой стеклования (Tg), материалы с низким коэффициентом теплового расширения (например, модифицированную эпоксидную смолу, полиимид) или «сэндвич-структуру» для стабилизации основной платы.

3. Терморегулирование процесса: Оптимизация профилей пайки оплавлением с использованием плавной кривой нагрева-выдержки-оплавления для минимизации разницы температур поверхности печатной платы.

4. Мониторинг хода работ: Внедрить автоматическое измерение деформации на ключевых рабочих станциях (например, после пайки оплавлением), обеспечивающее обратную связь в режиме реального времени для статистического контроля процесса.

5. Условия окружающей среды и нагрузки: Строго контролируйте влажность хранения печатных плат и полуфабрикатов, а также проводите стандартную термообработку влагопоглощающих материалов перед поверхностным монтажом.

6. Анализ отказов и анализ замкнутого контура: Проведение анализа напряжений, термомеханического моделирования и анализа поперечного сечения печатных плат с чрезмерной деформацией для выявления первопричины и непрерывного совершенствования процесса.

IV. Стандарты измерений и критерии приемлемости 

В индустрии печатных плат, как правило, соблюдаются стандарты IPC-A-610 и J-STD-003:

1. При сборке печатных плат с устройствами, установленными снизу, такими как BGA: максимально допустимая деформация обычно составляет 0,75% (т.е. для длины платы 300 мм максимальная высота изгиба составляет 2,25 мм).

2. Устройства без нижних клемм: максимально допустимая деформация может быть смягчена до 1,0%-1,5%.

3. Время проведения измерений: Измерения необходимо проводить при комнатной температуре после термической обработки и перед ответственной сборкой.

Заключение: 

Деформация печатных плат является результатом множества факторов. Для предотвращения деформации необходим продуктоцентричный подход: инженеры-конструкторы, производители печатных плат, инженеры по процессам поверхностного монтажа и поставщики материалов должны строго контролировать свои процессы. От компоновки печатной платы на этапе проектирования до контроля повышения температуры в печи оплавления — требуется систематическое понимание и точный контроль, чтобы гарантировать, что печатная плата способна обеспечить надежную работу электронных изделий.

Компания Benlida занимается производством печатных плат уже 14 лет. Мы располагаем профессиональным оборудованием и специалистами для проведения точных измерений деформации, помогая инженерам понимать и анализировать лежащие в основе физические механизмы и совершенствовать процессы. У нас есть опытная команда инженеров и лабораторное оборудование.

1. Точное 3D-измерение деформаций: с помощью высокоточного лазерного сканера и интерферометра белого света создается 3D-карта деформаций всей поверхности печатной платы.

2. Анализ материалов и структуры: анализ температуры стеклования (Tg) и коэффициента теплового расширения (CTE) подложки с помощью термомеханического анализа (TMA) и дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM)/анализ среза для наблюдения за структурой ламинирования, заполнением смолой и происхождением трещин.

3. Моделирование и проверка термических напряжений: На основе измеренных данных выполняется термомеханическое моделирование методом конечных элементов для прогнозирования риска деформации и оптимизации параметров процесса.

4. Комплексный анализ отказов: Для отказов, вызванных деформацией, таких как обрывы цепей, холодные паяные соединения и растрескивание микросхем, предоставляется полный отчет об анализе, от симптомов до первопричины.

Если у вашей печатной платы есть проблемы с деформацией, и вы хотите систематически улучшать качество ваших печатных плат и сборок, обращайтесь в компанию Benlida!