PCBにおけるコンポーネントの反りの原因

PCB製造業者のスタッフが、パッケージの歪みが問題になっていると思われると私に説明したことがあります。これまで、PCBAで使用される標準的なコンポーネントパッケージでは、このようなことは非常にまれだと思っていました。残念ながら、PCBとコンポーネントの両方でコンポーネントの歪みが発生する可能性があります。機械的な取り扱いミスによる曲がりは明らかですが、機械的な影響がなくてもコンポーネントの歪みを引き起こす可能性のある他の問題もあります。

この記事では、PCB、特に基板とコンポーネントでの歪みについて概説します。基板の歪みの可能性は、PCBラミネート材料がわずかに柔軟であることを考えると明らかですが、コンポーネントでの歪みの可能性はそれほど明らかではありません。

PCBコンポーネントの歪みが発生する場所

コンポーネントの歪みは、PCB組み立て中に発生することもありますし、組み立て施設に到着する前にコンポーネントが歪んでいることもあります。時々、製造や配送中に発生した曲がりや完全に平らではないなど、歪んだパッケージングを持つコンポーネントを受け取ることがあります。ほとんどの場合、ほとんどのコンポーネントと組み立てでの歪みは非常にわずかであり、そのような歪みが組み立ての機能性や信頼性に問題を引き起こすことはありません。

ワーピングがより深刻な場合、コンポーネントのテストを開始したり、デバイスを使用し始める前に何か問題があるかどうかを見つけるのが難しいかもしれません。残念ながら、コンポーネントが組み立て施設に到着すると、フィクスチャでのテストを開始したり、平坦性を検査したりする立場にはおそらくありません。非常に明らかに歪んでいない限り、すぐにピックアンドプレースに入れられます。それらのコンポーネントをボードに組み込んだ後、ワーピングが処理や取り扱いの前後のどちらで発生したかを証明するのは困難になります。

簡単にまとめると、ワーピングは以下の状況で発生する可能性があります：

• コンポーネントの生産中、コンポーネントが生産や包装中に適切にスクリーニングされなかった場合
• PCB組み立て中、はんだ付けプロセスがコンポーネントに欠陥を生じさせる場合
• PCBが歪む場合、それによって一部のコンポーネントにワーピングが発生する可能性がある
• 輸送中、何らかの機械的衝撃やショックがボードやコンポーネントに損傷を与える場合

コンポーネントのワーピングを引き起こす組み立て欠陥

コンポーネントの反りの影響は小さくて気づかないこともあれば、潜在的な電気的問題を引き起こすこともあります。繰り返しのサイクリングと反りがはんだ接合部を弱め、早期または断続的な故障を引き起こす最悪のケースがあると言えるでしょう。組み立て中にコンポーネントの反りを引き起こす要因には

• 熱サイクリング
• CTEの不一致
• アウトガス

があります。繰り返しのサイクリングによってコンポーネントの反りが発生する最も単純なケースは、繰り返しのサイクリングが原因です。ボールグリッドアレイパッケージを持つ大型プロセッサーなど、反りの影響を受けやすい大きな表面積を持つコンポーネントで、これらの電気的問題が現れる場所の一つです。有機基板上のパッケージも熱サイクリングの影響を受けやすく、周囲のラミネートと比較してCTEの不一致があるため、反りを経験することがあります。

コンポーネントのパッケージと基板の間に大きな不一致がある場合、基板が反り、PCBとケーシングの間の距離が増加し、いくつかの可能性があります。場合によっては、はんだボールが「落ちて」PCBに低く留まり、コンポーネントに接続せずに開回路が生じるか、はんだが流れて他の接続をブリッジすることがあります。それ以外の場合、はんだボールは適切な温度で接続を行うために伸びます。回路は見えますが、接合部のはんだが薄くなり、時には奇妙な形をしており、時間が経つにつれて接合部が信頼性を失います。BGAパッド間のピッチが狭くなると、影響はさらに悪化します。

表面が下に反る場合、通常はリフロー中に角や端が沈むと、コンポーネントの下にはんだが多すぎる状態になります。はんだがパッドから押し出され、他のはんだパッドに橋渡しをして短絡することがよくあります。下の画像で見るように。

製造が悪いことで稀にですが、アウトガスが発生することがあります。これによりパッケージ内に気泡ができたり、ケーシングが歪む原因となることがあります。しかし、最も一般的な原因は熱問題です。リワークによりリフロー処理中にコンポーネントが歪むことがあるか、またはパッケージングとはんだの間の熱膨張の不一致が、材料が異なる速度で熱膨張を経験する際に歪みを引き起こすことがあります。

回路基板の反りやPCBの反りを防ぐためのいくつかの戦略についてもっと知りたい場合は、この記事をご覧ください。

反りを防ぐためのいくつかの簡単な実践

幸いなことに、反りを防ぐまたは減らすのに役立ついくつかのオプションがあります。まず、非はんだマスク定義パッドよりもはるかに低い溶融はんだの高さを持つはんだマスク定義パッドを使用します。それは、溶融はんだが広がるためのウィッキングエリアがそれほど多くないからです。また、プロセス材料と温度を調整し、しばしば温度を下げたり、リードレスはんだとコンポーネント間の熱膨張の不一致を減らすことで、結果が大幅に改善されることがあります。リフロー中に角が垂れ下がる場合は、冷えるまでそれらを支えるためにスペーサーを使用できます。

最終的には、はんだ付け/再作業のサイクル数を制限し、はんだ付けサイクル中にPCBを固定しないでください。PCBに誘発される熱応力は、コンポーネントやPCB自体、あるいはその両方の歪みにつながる可能性があります。これは主にPCBの課題ですが、高い不一致を持つボード領域での繰り返し熱サイクルは、特に有機基板を持つパッケージやBGAでは、コンポーネントの歪みにつながることがあります。ボード内のコンポーネントを理解することで、製造または再作業中に組み立て欠陥の変化が少ない部品を特定するのに役立ちます。

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