Cause della deformazione dei componenti in un PCB

Un membro dello staff di un produttore di circuiti stampati (PCB) una volta mi ha spiegato che secondo loro avevamo un problema con una deformazione del package. Prima di allora pensavo che questo fosse altamente improbabile nei package di componenti standard utilizzati in un PCBA. Purtroppo, la deformazione dei componenti di un circuito stampato può verificarsi sia in un PCB che nei componenti stessi. La manipolazione meccanica scorretta che porta alla piegatura è ovvia, ma esistono altri problemi che possono causare la deformazione dei componenti senza il coinvolgimento di un impatto meccanico.

In questo articolo passeremo in rassegna le possibili deformazioni in un PCB, in particolare nel circuito stampato e nei componenti. La possibilità di deformazione nel circuito stampato dovrebbe essere ovvia, dato che i materiali laminati del PCB sono leggermente flessibili, ma il potenziale di deformazione nei componenti non è così ovvio.

Dove si verifica la deformazione nei componenti PCB

La deformazione dei componenti può verificarsi durante l'assemblaggio del PCB, oppure prima di arrivare alla struttura di assemblaggio. A volte potrai ricevere componenti con imballo deformato, piegato o comunque non perfettamente piatto, poiché ha subito insulti durante la produzione o la spedizione. Quasi sempre, la deformazione sarà molto leggera nella maggior parte dei componenti e degli assemblaggi, e la sua presenza non causerà problemi alla funzionalità o all'affidabilità dell'assemblaggio.

Quando la deformazione è più grave, potrebbe essere difficile trovare qualcosa che non va prima di iniziare a testare i componenti o utilizzare il dispositivo. Purtroppo, una volta che i componenti arrivano alla struttura di assemblaggio, probabilmente non sei nella posizione di iniziare a testarli su un dispositivo o di ispezionarli per verificarne la planarità. A meno che non siano ovviamente deformati, verranno messi subito in pick-and-place. Dopo aver incorporato tali componenti nella scheda, sarà difficile dimostrare se la deformazione si è verificata prima o dopo l'elaborazione e la manipolazione.

Per riassumere brevemente, la deformazione di un componente di un circuito stampato può verificarsi nelle seguenti situazioni:

• Durante la produzione di componenti, perché non sono stati adeguatamente controllati durante la produzione o l'imballaggio
• Durante l'assemblaggio PCB, perché il processo di saldatura ha creato un difetto nel componente
• Quando il PCB si deforma, il che può forzare il verificarsi di una deformazione in alcuni componenti
• Durante il trasporto, in cui un impatto meccanico o un urto danneggia la scheda e/o i componenti

Difetti di assemblaggio che causano la deformazione dei componenti PCB

L'impatto della deformazione dei componenti può essere abbastanza ridotto da non essere notato, oppure può causare problemi elettrici latenti. Il caso peggiore è probabilmente quello in cui i cicli ripetuti e la deformazione indeboliscono un giunto di saldatura al punto da causare un guasto prematuro o intermittente. I fattori che possono portare alla deformazione dei componenti durante l'assemblaggio includono:

• Ciclo termico
• Mancata corrispondenza del CTE
• Degassamento

Il caso più semplice in cui i cicli ripetuti causano la deformazione dei componenti è dovuto alla ripetizione stessa. Un caso in cui si manifesteranno questi problemi elettrici è costituito dai grandi processori con package di array di griglie a sfera (BGA), in cui i componenti hanno un'ampia superficie potenzialmente interessata dalla deformazione. Anche i package su un substrato organico possono essere influenzati dai cicli termici e subire deformazioni, poiché possono presentare un disallineamento del CTE rispetto ai laminati circostanti.

Quando il disallineamento tra il package di un componente e la scheda è elevato, si verifica una deformazione che aumenta la distanza tra il PCB e l'involucro, con diverse possibili conseguenze. In alcuni casi, se una sfera di saldatura "cade" e rimane bassa sul PCB invece che connettersi al componente, il risultato potrebbe essere un circuito aperto o la saldatura potrebbe fluire e collegare altre connessioni. In caso contrario, la sfera di saldatura si allungherà per effettuare la connessione alla temperatura appropriata. Si vedrà un circuito, ma la saldatura nella giunzione sarà assottigliata e talvolta avrà una forma strana, che rende la giunzione meno affidabile nel tempo. Gli impatti sono molto peggiori quando il passo tra i pad BGA diminuisce.

Se la superficie si deforma, di solito con angoli e bordi che cedono durante la rifusione, si avrà improvvisamente una quantità eccessiva di saldatura sotto il componente. Spesso si staccherà dalla piazzola, facendo ponte con altre piazzole di saldatura e mettendole in cortocircuito, come si vede nell'immagine sottostante.

È anche possibile, sebbene raro, che una produzione scadente determini il degassamento, creando una bolla all'interno del package o forzando la deformazione dell'involucro. Tuttavia, la causa più comune è rappresentata da problemi termici. La rilavorazione può causare deformazioni nei componenti durante la rifusione, oppure una mancata corrispondenza termica tra package e saldatura può causare deformazioni quando i materiali subiscono un'espansione termica a velocità diverse.

Per saperne di più sulla deformazione del circuito stampato e su alcune strategie per prevenire la deformazione del PCB, dai un'occhiata a questo articolo.

Alcune semplici pratiche per prevenire la deformazione

Fortunatamente, esistono alcune opzioni che possono contribuire a prevenire o ridurre la deformazione. In primo luogo, utilizza piazzole definite per maschera di saldatura, perché altrimenti avranno un'altezza di saldatura fusa molto inferiore. Questo perché la saldatura fusa non dispone di un'area di assorbimento su cui distribuirsi. È inoltre possibile regolare i materiali e le temperature del processo; spesso, abbassando le temperature o riducendo il disallineamento termico tra una saldatura senza piombo e i componenti è possibile migliorare notevolmente i risultati. Se gli angoli cedono durante la rifusione, puoi utilizzare dei distanziatori per sostenerli fino a quando non si sono raffreddati.

Infine, limitare il numero di cicli di saldatura/rilavorazione e non fissare il PCB durante i cicli di saldatura. Lo stress termico indotto nel PCB può portare a deformazioni nei componenti, nel PCB o in entrambi. Principalmente questa è una problematica dei PCB, ma il ciclo termico ripetuto nelle aree della scheda con elevata discrepanza può portare alla deformazione dei componenti, in particolare nei package con un substrato organico e nei BGA. Comprendere i componenti della scheda può aiutare a identificare quali parti hanno meno probabilità di sviluppare difetti di assemblaggio durante la produzione o la rilavorazione.

Quando devi specificare i tuoi requisiti di progettazione e produzione e preparare la tua scheda per la produzione, utilizza il set completo di strumenti di progettazione PCB in Altium Designer^®. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori.

Questo è solo un assaggio di tutto ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365 oggi stesso.

Dai un'occhiata ad Altium in azione...

Progettazione PCB potente