È possibile riparare una PCB deformata?

Prima di addentrarci troppo in questo articolo, vi darò una risposta semplice. Probabilmente non potete correggere la deformazione della vostra PCB dopo che è stata già fabbricata. Potete prevenire che una scheda non deformata diventi deformata durante l'assemblaggio, ma solo a condizione che i materiali siano stati scelti correttamente e che la scheda sia inserita correttamente nel reflow.

Passeremo in rassegna alcuni di questi punti in questo articolo, ed esaminerò alcuni aspetti che potrebbero aiutarvi a recuperare una scheda deformata. Notate che correggere la deformazione in una scheda di circuito non assemblata è un'impresa avanzata e richiede il riscaldamento e la pressatura della scheda al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa. Se siete un progettista individuale e avete ricevuto un lotto di schede di circuito nude o assemblate da un produttore, non c'è modo di ripararle. È meglio scartarle. Spiegherò perché più avanti in questo articolo.

Come Prevenire la Deformazione in una PCB

Prima di guardare alla prevenzione della deformazione in una PCB, vediamo alcune delle cause della deformazione:

• Orientamento misto in un pannello: È allettante orientare le schede in modo che l'orientamento in un pannello sia misto in modo che il conteggio delle schede per pannello sia massimizzato.
• Disallineamenti tra CTE e Tg tra gli strati: Quando questi valori non sono allineati, si accumulerà stress su determinati strati, causandone la deformazione e creando distorsioni.
• Impilamento asimmetrico: Se c'è una grande asimmetria nello stack degli strati in aggiunta ai disallineamenti di CTE/Tg, l'asimmetria porrà stress planare su alcuni strati, portando a distorsioni.
• Reflow/onda: Cicli ripetuti con eccessivo reflow, onda e cicli di rilavorazione possono causare l'accumulo di distorsioni. Anche il serraggio delle schede può causare distorsioni durante la saldatura.

Queste sono alcune delle principali cause di distorsione in una scheda che devono essere affrontate dal progettista e dal produttore.

Progettare per la Dimensione del Pannello

A volte, non si ha sempre il lusso di fare ciò, ma è importante considerarlo ai fini della produttività e della resa. Se si possono progettare le proprie schede in modo che non richiedano un orientamento misto, allora non ci si metterà a rischio di distorsione. Un orientamento misto delle schede in un pannello causerà che alcune delle schede non siano orientate lungo l'asse lungo della fibra di vetro e il bordo lungo del pannello.

La maggior parte delle volte questo non rappresenta un problema. Tuttavia, se una delle linee guida sottostanti non viene seguita, l'orientamento misto potrebbe rendere alcune delle schede più suscettibili alla deformazione. Il risultato è che alcune delle schede potrebbero deformarsi, mentre altre schede nello stesso pannello potrebbero non farlo. Se devi progettare una scheda ignorando alcune delle linee guida sottostanti, dovresti cercare di orientare quelle schede suscettibili alla deformazione in modo che possano tutte trovarsi nella stessa orientazione nel pannello, se possibile, ovvero con il lato lungo della scheda lungo il bordo lungo del pannello.

Abbinare i Materiali nel Stackup

Questo è il punto in cui il progettista dovrà lavorare con il produttore per garantire che la scheda possa essere fabbricata secondo le specifiche e per assicurare che la scheda non si deformerà durante la produzione. Se stai progettando il tuo stackup di PCB e stai mescolando materiali diversi, assicurati che i valori di Tg e i valori di CTE siano compatibili tra loro. In altre parole, i valori di Tg e i valori di CTE quando la temperatura supera il Tg dovrebbero essere tutti simili.

Il motivo di ciò è prevenire un disallineamento generale nei valori di CTE per tutti i materiali nello stackup del PCB. In generale, i disallineamenti di CTE portano a un'espansione non uniforme in tutto lo stackup che è già noto per creare problemi di affidabilità durante il funzionamento, in particolare la fratturazione nelle vie con rapporto aspetto elevato. Gli stessi tipi di disallineamenti di CTE dovrebbero essere evitati anche nella progettazione dello stackup.

Usare il Riporto di Rame Simmetricamente

Questo è uno di quei casi in cui ho visto progettisti più anziani cercare di contraddire i produttori con cui lavoro. Il riporto di rame è spesso citato come l'unico modo per garantire che la scheda sarà fabbricata senza alcuna deformazione. Anche se non si può mai arrivare a zero deformazioni, è possibile ridurle a un livello tale che la deformazione della scheda non crei difetti di assemblaggio. Il riporto di rame è uno degli strumenti che un progettista può utilizzare per bilanciare il rame su strati opposti.

La realtà è che il riporto di rame potrebbe essere richiesto solo su strati opposti nello stackup. Solo per fare un esempio, considerate uno stackup a 6 strati. L'immagine qui sotto mostra un semplice arrangiamento SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR.

Se si utilizza il riempimento di rame sul Layer 6, ad esempio, allora si dovrebbe utilizzarlo anche sul Layer 1. Se il riempimento di rame non è presente sul Layer 3, allora non dovrebbe essere utilizzato nemmeno sul Layer 4. Questo rende lo stackup simmetrico in termini di materiali dei layer e in termini di distribuzione del rame. Il punto importante qui è che il riempimento di rame non è necessario per garantire un riscaldamento uniforme in tutto lo stackup o per prevenire la deformazione, ma se si utilizza il riempimento di rame, allora si dovrebbe cercare di renderlo simmetrico.

Questo stackup è un'estensione di uno stackup alternativo a 4 layer ma con due ulteriori layer di segnale. Le stesse regole di progettazione della versione a 4 layer si applicano anche a questa versione a 6 layer. Una buona strategia qui è semplicemente utilizzare il riempimento di rame sui layer superiore/inferiore come alimentazione e/o massa secondo necessità.

Limitare il Numero di Cicli di Onda/Riflusso

Idealmente, la scheda dovrebbe passare solo attraverso due cicli di rifusione (assumendo una scheda a doppia faccia) e, possibilmente, un ciclo di saldatura ad onda. Alcune industrie specificano un limite al numero di cicli di rifusione, saldatura ad onda e ritocco consentiti per una PCB per garantire la massima affidabilità della maschera di saldatura e per prevenire l'accumulo eccessivo di stress tra gli strati che può portare a deformazioni. Gli assemblatori hanno già procedure che utilizzano per limitare il ciclo di rifusione, quindi, purché la scheda sia costruita e assemblata correttamente, questo può non essere un problema.

Non Riparare la Scheda Durante la Saldatura

Quando una scheda viene assemblata, i componenti vengono prima posizionati e poi la scheda viene inviata in un forno di rifusione (per SMT). Man mano che la scheda entra nel forno, si riscalda fino a una temperatura che è generalmente superiore al valore Tg per la maggior parte dei materiali (in particolare di grado FR4). Questo fa sì che i materiali nello stackup della PCB inizino ad espandersi e inizino a stressarsi a vicenda. La scheda si espanderà a velocità diverse nel piano XY e lungo l'asse z.

Il problema può derivare dall'espansione nel piano XY della scheda. Se la scheda è bloccata in un dispositivo di fissaggio durante la saldatura ed è impedita di espandersi, quella tensione viene trasmessa lungo la direzione dell'asse z a causa della deformazione. Questo creerà più stress nella direzione dell'asse z che può deformare permanentemente il PCB. La deformazione sarà peggiore quando c'è una maggiore discrepanza tra Tg e CTE tra i materiali dello stackup. Pertanto, non serrare la scheda per cercare di limitare l'espansione, lascia semplicemente che la scheda si espanda e si contragga naturalmente durante la saldatura.

È possibile Riparare una Scheda Deformata?

Se sei un progettista individuale, probabilmente non hai accesso a una pressa per correggere una scheda deformata. Le case di fabbricazione sono un altro discorso, e potrebbero teoricamente raddrizzare una PCB deformata riscaldando e premendo la scheda finita.

Qui, la soluzione supposta è riscaldare la scheda sopra il valore di Tg in modo che la resina nei materiali dello stackup del PCB possa fluire. Una volta raggiunta questa temperatura e la scheda è mantenuta sotto pressione per un periodo di tempo. Questo richiede una pressa metallica grande e piatta che possa fornire un riscaldamento uniforme a tutto il PCB. Dopo aver mantenuto sotto pressione, il dispositivo di fissaggio e la scheda dovrebbero essere lasciati raffreddare naturalmente.

Il problema è che ciò invecchia la maschera di saldatura nello stesso modo in cui farebbe il riflusso della scheda. La maschera di saldatura è un polimero e può invecchiare come qualsiasi altro polimero, diventando infine indurito e fragile. Se si intende implementare questa soluzione, è probabilmente meglio farlo prima di applicare la maschera di saldatura, oppure la temperatura e il tempo di mantenimento dovrebbero essere limitati.

Se Non Hai l'Attrezzatura, Non Tentare di Riparare

Sebbene abbia delineato alcuni modi per prevenire e possibilmente correggere la deformazione, non dovresti tentare di correggere la deformazione se non disponi dell'attrezzatura necessaria. Questo è un buon mantra per il progettista individuale che è alla mercé del proprio produttore.

Se ricevi un lotto di schede elettroniche nude da un produttore e tutte le schede sono deformate, dovresti chiamare il produttore e chiedere un rimborso piuttosto che tentare di correggere la deformazione da solo. Come ho menzionato sopra, correggere una PCB deformata richiede una pressa con riscaldamento uniforme, ricreando essenzialmente il processo di laminazione utilizzato per costruire il pacchetto.

Se hai ricevuto una scheda assemblata e la deformazione è grave, allora dovresti scartare l'assemblaggio. È sfortunato, ma molto probabilmente non ci sarà modo di salvare quelle schede premendole, serrandole o piegandole. Se provi a serrare o piegare le schede assemblate fino a renderle piatte, metterai sotto molto stress i giunti di saldatura nell'assemblaggio. Questo può causare la frattura dei giunti di saldatura, e la scheda ora avrà un mucchio di connessioni aperte che impediscono il corretto funzionamento.

Se vuoi assicurarti che il tuo fornitore di fabbricazione o assemblaggio faccia il lavoro correttamente, assicurati di fornire criteri di qualificazione. Questo può essere fatto nelle tue note di fabbricazione. Dai un'occhiata a questo articolo per una guida. Puoi anche scaricare le mie note di fabbricazione di esempio da questo link.

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