¿Puedes reparar una PCB deformada?

Antes de adentrarnos demasiado en este artículo, te daré la respuesta simple. Probablemente no puedas arreglar la deformación en tu PCB después de que ya haya sido fabricada. Puedes prevenir que una placa sin deformar se deforme durante el ensamblaje, pero solo mientras los materiales hayan sido seleccionados adecuadamente y la placa se coloque en el reflujo correctamente.

Repasaremos algunos de estos puntos en este artículo, y examinaré algunos puntos que podrían ayudarte a recuperar una placa deformada. Nota que arreglar la deformación en una placa de circuito no ensamblada es una tarea avanzada, y requiere calentar y presionar la placa por encima de su temperatura de transición vítrea. Si eres un diseñador individual, y recibiste un lote de placas de circuito desnudas o ensambladas de un fabricante, no hay forma de arreglarlas. Es mejor desecharlas. Explicaré por qué más adelante en este artículo.

Cómo Prevenir la Deformación en una PCB

Antes de mirar la prevención de la deformación en una PCB, veamos algunas de las causas de la deformación:

• Orientación mixta en un panel: Es tentador orientar las placas de manera que la orientación en un panel sea mixta para que el conteo de placas por panel sea maximizado.
• Incompatibilidades de CTE y Tg entre capas: Cuando estos valores no coinciden, se acumula estrés en ciertas capas, causando que se deformen y creando deformaciones.
• Apilamiento asimétrico: Si hay una gran asimetría en el apilado de capas además de las incompatibilidades de CTE/Tg, la asimetría colocará estrés planar en algunas capas, llevando a deformaciones.
• Reflujo/ola: El ciclado repetido con excesivo reflujo, ola y ciclos de retrabajo puede causar la acumulación de deformaciones. Además, sujetar las placas puede causar deformaciones durante la soldadura.

Estas son algunas de las principales causas de deformación en una placa que deben ser abordadas por el diseñador y el fabricante.

Diseño para el Tamaño del Panel

A veces, no siempre se tiene el lujo de hacer esto, pero es importante considerarlo para fines de rendimiento y producción. Si puedes diseñar tus placas de tal manera que no requieran una orientación mixta, entonces no te pondrás en riesgo de deformación. Una orientación mixta de las placas en un panel causará que algunas de las placas no estén orientadas a lo largo del eje largo de la hebra de fibra de vidrio y el borde largo del panel.

La mayoría de las veces esto no es un problema. Sin embargo, si no se sigue alguna de las pautas a continuación, la orientación mixta podría hacer que algunas de las placas sean más susceptibles a deformarse. El resultado es que algunas de las placas podrían deformarse, mientras que otras placas en el mismo panel no lo harán. Si debe diseñar una placa ignorando algunas de las pautas a continuación, debería intentar orientar esas placas susceptibles a deformarse de modo que todas puedan situarse en la misma orientación en el panel si es posible, es decir, con el borde largo de la placa a lo largo del borde largo del panel.

Emparejar los Materiales en el Apilado

Este es el punto donde el diseñador tendrá que trabajar con el fabricante para asegurar que la placa pueda ser fabricada según las especificaciones y para asegurar que la placa no se deforme durante la producción. Si estás diseñando tu propio apilado de PCB y estás mezclando diferentes materiales, asegúrate de que los valores de Tg y los valores de CTE sean compatibles entre sí. En otras palabras, los valores de Tg y los valores de CTE cuando la temperatura excede el Tg deberían ser todos similares.

La razón de esto es prevenir un desajuste general en los valores de CTE para todos los materiales en el apilado de la PCB. En general, los desajustes de CTE conducen a una expansión desigual a través del apilado que ya se sabe que crea problemas de fiabilidad durante la operación, particularmente fracturas en vías de alto ratio de aspecto. Los mismos tipos de desajustes de CTE deberían evitarse también en el diseño del apilado.

Usar el Vertido de Cobre de Manera Simétrica

Esta es una de esas instancias donde he visto a diseñadores más experimentados tratar de contradecir a los fabricantes con los que trabajo. A menudo se cita el vertido de cobre como la única manera de asegurar que la placa será fabricada sin ninguna deformación. Aunque nunca se puede llegar a cero deformación, se puede reducir lo suficiente para que la deformación de la placa no cree defectos de ensamblaje. El vertido de cobre es una de las herramientas que un diseñador puede usar para equilibrar el cobre en capas opuestas.

La realidad es que el vertido de cobre podría ser necesario solo en capas opuestas en el apilado. Solo como un ejemplo, considera un apilado de 6 capas. La imagen a continuación muestra una disposición simple SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR.

Si se utiliza cobre en la Capa 6, por ejemplo, entonces también se debe usar en la Capa 1. Si el cobre no está presente en la Capa 3, entonces tampoco se debe usar en la Capa 4. Esto hace que el apilado sea simétrico en términos de materiales de capa y en términos de distribución de cobre. El punto importante aquí es que el cobre no es necesario para asegurar un calentamiento uniforme a través del apilado o para prevenir la deformación, pero si usas cobre, entonces deberías intentar hacerlo simétrico.

Este apilado es una extensión de un apilado alternativo de 4 capas pero con dos capas de señal adicionales. Las mismas reglas de diseño en la versión de 4 capas también se aplican a esta versión de 6 capas. Una buena estrategia aquí es simplemente usar el cobre en las capas superior/inferior como alimentación y/o tierra según sea necesario.

Limitar el Número de Ciclos de Onda/Reflujo

Idealmente, la placa solo debería pasar por dos ciclos de reflujo (asumiendo una placa de doble cara) y posiblemente un ciclo de onda. Algunas industrias especificarán un límite en el número de ciclos de reflujo, onda y retrabajo permitidos para un PCB para asegurar la máxima fiabilidad de la máscara de soldadura y para prevenir el exceso de acumulación de estrés entre capas que puede llevar a la deformación. Los ensambladores ya tienen procedimientos que utilizan para limitar el ciclado de reflujo, así que mientras la placa esté construida y ensamblada correctamente, esto puede ser un no problema.

No Repares la Placa Durante la Soldadura

Cuando una placa está siendo ensamblada, primero se colocan los componentes y luego la placa se envía a un horno de reflujo (para SMT). A medida que la placa entra en el horno, se calienta hasta una temperatura que generalmente está por encima del valor Tg para la mayoría de los materiales (particularmente FR4). Esto hace que los materiales en el apilado del PCB comiencen a expandirse, y comienzan a estresarse mutuamente. La placa se expandirá a diferentes tasas en el plano XY y a lo largo del eje z.

El problema puede surgir de la expansión en el plano XY de la placa. Si la placa está sujeta en un dispositivo durante el soldado y se le impide expandirse, ese estrés se transmite a lo largo de la dirección del eje z debido a la deformación. Esto creará más estrés en la dirección del eje z que puede deformar permanentemente el PCB. La deformación será peor cuando haya una mayor discrepancia de Tg y CTE entre los materiales del apilado. Por lo tanto, no sujetes la placa para tratar de restringir la expansión, simplemente permite que la placa se expanda y contraiga naturalmente durante el soldado.

¿Se Puede Reprensar una Placa Deformada?

Si eres un diseñador individual, probablemente no tengas acceso a una prensa para arreglar una placa deformada. Las casas de fabricación son otro asunto, y podrían concebiblemente des-deformar un PCB deformado calentándolo y presionándolo una vez terminado.

Aquí, la supuesta solución es calentar la placa por encima del valor de Tg para que la resina en los materiales del apilado del PCB pueda fluir. Una vez que se alcanza esta temperatura y la placa se mantiene bajo presión durante un período de tiempo. Esto requiere una prensa metálica grande y plana que pueda proporcionar un calentamiento uniforme a todo el PCB. Después de mantener bajo presión, el dispositivo y la placa deben dejarse enfriar naturalmente.

El problema con esto es que esencialmente envejece la máscara de soldadura de la misma manera que el reflujado de la placa. La máscara de soldadura es un polímero y puede envejecer como cualquier otro polímero, volviéndose eventualmente dura y frágil. Si se va a implementar esta solución, probablemente sea mejor hacerlo antes de aplicar la máscara de soldadura, o la temperatura y el tiempo de mantenimiento deberían ser limitados.

Si No Tienes el Equipo, No Intentes Arreglarlo

Aunque he descrito algunas maneras en que se puede prevenir y posiblemente arreglar la deformación, no deberías intentar arreglar la deformación si no cuentas con el equipo necesario. Este es un buen mantra para el diseñador individual que está a merced de su fabricante.

Si recibes un lote de placas de circuito impreso desnudas de un fabricante, y todas las placas están deformadas, deberías llamar al fabricante y exigir un reembolso en lugar de intentar arreglar la deformación tú mismo. Como mencioné anteriormente, arreglar una PCB deformada requiere una prensa con calentamiento uniforme, recreando esencialmente el proceso de laminación utilizado para construir el apilado.

Si recibiste una placa ensamblada y la deformación es severa, entonces deberías desechar el ensamblaje. Es lamentable, pero lo más probable es que no haya forma de salvar esas placas presionándolas, sujetándolas con abrazaderas o doblando. Si intentas sujetar o doblar las placas ensambladas hasta que estén planas, ejercerás mucho estrés en las uniones de soldadura del ensamblaje. Esto puede causar que las uniones de soldadura se fracturen, y la placa ahora tendrá un montón de conexiones abiertas que impiden su correcto funcionamiento.

Si quieres asegurarte de que tu proveedor de fabricación o ensamblaje haga el trabajo correctamente, asegúrate de proporcionar criterios de calificación. Esto se puede hacer en tus notas de fabricación. Echa un vistazo a este artículo para obtener orientación. También puedes descargar mis notas de fabricación de muestra desde este enlace.

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