Przyczyny deformacji komponentów na płytce PCB

Pracownik producenta PCB kiedyś wyjaśnił mi, że mieliśmy problem z deformacją obudowy komponentu. Przed tym zakładałem, że jest to mało prawdopodobne w standardowych obudowach komponentów używanych w montażu PCBA. Niestety, deformacja komponentów może wystąpić zarówno na płytce PCB, jak i w komponentach. Mechaniczne nieprawidłowe obchodzenie się prowadzące do zginania jest oczywiste, ale mogą istnieć inne problemy, które mogą powodować deformację komponentów bez udziału mechanicznego wpływu.

W tym artykule przedstawimy przegląd zjawiska deformacji w PCB, konkretnie na płytce drukowanej i w komponentach. Możliwość deformacji płytki drukowanej powinna być oczywista, biorąc pod uwagę, że materiały laminatowe PCB są nieco elastyczne, ale potencjał do deformacji w komponentach nie jest tak oczywisty.

Gdzie występuje deformacja komponentów PCB

Deformacja komponentów może wystąpić podczas montażu PCB, lub twoje komponenty mogły być już zdeformowane przed przybyciem do zakładu montażowego. Czasami otrzymasz komponenty z zdeformowanym opakowaniem, albo zgięte, albo inaczej nie całkiem płaskie, co miało miejsce podczas produkcji lub transportu. Większość czasu, deformacja jest bardzo niewielka w większości komponentów i zespołów, i obecność takiej deformacji nie spowoduje problemów z funkcjonalnością czy niezawodnością montażu.

Gdy odkształcenie jest bardziej poważne, może być trudno znaleźć jakikolwiek problem, zanim zacznie się testować komponenty lub używać urządzenia. Niestety, gdy komponenty dotrą do zakładu montażowego, prawdopodobnie nie będziesz miał możliwości, aby zacząć je testować w oprzyrządowaniu lub sprawdzać ich płaskość. Chyba że są wyraźnie odkształcone, zostaną od razu umieszczone w maszynie do montażu SMT. Po zaincorporowaniu tych komponentów na swojej płytce, będzie ciężko udowodnić, czy odkształcenie nastąpiło przed czy po twojej obróbce i manipulacji.

Podsumowując krótko, odkształcenie może wystąpić w następujących sytuacjach:

• Podczas produkcji komponentów, gdzie komponenty nie zostały odpowiednio przebadane podczas produkcji lub pakowania
• Podczas montażu PCB, gdzie proces lutowania tworzy defekt w komponencie
• Gdy PCB się odkształca, co może następnie spowodować odkształcenie niektórych komponentów
• Podczas transportu, gdzie jakiś mechaniczny wpływ lub wstrząs uszkadza płytę i/lub komponenty

Defekty montażowe powodujące odkształcenie komponentów

Wpływ odkształcania się komponentów może być na tyle mały, że nigdy go nie zauważysz, lub może powodować ukryte problemy elektryczne. Najgorszym przypadkiem jest, gdy powtarzające się cykle i odkształcenia osłabiają złącze lutownicze na tyle, że może to prowadzić do przedwczesnej lub sporadycznej awarii. Czynniki, które mogą prowadzić do odkształceń komponentów podczas montażu, obejmują:

• Cykliczne zmiany temperatury
• Niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE)
• Wydzielanie gazów

Najprostszym przypadkiem, gdy powtarzające się cykle powodują odkształcenie komponentów, jest powtarzające się cyklowanie. Jednym z obszarów, gdzie te problemy elektryczne mogą się pojawić, są duże procesory zukładami siatki kul, gdzie komponenty mają dużą powierzchnię podatną na odkształcenia. Pakiety na organicznym podłożu mogą być również dotknięte cyklicznymi zmianami temperatury i doświadczać odkształceń, ponieważ mogą mieć niedopasowanie CTE w porównaniu z otaczającymi laminatami.

Gdy niedopasowanie między obudową komponentu a płytą jest duże, może pojawić się odkształcenie, które zwiększa odległość między PCB a obudową, co może prowadzić do kilku możliwych konsekwencji. W niektórych przypadkach, jeśli kula lutownicza "spadnie" i pozostanie blisko PCB zamiast połączyć się z komponentem, może to skutkować przerwą w obwodzie lub lut może płynąć i łączyć inne połączenia. W przeciwnym razie, kula lutownicza rozciągnie się, aby nawiązać połączenie w odpowiedniej temperaturze. Widzisz obwód, ale lut w połączeniu jest przerzedzony, a czasami dziwnie ukształtowany, co sprawia, że połączenie z czasem będzie mniej niezawodne. Skutki są znacznie gorsze, gdy odległość między padami BGA maleje.

Jeśli powierzchnia odkształca się w dół, zwykle z narożnikami i krawędziami opadającymi podczas przepływu, nagle znajdziesz pod swoim komponentem zbyt dużo lutu. Często wyciska się on poza pad, tworząc mostki do innych padów lutowniczych i łącząc je ze sobą, jak widać na poniższym obrazie.

Jest to nawet możliwe, choć rzadkie, aby kiepska jakość produkcji spowodowała wydzielanie gazów. Może to stworzyć bąbel wewnątrz opakowania lub spowodować przekrzywienie obudowy. Jednak najczęstszą przyczyną są problemy termiczne. Przeróbka może spowodować wykrzywienie komponentów podczas przetwarzania reflow, lub niezgodność termiczna między opakowaniem a lutem może powodować wykrzywienie, gdy materiały doświadczają termicznego rozszerzenia w różnych tempach.

Aby dowiedzieć się więcej o wykrzywieniu płytek obwodów i niektórych strategiach zapobiegania wykrzywieniu PCB, przeczytaj ten artykuł.

Kilka prostych praktyk zapobiegających wykrzywieniu

Na szczęście istnieje kilka opcji, które mogą pomóc zapobiec lub zmniejszyć wykrzywienie. Po pierwsze, użyj padów zdefiniowanych przez maskę lutowniczą, ponieważ pady niezdefiniowane przez maskę lutowniczą będą miały znacznie niższą wysokość stopionego lutu. Dzieje się tak, ponieważ stopiony lut nie ma tak dużego obszaru do rozprzestrzeniania się. Możesz również dostosować materiały procesowe i temperatury, często obniżając temperatury, lub zmniejszenie niezgodności termicznej między lutem bezolowiowym a komponentami może znacząco poprawić wyniki. Jeśli masz do czynienia z opadaniem narożników podczas reflow, możesz użyć dystansów, aby je wspierać, dopóki nie ostygną.

Ostatecznie, ogranicz liczbę cykli lutowania/poprawek i nie unieruchamiaj PCB podczas cykli lutowania. Wytwarzane w PCB naprężenia termiczne mogą prowadzić do deformacji komponentów, PCB lub obu. Głównie jest to wyzwanie związane z PCB, ale powtarzające się cykle termiczne w regionach płyty o dużym niedopasowaniu mogą prowadzić do deformacji komponentów, szczególnie w obudowach z organicznego substratu i w BGA. Zrozumienie komponentów na twojej płytce może pomóc ci zidentyfikować, które części będą miały mniejsze szanse na defekty montażowe podczas produkcji lub poprawek.

Kiedy potrzebujesz określić swoje wymagania projektowe i produkcyjne oraz przygotować płytę do produkcji, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer^®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.

Zobacz Altium w akcji...

Mocne projektowanie PCB