Déformation de composants d'un PCB : causes et prévention

Un jour, un fabricant de circuits imprimés m'a affirmé que, selon lui, nous avions un problème de déformation d'un boîtier. Avant cela, j'avais toujours pensé que c'était hautement improbable que les boîtiers de composants standards utilisés dans les PCBA puissent se déformer.

Malheureusement, la déformation des composants peut se produire à la fois au niveau du circuit imprimé et des composants. On imagine tout de suite qu'une mauvaise manipulation mécanique conduisant à une flexion peut être en cause, mais d'autres problèmes potentiels peuvent causer une déformation des composants sans impact mécanique.

Dans cet article, nous aborderons la déformation dans un PCB, plus précisément au niveau du circuit imprimé et des composants. Si la possibilité d'une déformation de la carte devrait être une évidence, étant donné la légère flexibilité des matériaux stratifiés qui la composent, le potentiel de déformation des composants n'est pas aussi flagrant.

Les étapes pouvant conduire à une déformation des composants PCB

La déformation des composants peut se produire lors de l'assemblage des circuits imprimés ou même avant l'arrivée des composants sur le site d'assemblage.

Vous recevrez parfois des composants dont le boîtier a été déformé (soit plié, soit pas parfaitement plat) lors de la fabrication ou de l'expédition. La plupart du temps, la déformation des composants et assemblages est pour la majeure partie très légère, et la présence d'une telle déformation ne causera aucun problème de fonctionnalité ou de fiabilité de l'assemblage.

Lorsque la déformation est plus grave, il peut être difficile de constater le problème avant de commencer à tester des composants ou utiliser l'appareil.

Malheureusement, une fois que les composants arrivent sur le site d'assemblage, vous n'êtes probablement pas en mesure de commencer à les tester sur un appareil ou à les inspecter pour vérifier qu'ils sont plats. À moins qu'ils ne soient très manifestement déformés, les composants seront immédiatement placés. Une fois que vous aurez intégré ces composants à votre carte, vous aurez du mal à prouver si la déformation s'est produite avant ou après le traitement et la manipulation.

En résumé, la déformation peut survenir dans les situations suivantes :

• Pendant la production des composants, lorsque les composants n'ont pas été correctement contrôlés à l'étape de production ou d'emballage
• Pendant l'assemblage du circuit imprimé, où le processus de soudure crée un défaut dans le composant
• Lorsque le PCB se déforme, ce qui peut alors entraîner la déformation de certains composants
• Pendant le transport, lorsqu'un impact ou un choc mécanique endommage la carte et/ou les composants

Les défauts d'assemblage provoquant la déformation des composants

L'impact de la déformation des composants peut être suffisamment moindre pour que vous ne le remarquiez jamais, ou provoquer des problèmes électriques latents.

Dans le pire des cas, des cycles et des déformations répétés affaiblissent suffisamment un joint de soudure pour provoquer une défaillance prématurée ou intermittente.

Parmi les facteurs qui peuvent entraîner la déformation des composants lors de l'assemblage, on compte :

• L'application de cycles thermiques
• Le décalage au niveau des CTE
• Le dégazage

Les cas les plus simples de déformation des composants sont dus aux cycles répétés. Les problèmes électriques apparaîtront notamment sur les grands processeurs dotés de boîtiers à matrice de billes, où la surface des composants susceptible d'être affectée par la déformation est plus large.

Les boîtiers sur un substrat organique peuvent également être affectés par l'application des cycles thermiques et subir des déformations, car ils peuvent présenter un décalage CTE par rapport aux stratifiés environnants.

Lorsque le décalage entre un boîtier de composants et la carte est important, la déformation s'installe et augmente la distance entre le PCB et le boîtier, avec plusieurs conséquences possibles. Dans certains cas, si une bille de soudure « sèche » et se connecte à la pastille, mais pas à la patte du composant, cela peut créer un circuit ouvert ou causer l'écoulement de la soudure, créant ainsi un pont vers d'autres connexions.

Dans d'autres, la bille de soudure s'étirera pour établir la connexion à la température appropriée. Vous verrez alors un circuit, mais la soudure au niveau du joint est fine et parfois de forme irrégulière, ce qui rend le joint moins fiable au fil du temps. Les effets néfastes de ces soudures mal effectuées empireront à mesure que le pas entre les pastilles du BGA diminue.

Si la surface se déforme, généralement à cause de l'affaissement des coins et des bords pendant la refusion, vous aurez soudainement trop de soudure sous votre composant. Bien souvent dans ces cas-là, la soudure se détache de la pastille, relie plusieurs pastilles et les court-circuite, comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessous.

Dans des cas rares, il est également possible qu'une mauvaise fabrication entraîne un dégazage, autrement dit la création d'une bulle à l'intérieur du boîtier ou la distorsion de ce dernier. Cependant, la déformation est plus couramment due aux problèmes thermiques.

Les reprises peuvent déformer vos composants lors du traitement par refusion ; de même, un décalage thermique entre le boîtier et la soudure peut provoquer une déformation lorsque les matériaux subissent une dilatation thermique à des échelles différentes.

Pour en savoir plus sur la déformation des PCB et les stratégies permettant de l'éviter, consultez cet article.

Quelques pratiques simples pour prévenir la déformation

Heureusement, il existe quelques stratégies pour éviter ou minimiser la déformation. Tout d'abord, utilisez des pastilles délimitées par un masque de soudure, car les autres pastilles possèdent une hauteur de soudure en fusion beaucoup plus faible. En effet, la soudure en fusion a ainsi moins de surface de capillarité sur laquelle s'étaler.

Vous pouvez également ajuster les matériaux et les températures du processus, en abaissant souvent les températures ou en réduisant le décalage thermique entre une soudure sans broches et les composants. Toutes ces techniques peuvent améliorer considérablement vos résultats. Si les coins s'affaissent pendant la refusion, vous pouvez utiliser des entretoises pour les soutenir jusqu'à ce qu'ils refroidissent.

Enfin, limitez le nombre de cycles de soudure/reprise et ne fixez pas le circuit imprimé pendant les cycles de soudure. La contrainte thermique qui affecte alors le PCB peut entraîner une déformation des composants, du circuit imprimé ou des deux. Bien que ce défi concerne principalement les PCB, les cycles thermiques répétés dans des zones de la carte présentant un fort décalage peuvent entraîner une déformation des composants, en particulier dans le cas des boîtiers contenant un substrat organique et des BGA.

Bien comprendre les composants de votre carte peut vous aider à identifier les pièces qui présenteront le moins de changements de défauts d'assemblage lors de la production ou des reprises.

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