Можно ли исправить искривленную печатную плату?

Прежде чем мы углубимся в эту статью, я дам вам простой ответ. Вероятно, вы не сможете исправить деформацию вашей печатной платы после ее изготовления. Вы можете предотвратить деформацию недеформированной платы во время сборки, но только если материалы были выбраны правильно и плата установлена в рефлоу корректно.

Мы рассмотрим некоторые из этих моментов в этой статье, и я изучу некоторые пункты, которые могут помочь вам восстановить деформированную плату. Обратите внимание, что исправление деформации на несобранной печатной плате - это сложная задача, требующая нагрева и прессования платы выше ее температуры стеклования. Если вы индивидуальный разработчик и получили партию голых печатных плат или собранных плат от производителя, их не исправить. Лучше их утилизировать. Я объясню почему позже в этой статье.

Как предотвратить деформацию печатной платы

Прежде чем рассматривать предотвращение деформации печатной платы, давайте посмотрим на некоторые причины деформации:

• Смешанная ориентация на панели: Соблазнительно ориентировать платы так, чтобы ориентация на панели была смешанной, чтобы количество плат на панели было максимизировано.
• Несоответствие КТР и Tg между слоями: Когда эти значения не совпадают, на определенных слоях накапливается напряжение, что приводит к их деформации и созданию перекоса.
• Асимметричное расположение слоев: Если в дополнение к несоответствию КТР и Tg присутствует значительная асимметрия в расположении слоев, эта асимметрия создает плоскостное напряжение на некоторых слоях, что приводит к перекосу.
• Переплавка/волновая пайка: Повторяющиеся циклы с чрезмерной переплавкой, волновой и доработочной пайкой могут вызвать накопление перекоса. Также зажимание плат может вызвать перекос во время пайки.

Это некоторые из основных причин перекоса платы, которые должны быть учтены конструктором и производителем.

Проектирование с учетом размера панели

Иногда у вас не всегда есть возможность это сделать, но важно учитывать это с точки зрения производительности и выхода годного. Если вы можете спроектировать свои платы таким образом, чтобы они не требовали смешанной ориентации, тогда вы не подвергнете себя риску перекоса. Смешанная ориентация плат на панели приведет к тому, что некоторые платы не будут ориентированы вдоль длинной оси волокна стеклотекстолита и длинного края панели.

Большую часть времени это не является проблемой. Однако, если не соблюдать одно из указанных ниже руководств, смешанная ориентация может сделать некоторые платы более подверженными короблению. В результате некоторые платы могут искривиться, в то время как другие платы в том же панеле не будут. Если вам необходимо спроектировать плату, игнорируя некоторые из указанных ниже рекомендаций, вы должны попытаться ориентировать те платы, которые подвержены короблению, так, чтобы они могли находиться в одной и той же ориентации в панели, если это возможно, то есть с длинным краем платы вдоль длинного края панели.

Согласование Материалов в Слоистой Структуре

Здесь дизайнеру придется работать с производителем, чтобы убедиться, что плата может быть изготовлена в соответствии с техническими условиями и чтобы гарантировать, что плата не исказится в процессе производства. Если вы разрабатываете собственную слоистую структуру печатной платы и используете различные материалы, убедитесь, что значения Tg и значения CTE совместимы друг с другом. Другими словами, значения Tg и значения CTE при температуре, превышающей Tg, должны быть похожи.

Цель этого - предотвратить общее несоответствие значений CTE для всех материалов в структуре PCB. В общем, несоответствия CTE приводят к неравномерному расширению по всей структуре, что уже известно как причина проблем с надежностью во время эксплуатации, особенно трещин в сквозных отверстиях с высоким аспектным соотношением. Такие же типы несоответствий CTE следует избегать и при проектировании структуры.

Используйте медное покрытие симметрично

Это один из тех случаев, когда я видел, как старшие дизайнеры пытаются противоречить производителям, с которыми я работаю. Часто утверждается, что медное покрытие - единственный способ гарантировать, что плата будет изготовлена без искривлений. Хотя добиться полного отсутствия искривлений невозможно, можно добиться того, чтобы искривление платы не приводило к дефектам сборки. Медное покрытие - один из инструментов, который дизайнер может использовать для балансировки меди на противоположных слоях.

На самом деле медное покрытие может потребоваться только на противоположных слоях в структуре. Как пример, рассмотрим 6-слойную структуру. Ниже представлена простая схема SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR.

Если медное покрытие используется на слое 6, например, то его следует использовать и на слое 1. Если медное покрытие отсутствует на слое 3, то его также не следует использовать на слое 4. Это делает структуру слоев симметричной как с точки зрения материалов слоев, так и с точки зрения распределения меди. Важно понимать, что медное покрытие не требуется для обеспечения равномерного нагрева по всей структуре или для предотвращения деформации, но если вы используете медное покрытие, то стоит стремиться к его симметрии.

Эта структура слоев является расширением альтернативной 4-слойной структуры, но с двумя дополнительными слоями сигналов. Те же правила проектирования, что и в 4-слойной версии, применимы и к этой 6-слойной версии. Хорошей стратегией здесь будет использование медного покрытия на верхнем/нижнем слоях в качестве питания и/или земли по мере необходимости.

Ограничьте количество циклов пайки/переплавки

В идеале плата должна проходить только через два цикла переплавки (предполагая двустороннюю плату) и, возможно, один цикл пайки волной. Некоторые отрасли устанавливают лимит на количество допустимых циклов переплавки, пайки волной и ремонтных работ для печатной платы, чтобы обеспечить максимальную надежность маски пайки и предотвратить избыточное накопление напряжения между слоями, которое может привести к искривлению. Сборщики уже используют процедуры, которые они применяют для ограничения циклов переплавки, так что при условии правильного изготовления и сборки платы, это может не стать проблемой.

Не исправляйте плату во время пайки

Когда плата собирается, сначала устанавливаются компоненты, а затем плата отправляется в печь переплавки (для SMT). Когда плата попадает в печь, она нагревается до температуры, которая, как правило, выше значения Tg для большинства материалов (особенно для FR4-класса). Это вызывает расширение материалов в стеке платы, и они начинают оказывать друг на друга напряжение. Плата будет расширяться с разной скоростью в плоскости XY и вдоль оси z.

Проблема может возникнуть из-за расширения платы в плоскости XY. Если плата зажата в приспособлении во время пайки и ограничена в расширении, то напряжение передается вдоль оси Z из-за деформации. Это создаст большее напряжение в направлении оси Z, которое может постоянно деформировать печатную плату. Деформация будет хуже, когда разница в Tg и CTE между материалами стека больше. Поэтому, не зажимайте плату, пытаясь ограничить расширение, просто позвольте плате естественно расширяться и сжиматься во время пайки.

Можно ли исправить искривленную плату?

Если вы индивидуальный разработчик, вероятно, у вас нет доступа к прессу для исправления искривленной платы. Для производственных предприятий ситуация иная, и они могут, в теории, исправить искривленную печатную плату, нагрев и прессуя готовую плату.

Здесь предполагаемое решение заключается в нагреве платы выше значения Tg, так что смола в материалах стека ПП может течь. Как только эта температура достигнута и плата находится под давлением в течение некоторого времени. Для этого требуется большой, плоский металлический пресс, который может обеспечить равномерный нагрев всей печатной платы. После удержания под давлением приспособление и плата должны остыть естественным путем.

Проблема с этим заключается в том, что это по сути ускоряет старение защитной маски для пайки так же, как и повторное плавление платы. Защитная маска является полимером и может стареть так же, как и любой другой полимер, в конечном итоге становясь твердым и хрупким. Если эта мера должна быть реализована, то, вероятно, лучше всего это сделать до нанесения защитной маски, или же температура и время удержания должны быть ограничены.

Если у вас нет оборудования, не пытайтесь исправить это

Хотя я описал некоторые способы предотвращения и возможного исправления деформации, вы не должны пытаться исправить деформацию, если у вас нет необходимого оборудования. Это хорошее правило для индивидуального дизайнера, который зависит от своего производителя.

Если вы получили партию голых печатных плат от производителя, и все платы деформированы, вам следует позвонить производителю и потребовать возврата денег, вместо того чтобы пытаться исправить деформацию самостоятельно. Как я упоминал выше, исправление деформированной печатной платы требует пресса с равномерным нагревом, по сути, повторяя процесс ламинирования, используемый для создания стека.

Если вы получили собранную плату и искривление сильное, то следует списать сборку. К сожалению, скорее всего, не удастся спасти эти платы путем прессования, зажимания или изгибания. Если вы попытаетесь зажать или изогнуть собранные платы до тех пор, пока они не станут плоскими, вы создадите большое напряжение на паяных соединениях в сборке. Это может привести к тому, что паяные соединения треснут, и на плате появится множество разомкнутых контактов, которые не позволят ей нормально функционировать.

Если вы хотите убедиться, что ваш поставщик услуг по изготовлению или сборке выполнит работу правильно, убедитесь, что вы предоставили критерии квалификации. Это можно сделать в ваших производственных заметках. Ознакомьтесь с этой статьей для получения рекомендаций. Вы также можете скачать мои образцы производственных заметок по этой ссылке.

Когда вам нужно указать требования к производству и спроектировать вашу печатную плату так, чтобы предотвратить ее искривление, используйте полный набор инструментов для проектирования ПП в Altium Designer®. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.