歪んだPCBを修正できますか？

この記事に深入りする前に、簡単な答えをお伝えしましょう。既に製造されたPCBの反りを修正することは、おそらくできません。適切な材料が選択され、基板が正しくリフローに入れられる限り、組み立て中に反りが生じないように防ぐことはできます。

この記事では、そのようなポイントのいくつかについて説明し、反りが生じた基板を回復させるためのポイントをいくつか検討します。未組み立ての回路基板の反りを修正することは高度な作業であり、基板をガラス転移温度以上に加熱して圧迫する必要があります。個人の設計者であり、メーカーから裸の回路基板や組み立てられた基板のバッチを受け取った場合、それらを修正することはできません。これらを廃棄する方が良いでしょう。この記事の後半でその理由を説明します。

PCBの反りを防ぐ方法

PCBの反り防止を見る前に、反りの原因についていくつか見てみましょう：

• パネル内の混在した向き： パネル内での向きを混在させてパネルあたりの基板数を最大化することは、誘惑的です。
• CTEとTgの層間不一致：これらの値が一致しない場合、特定の層にストレスが蓄積され、変形を引き起こし、歪みが生じます。
• 非対称スタックアップ：CTE/Tgの不一致に加えて、層スタックの非対称性が大きい場合、非対称性は一部の層に平面ストレスを与え、歪みを引き起こします。
• リフロー/ウェーブ：過度のリフロー、ウェーブ、および再作業サイクルを繰り返すことで、歪みが蓄積されることがあります。また、はんだ付け中に基板をクランプすると、歪みが生じることがあります。

これらは、設計者と製造者が対処する必要がある基板の歪みの主な原因のいくつかです。

パネルサイズのための設計

常にこれを行うことができるわけではありませんが、スループットと収率の目的でこれを考慮することは重要です。混在した向きを必要としないように基板を設計できれば、歪みのリスクを回避できます。パネル内の基板の混在した向きは、一部の基板がガラス繊維のストランドの長軸およびパネルの長辺に沿っていないことを意味します。

ほとんどの場合、これは問題になりません。しかし、以下のガイドラインのいずれかに従わない場合、混在する向きが原因でボードの一部が反りやすくなる可能性があります。その結果、同じパネル内の一部のボードが反ってしまい、他のボードは反らない可能性があります。以下のガイドラインのいくつかを無視してボードを設計する必要がある場合は、可能であれば、反りやすいボードをすべて同じ向きに配置できるようにしましょう。つまり、ボードの長い辺をパネルの長い辺に沿って配置します。

スタックアップでの材料のマッチング

これは、設計者が製造業者と協力して、ボードが仕様通りに製造できるようにし、生産中にボードが反らないようにする必要がある場面です。自分自身でPCBスタックアップを設計し、異なる材料を混合している場合は、Tg値とCTE値が互いに互換性があることを確認してください。言い換えれば、温度がTgを超えたときのTg値とCTE値はすべて似ている必要があります。

これを行う理由は、PCBスタックアップ内のすべての材料のCTE値に一般的な不一致を防ぐためです。一般に、CTEの不一致はスタックアップ全体で不均一な膨張を引き起こし、これは既に運用中の信頼性の問題を生じさせることが知られています。特に高アスペクト比のビアでの亀裂。同じタイプのCTEの不一致もスタックアップの設計で避けるべきです。

銅を対称に配置する

これは、私が協力するメーカーと矛盾するように古い設計者が試みる場合の一例です。銅の配置は、ボードが反りを伴わずに製造される唯一の方法としてしばしば引用されます。完全に反りをなくすことはできませんが、ボードの反りが組み立て欠陥を引き起こさないほど低くすることはできます。銅の配置は、設計者が対向する層上の銅をバランスさせるために使用できるツールの一つです。

実際には、スタックアップの対向する層に銅の配置が必要になるかもしれません。例として、6層スタックアップを考えてみてください。下の画像は、シンプルなSIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWRの配置を示しています。

例えば、レイヤー6に銅ポアを使用する場合は、レイヤー1にも使用すべきです。レイヤー3に銅ポアがない場合は、レイヤー4にも使用すべきではありません。これにより、層の材料と銅の分布の観点からスタックアップを対称にします。ここで重要な点は、スタックアップ全体の均一な加熱を保証したり、反りを防ぐために銅ポアが必要というわけではないが、銅ポアを使用する場合は、それを対称にしようと努めるべきだということです。

このスタックアップは、追加の2つの信号層を持つ代替の4層スタックアップの拡張です。4層バージョンでの同じ設計ルールが、この6層バージョンにも適用されます。ここでの良い戦略は、必要に応じて上/下の層に銅ポアを電源やグラウンドとしてだけ使用することです。

波付け/リフロー工程の回数を制限する

理想的には、ボードは2回のリフロー工程（両面ボードを想定）と、場合によっては1回のウェーブ工程を経るだけであるべきです。一部の業界では、はんだマスクの信頼性を最大限に保ち、層間に過度のストレスが蓄積し、反りが生じるのを防ぐために、PCBのリフロー、ウェーブ、およびリワーク工程の回数に制限を設けています。組み立て業者はすでにリフローサイクルを制限するための手順を使用しているため、ボードが適切に製造および組み立てられている限り、これは問題にならない場合があります。

はんだ付け中にボードを修正しない

ボードが組み立てられる際、まずコンポーネントが配置され、その後ボードはリフローオーブン（SMT用）に送られます。ボードがオーブンに入ると、ほとんどの材料（特にFR4グレード）のTg値を上回る温度まで加熱されます。これにより、PCBスタックアップ内の材料が膨張し始め、互いにストレスを与え始めます。ボードはXY平面とz軸に沿って異なる割合で膨張します。

問題は、基板のXY平面の膨張から生じることがあります。はんだ付け中に基板が治具に固定され、膨張が制限されると、そのストレスは変形によりz軸方向に伝わります。これにより、z軸方向にさらに多くのストレスが生じ、PCBが永久に変形する可能性があります。スタックアップ材料間のTgおよびCTEの不一致が大きい場合、変形はさらに悪化します。したがって、膨張を制限しようとして基板をクランプするのではなく、はんだ付け中に基板が自然に膨張および収縮するのを許容してください。

歪んだ基板は再圧着できるか？

個人の設計者であれば、歪んだ基板を修正するためのプレスを持っていることはほとんどないでしょう。製造業者は別であり、完成した基板を加熱して圧着することで、歪んだPCBを元に戻すことが考えられます。

ここでの想定される解決策は、PCBスタックアップ材料内の樹脂が流れるように、基板をTg値以上に加熱することです。この温度に達し、一定期間圧力下で基板を保持します。これには、PCB全体に均一な加熱を提供できる大きくて平らな金属プレスが必要です。圧力下で保持した後、治具と基板は自然に冷却させるべきです。

この問題は、基板をリフローするのと同じように、はんだマスクを老化させることになります。はんだマスクはポリマーであり、他のポリマーと同様に、時間が経つと硬化してもろくなります。この解決策を実施する場合は、はんだマスクを適用する前に行うのが最善でしょう。または、温度と保持時間を限定するべきです。

設備がなければ修正しようとしないでください

私が説明したように、基板の反りを防ぎ、場合によっては修正する方法はありますが、必要な設備がない場合は反りを修正しようとしてはいけません。これは、製造業者の都合に左右される個々の設計者にとって良い信条です。

製造業者から裸の回路基板のバッチを受け取り、その基板がすべて反っている場合は、自分で反りを修正しようとするのではなく、製造業者に連絡して返金を要求するべきです。上述したように、反ったPCBを修正するには、均一な加熱を行うプレスが必要であり、基本的にはスタックアップを構築するために使用される積層プロセスを再現することになります。

組み立てられた基板を受け取り、その反りがひどい場合は、その組み立てを廃棄すべきです。残念ですが、プレスやクランプ、曲げによってそれらの基板を救う方法はほとんどないでしょう。組み立てられた基板をクランプや曲げて平らにしようとすると、組み立てのはんだ接合部に多大なストレスをかけることになります。これにより、はんだ接合部が割れ、基板には正常な動作を妨げる開放接続がたくさんできてしまいます。

製造または組み立ての提供者が仕事を正しく行うことを確認したい場合は、資格基準を提供してください。これは、製造ノートで行うことができます。この記事を参考にしてください。また、このリンクから私のサンプル製造ノートをダウンロードすることもできます。

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