Czy można naprawić wykrzywioną płytę PCB?

Zanim zagłębimy się w ten artykuł, podam Ci prostą odpowiedź. Prawdopodobnie nie jesteś w stanie naprawić wykrzywienia PCB po jego wyprodukowaniu. Możesz zapobiec wykrzywieniu niezdeformowanej płytki podczas montażu, ale tylko pod warunkiem, że materiały zostały właściwie dobrane i płyta jest prawidłowo umieszczana w piecu do lutowania.

Przeanalizujemy niektóre z tych kwestii w tym artykule, a ja przyjrzę się niektórym punktom, które mogą pomóc Ci odzyskać wykrzywioną płytę. Należy zauważyć, że naprawa wykrzywienia na niezmontowanej płycie drukowanej jest zaawansowanym przedsięwzięciem i wymaga podgrzewania oraz prasowania płyty powyżej jej temperatury przejścia szklistego. Jeśli jesteś indywidualnym projektantem i otrzymałeś partię niezmontowanych płyt drukowanych lub zmontowanych płyt od producenta, nie ma możliwości ich naprawy. Lepiej je zezłomować. Wyjaśnię dlaczego później w tym artykule.

Jak zapobiegać wykrzywieniu PCB

Zanim przyjrzymy się zapobieganiu wykrzywieniu PCB, spójrzmy na niektóre przyczyny wykrzywień:

• Mieszana orientacja na panelu: Kuszące jest ustawienie płyt tak, aby orientacja na panelu była mieszana, co maksymalizuje liczbę płyt na panelu.
• Niedopasowanie CTE i Tg między warstwami: Gdy te wartości są niedopasowane, na niektórych warstwach gromadzi się naprężenie, co powoduje ich deformację i prowadzi do wykrzywienia.
• Asymetryczny układ warstw: Jeśli w układzie warstw występuje duża asymetria, a do tego dochodzi niedopasowanie CTE/Tg, asymetria ta wywiera naprężenie płaskie na niektórych warstwach, prowadząc do wykrzywienia.
• Procesy przepływowe/falowe: Powtarzające się cykle z nadmiernym przepływem, falowaniem i poprawkami mogą powodować narastanie wykrzywienia. Ponadto, zaciskanie płyt może powodować wykrzywienie podczas lutowania.

To niektóre z głównych przyczyn wykrzywienia płytki, które muszą być rozwiązane przez projektanta i producenta.

Projektowanie z uwzględnieniem rozmiaru panelu

Czasami nie zawsze ma się luksus możliwości działania w ten sposób, ale jest to ważne z punktu widzenia przepustowości i wydajności. Jeśli można zaprojektować swoje płytki tak, aby nie wymagały mieszanej orientacji, wówczas nie naraża się ich na ryzyko wykrzywienia. Mieszana orientacja płyt w panelu spowoduje, że niektóre z płyt nie będą orientowane wzdłuż długiej osi włókna szklanego i długiego brzegu panelu.

Większość czasu to nie stanowi problemu. Jednakże, jeśli nie zostanie przestrzegana któraś z poniższych wytycznych, mieszana orientacja może sprawić, że niektóre płytki będą bardziej podatne na wyginanie. W rezultacie niektóre płytki mogą się wygiąć, podczas gdy inne płytki w tym samym panelu nie będą miały tego problemu. Jeśli musisz zaprojektować płytkę, ignorując niektóre z poniższych wytycznych, powinieneś spróbować zorientować te płytki podatne na wyginanie tak, aby wszystkie mogły znajdować się w tym samym położeniu w panelu, jeśli to możliwe, tj. z długim brzegiem płytki wzdłuż długiego brzegu panelu.

Dopasuj materiały w układzie warstw

To miejsce, w którym projektant musi współpracować z producentem, aby zapewnić, że płyta może być wyprodukowana zgodnie ze specyfikacją i aby zapewnić, że płyta nie wygnie się podczas produkcji. Jeśli projektujesz własny układ warstw PCB i mieszasz różne materiały, upewnij się, że wartości Tg i wartości CTE są ze sobą kompatybilne. Innymi słowy, wartości Tg i wartości CTE, gdy temperatura przekracza Tg, powinny być podobne.

Powodem tego jest zapobieganie ogólnemu niedopasowaniu wartości CTE dla wszystkich materiałów w układzie warstw PCB. Ogólnie, niedopasowania CTE prowadzą do nierównomiernego rozszerzania się przez cały układ warstw, co już wiadomo, że powoduje problemy z niezawodnością podczas działania, szczególnie pęknięcia w przelotkach o wysokim stosunku aspektu. Tego samego rodzaju niedopasowania CTE powinny być również unikane w projektowaniu układu warstw.

Używaj miedzi symetrycznie

To jeden z tych przypadków, kiedy widziałem, jak starsi projektanci próbują przeciwstawiać się producentom, z którymi współpracuję. Często podaje się, że zalewanie miedzią jest jedynym sposobem, aby zapewnić, że płyta zostanie wyprodukowana bez żadnego skręcenia. Chociaż nigdy nie można osiągnąć zerowego skręcenia, można je zmniejszyć do takiego stopnia, że skręcenie płyty nie powoduje wad montażowych. Zalewanie miedzią jest jednym z narzędzi, których projektant może użyć, aby zrównoważyć miedź na przeciwległych warstwach.

Rzeczywistość jest taka, że zalewanie miedzią może być wymagane tylko na przeciwstawnych warstwach w układzie. Jako przykład, rozważmy układ 6-warstwowy. Poniższy obraz pokazuje prosty układ SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR.

Jeśli warstwa miedzi jest stosowana na warstwie 6, na przykład, to powinna być również użyta na warstwie 1. Jeśli warstwa miedzi nie jest obecna na warstwie 3, to również nie powinna być używana na warstwie 4. To sprawia, że układ warstw jest symetryczny zarówno pod względem materiałów warstw, jak i rozkładu miedzi. Ważnym punktem tutaj jest to, że warstwa miedzi nie jest wymagana do zapewnienia równomiernego ogrzewania przez cały układ warstw ani do zapobiegania wykrzywianiu, ale jeśli używasz warstwy miedzi, to powinieneś starać się uczynić ją symetryczną.

Ten układ warstw jest rozszerzeniem alternatywnego układu 4-warstwowego, ale z dodatkowymi dwoma warstwami sygnałowymi. Te same zasady projektowania, co w wersji 4-warstwowej, stosują się również do tej wersji 6-warstwowej. Dobrą strategią tutaj jest po prostu używanie warstwy miedzi na warstwach górnej/dolnej jako zasilania i/lub masy w razie potrzeby.

Ogranicz liczbę cykli fali/reflow

Idealnie, płyta powinna przejść tylko przez dwa cykle przepływu (zakładając płytę dwustronną) i ewentualnie jeden cykl fali. Niektóre branże określą limit dozwolonej liczby cykli przepływu, fali i poprawek dla PCB, aby zapewnić maksymalną niezawodność maski lutowniczej i zapobiec nadmiernemu gromadzeniu się naprężeń między warstwami, co może prowadzić do wykrzywiania. Monterzy mają już procedury, których używają, aby ograniczyć cyklowanie przepływu, więc dopóki płyta jest budowana i montowana prawidłowo, może to nie być problem.

Nie naprawiaj płyty podczas lutowania

Gdy płyta jest montowana, komponenty są najpierw umieszczane, a następnie płyta jest wysyłana do pieca przepływowego (dla SMT). Gdy płyta wchodzi do pieca, nagrzewa się do temperatury, która jest ogólnie powyżej wartości Tg dla większości materiałów (szczególnie klasy FR4). Powoduje to rozpoczęcie rozszerzania się materiałów w stosie PCB, które zaczynają na siebie oddziaływać naprężeniami. Płyta będzie się rozszerzać w różnych tempach w płaszczyźnie XY i wzdłuż osi z.

Problem może wynikać z ekspansji w płaszczyźnie XY płytki. Jeśli płyta jest zamocowana w oprawkach podczas lutowania i ograniczona przed rozszerzaniem, ten stres jest przekazywany wzdłuż kierunku osi z z powodu deformacji. To stworzy większy stres w kierunku osi z, który może trwale zdeformować PCB. Deformacja będzie gorsza, gdy różnica Tg i CTE między materiałami stosu jest większa. Dlatego nie zaciskaj płytki, próbując ograniczyć ekspansję, po prostu pozwól płytce naturalnie rozszerzać się i kurczyć podczas lutowania.

Czy można ponownie wyprostować wykrzywioną płytę?

Jeśli jesteś indywidualnym projektantem, prawdopodobnie nie masz dostępu do prasy, aby naprawić wykrzywioną płytę. Zakłady produkcyjne to co innego i mogą one teoretycznie wyprostować wykrzywioną PCB poprzez jej podgrzewanie i prasowanie gotowej płyty.

Tutaj proponowane rozwiązanie polega na podgrzaniu płyty powyżej wartości Tg, tak aby żywica w materiałach stosu PCB mogła płynąć. Po osiągnięciu tej temperatury i utrzymaniu płyty pod ciśnieniem przez pewien czas. Wymaga to dużej, płaskiej metalowej prasy, która może zapewnić równomierne ogrzewanie całej PCB. Po utrzymaniu pod ciśnieniem, oprawka i płyta powinny być pozostawione do naturalnego ostygnięcia.

Problem z tym jest taki, że w zasadzie postarza to maskę lutowniczą w ten sam sposób, co przepływanie płytki. Maska lutownicza jest polimerem i może starzeć się tak jak każdy inny polimer, ostatecznie stając się twarda i krucha. Jeśli to rozwiązanie ma być zaimplementowane, najlepiej jest to zrobić przed nałożeniem maski lutowniczej, lub temperatura i czas utrzymania powinny być ograniczone.

Jeśli nie masz sprzętu, nie próbuj tego naprawiać

Chociaż przedstawiłem kilka sposobów, jak można zapobiegać i możliwie naprawiać odkształcenia, nie powinieneś próbować naprawiać odkształceń, jeśli nie masz wymaganego sprzętu. To dobra zasada dla indywidualnego projektanta, który jest na łasce swojego producenta.

Jeśli otrzymasz partię nieosadzonych płyt drukowanych od producenta, a płytki są wszystkie odkształcone, powinieneś zadzwonić do producenta i zażądać zwrotu pieniędzy, zamiast próbować naprawiać odkształcenia samodzielnie. Jak wspomniałem powyżej, naprawa odkształconej PCB wymaga prasy z jednolitym ogrzewaniem, co w zasadzie odtwarza proces laminowania używany do budowy stosu.

Jeśli otrzymałeś zmontowaną płytę i jej wykrzywienie jest poważne, powinieneś odrzucić to zestawienie. Niestety, ale najprawdopodobniej nie będzie możliwości uratowania tych płyt przez prasowanie, zaciskanie czy gięcie. Jeśli spróbujesz zacisnąć lub wygiąć zmontowane płyty do momentu, aż staną się płaskie, wywrzesz dużą presję na połączenia lutownicze w zestawieniu. Może to spowodować pęknięcia połączeń lutowniczych, a płyta będzie miała teraz wiele otwartych połączeń, które uniemożliwiają prawidłowe działanie.

Jeśli chcesz mieć pewność, że Twój dostawca usług fabrykacji lub montażu wykona pracę poprawnie, upewnij się, że dostarczasz kryteria kwalifikacji. Można to zrobić w notatkach fabrykacyjnych. Zapoznaj się z tym artykułem, aby uzyskać wskazówki. Możesz również pobrać moje przykładowe notatki fabrykacyjne z tego linku.

Gdy potrzebujesz określić wymagania produkcyjne i zaprojektować swoją płytę drukowaną, aby zapobiec jej wykrzywianiu, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.