Können Sie eine verzogene Leiterplatte reparieren?

Bevor wir uns zu tief in diesen Artikel vertiefen, gebe ich Ihnen eine einfache Antwort. Wahrscheinlich können Sie ein Verziehen Ihrer Leiterplatte nach der Fertigung nicht beheben. Sie können verhindern, dass eine nicht verzogene Platine während der Montage verzogen wird, aber nur, solange die Materialien richtig ausgewählt wurden und die Platine korrekt in den Reflow-Prozess eingebracht wird.

In diesem Artikel werden wir einige dieser Punkte durchgehen, und ich werde einige Punkte untersuchen, die Ihnen helfen könnten, eine verzogene Platine zu retten. Beachten Sie, dass die Behebung von Verwerfungen bei einer nicht montierten Leiterplatte ein fortgeschrittenes Unterfangen ist und das Erhitzen und Pressen der Platine über ihre Glasübergangstemperatur erfordert. Wenn Sie ein einzelner Designer sind und Sie eine Charge von nackten Leiterplatten oder montierten Platinen von einem Hersteller erhalten haben, gibt es keine Möglichkeit, diese zu reparieren. Es ist besser, diese zu verschrotten. Ich werde später in diesem Artikel erklären, warum.

Wie man Verwerfungen in einer PCB verhindert

Bevor wir uns die Verhinderung von Verwerfungen in einer PCB ansehen, betrachten wir einige der Ursachen für Verwerfungen:

• Mischung der Orientierung in einem Panel: Es ist verlockend, Platinen so zu orientieren, dass die Orientierung in einem Panel gemischt ist, damit die Platinenanzahl pro Panel maximiert wird.
• CTE- und Tg-Unstimmigkeiten zwischen den Schichten: Wenn diese Werte nicht übereinstimmen, entsteht Spannung auf bestimmten Schichten, was dazu führt, dass sie sich verformen und Verwerfungen entstehen.
• Asymmetrischer Stackup: Wenn es eine große Asymmetrie im Schichtenaufbau gibt, zusätzlich zu CTE/Tg-Unstimmigkeiten, wird die Asymmetrie planaren Stress auf einigen Schichten verursachen, was zu Verwerfungen führt.
• Reflow/Welle: Wiederholtes Zyklen mit übermäßigem Reflow, Welle und Nacharbeitungszyklen kann dazu führen, dass sich Verwerfungen aufbauen. Auch das Klemmen von Platinen kann während des Lötens Verwerfungen verursachen.

Dies sind einige der Hauptursachen für Verwerfungen auf einer Platine, die vom Designer und Hersteller angegangen werden müssen.

Design für die Panelgröße

Manchmal hat man nicht immer den Luxus, dies zu tun, aber es ist wichtig, dies im Hinblick auf Durchsatz und Ausbeute zu berücksichtigen. Wenn Sie Ihre Platinen so entwerfen können, dass sie keine gemischte Orientierung benötigen, dann setzen Sie sich nicht dem Risiko von Verwerfungen aus. Eine gemischte Orientierung von Platinen in einem Panel wird dazu führen, dass einige der Platinen nicht entlang der Längsachse des Glasfaserstrangs und der langen Kante des Panels ausgerichtet sind.

Die meiste Zeit ist dies kein Problem. Wenn jedoch eine der folgenden Richtlinien nicht befolgt wird, könnte die gemischte Ausrichtung dazu führen, dass einige der Platinen anfälliger für Verwerfungen sind. Das Ergebnis ist, dass einige der Platinen verzogen sein könnten, während andere Platinen im gleichen Panel dies nicht sind. Wenn Sie eine Platine entwerfen müssen, während Sie einige der folgenden Richtlinien ignorieren, sollten Sie versuchen, diese verformungsanfälligen Platinen so zu orientieren, dass sie alle möglichst in der gleichen Ausrichtung im Panel sitzen können, d.h., mit der langen Kante der Platine entlang der langen Kante des Panels.

Materialien im Stackup abstimmen

Hier muss der Designer mit dem Hersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Platine nach Spezifikation gefertigt werden kann und um zu gewährleisten, dass die Platine während der Produktion nicht verzogen wird. Wenn Sie Ihren eigenen PCB-Stackup entwerfen und verschiedene Materialien mischen, stellen Sie sicher, dass die Tg-Werte und die CTE-Werte miteinander kompatibel sind. Mit anderen Worten, die Tg-Werte und die CTE-Werte, wenn die Temperatur Tg überschreitet, sollten alle ähnlich sein.

Der Grund dafür ist, eine allgemeine Unstimmigkeit in den CTE-Werten für alle Materialien im PCB-Stackup zu verhindern. Im Allgemeinen führen CTE-Unstimmigkeiten zu ungleichmäßiger Ausdehnung im gesamten Stackup, die bereits bekanntermaßen Zuverlässigkeitsprobleme während des Betriebs verursacht, insbesondere Rissbildung in Vias mit hohem Aspektverhältnis. Die gleichen Arten von CTE-Unstimmigkeiten sollten auch im Stackup-Design vermieden werden.

Kupferflächen symmetrisch verwenden

Dies ist einer dieser Fälle, in denen ich gesehen habe, dass ältere Designer versuchen, den Herstellern, mit denen ich arbeite, zu widersprechen. Kupferflächen werden oft als einziger Weg genannt, um sicherzustellen, dass die Platine ohne Verwerfung hergestellt wird. Obwohl man niemals eine Verwerfung von null erreichen kann, kann man sie niedrig genug bekommen, dass die Verwerfung der Platine keine Montagefehler verursacht. Kupferflächen sind eines der Werkzeuge, die ein Designer verwenden kann, um Kupfer auf gegenüberliegenden Schichten auszugleichen.

Die Realität ist, dass Kupferflächen möglicherweise nur auf gegenüberliegenden Schichten im Stackup erforderlich sind. Nur als Beispiel betrachten Sie einen 6-Lagen-Stackup. Das Bild unten zeigt eine einfache SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR Anordnung.

Wenn Kupferflächen auf Schicht 6 verwendet werden, sollten sie beispielsweise auch auf Schicht 1 verwendet werden. Wenn auf Schicht 3 keine Kupferflächen vorhanden sind, sollten sie auch nicht auf Schicht 4 verwendet werden. Dies macht den Stackup in Bezug auf die Schichtmaterialien und die Kupferverteilung symmetrisch. Der wichtige Punkt hier ist, dass die Kupferflächen nicht erforderlich sind, um eine gleichmäßige Erwärmung durch den Stackup zu gewährleisten oder Verwerfungen zu verhindern, aber wenn Sie Kupferflächen verwenden, sollten Sie versuchen, sie symmetrisch zu gestalten.

Dieser Stackup ist eine Erweiterung eines alternativen 4-Lagen-Stackups, jedoch mit zwei zusätzlichen Signallagen. Die gleichen Designregeln in der 4-Lagen-Version gelten auch für diese 6-Lagen-Version. Eine gute Strategie hier ist, einfach die Kupferflächen auf den oberen/unteren Schichten als Stromversorgung und/oder Masse nach Bedarf zu verwenden.

Begrenzen Sie die Anzahl der Wellen-/Reflow-Zyklen

Idealerweise sollte die Platine nur durch zwei Reflow-Zyklen gehen (unter der Annahme einer beidseitigen Platine) und möglicherweise einen Wellenlötzyklus. Einige Branchen geben eine Grenze für die Anzahl der erlaubten Reflow-, Wellen- und Nacharbeitszyklen für eine PCB an, um die maximale Zuverlässigkeit der Lötmaske zu gewährleisten und um übermäßigen Spannungsaufbau zwischen den Schichten zu verhindern, der zu Verwerfungen führen kann. Montagebetriebe haben bereits Verfahren, die sie nutzen, um die Anzahl der Reflow-Zyklen zu begrenzen, sodass, solange die Platine ordnungsgemäß gebaut und montiert wird, dies kein Problem darstellen sollte.

Reparieren Sie die Platine nicht während des Lötens

Wenn eine Platine montiert wird, werden zuerst Komponenten platziert und dann wird die Platine in einen Reflow-Ofen geschickt (für SMT). Wenn die Platine in den Ofen gelangt, heizt sie auf eine Temperatur auf, die im Allgemeinen über dem Tg-Wert für die meisten Materialien liegt (insbesondere FR4-Qualität). Dies führt dazu, dass die Materialien im PCB-Stackup zu expandieren beginnen und sie beginnen, sich gegenseitig zu belasten. Die Platine wird in der XY-Ebene und entlang der Z-Achse mit unterschiedlichen Raten expandieren.

Das Problem kann von der Ausdehnung in der XY-Ebene der Platine herrühren. Wenn die Platine während des Lötens in Vorrichtungen eingespannt und an der Ausdehnung gehindert wird, wird dieser Stress aufgrund der Verformung entlang der Z-Achsenrichtung übertragen. Dies wird mehr Stress in der Z-Achsenrichtung erzeugen, der die PCB dauerhaft verformen kann. Die Verformung wird schlimmer sein, wenn es eine größere Tg- und CTE-Unstimmigkeit zwischen den Stapelmaterialien gibt. Daher sollte die Platine nicht eingespannt werden, um eine Ausdehnung zu verhindern, sondern es sollte ihr erlaubt werden, sich während des Lötens natürlich auszudehnen und zusammenzuziehen.

Kann eine verzogene Platine neu gepresst werden?

Wenn Sie ein einzelner Designer sind, haben Sie wahrscheinlich keinen Zugang zu einer Presse, um eine verzogene Platine zu reparieren. Für Fertigungsbetriebe sieht das anders aus, und sie könnten theoretisch eine verzogene PCB durch Erhitzen und Pressen des fertigen Boards entzerren.

Hier besteht die vermeintliche Lösung darin, das Board über den Tg-Wert zu erhitzen, sodass das Harz in den PCB-Stapelmaterialien fließen kann. Sobald diese Temperatur erreicht ist und das Board für eine gewisse Zeit unter Druck gehalten wird. Dies erfordert eine große, flache Metallpresse, die eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten PCB bieten kann. Nach dem Halten unter Druck sollten die Vorrichtung und das Board natürlich abkühlen dürfen.

Das Problem dabei ist, dass es die Lötstopplackierung auf die gleiche Weise altert wie das erneute Durchlaufen des Reflow-Prozesses auf der Platine. Der Lötstopplack ist ein Polymer und kann wie jedes andere Polymer altern, was letztendlich dazu führt, dass es hart und brüchig wird. Wenn diese Lösung implementiert werden soll, ist es wahrscheinlich am besten, dies vor dem Auftragen des Lötstopplacks zu tun, oder die Temperatur und die Haltezeit sollten begrenzt werden.

Wenn Sie die Ausrüstung nicht haben, versuchen Sie nicht, es zu reparieren

Obwohl ich einige Möglichkeiten aufgezeigt habe, wie Verwerfungen verhindert und möglicherweise behoben werden können, sollten Sie nicht versuchen, Verwerfungen zu beheben, wenn Sie nicht über die erforderliche Ausrüstung verfügen. Dies ist ein guter Leitsatz für den einzelnen Designer, der auf die Gnade seines Herstellers angewiesen ist.

Wenn Sie eine Charge nackter Leiterplatten von einem Hersteller erhalten und die Platinen alle verzogen sind, sollten Sie den Hersteller anrufen und eine Rückerstattung verlangen, anstatt zu versuchen, die Verwerfung selbst zu beheben. Wie ich oben erwähnt habe, erfordert die Reparatur einer verzogenen Leiterplatte eine Presse mit gleichmäßiger Erwärmung, die im Wesentlichen den Laminierungsprozess nachbildet, der verwendet wird, um den Stackup zu erstellen.

Wenn Sie eine montierte Platine erhalten haben und die Verformung schwerwiegend ist, sollten Sie die Montage aussortieren. Es ist bedauerlich, aber höchstwahrscheinlich gibt es keine Möglichkeit, diese Platinen durch Pressen, Klemmen oder Biegen zu retten. Wenn Sie versuchen, die montierten Platinen so lange zu klemmen oder zu biegen, bis sie flach sind, werden Sie viel Stress auf die Lötstellen in der Montage ausüben. Dies kann dazu führen, dass die Lötstellen brechen, und die Platine wird nun eine Menge offener Verbindungen haben, die einen ordnungsgemäßen Betrieb verhindern.

Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Ihr Fertigungs- oder Montagedienstleister die Arbeit korrekt ausführt, stellen Sie sicher, dass Sie Qualifikationskriterien vorgeben. Dies kann in Ihren Fertigungsnotizen erfolgen. Schauen Sie sich diesen Artikel für Anleitungen an. Sie können auch meine Musterfertigungsnotizen von diesem Link herunterladen.

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