Bạn Có Thể Sửa Chữa Một PCB Bị Cong Vênh Không?

Trước khi đi sâu vào bài viết này, tôi sẽ đưa ra câu trả lời đơn giản. Có lẽ bạn không thể sửa chữa tình trạng cong vênh trên PCB sau khi nó đã được sản xuất. Bạn có thể ngăn không cho một tấm bảng không bị cong vênh trở nên cong vênh trong quá trình lắp ráp, nhưng chỉ khi các vật liệu được chọn đúng cách và bảng được đưa vào lò tái hợp đúng cách.

Chúng tôi sẽ điểm qua một số vấn đề này trong bài viết này, và tôi sẽ xem xét một số điểm có thể giúp bạn khôi phục một tấm bảng bị cong vênh. Lưu ý rằng việc sửa chữa cong vênh trên một bảng mạch chưa lắp ráp là một công việc nâng cao, và nó đòi hỏi việc làm nóng và ép bảng ở nhiệt độ chuyển giao kính. Nếu bạn là một nhà thiết kế cá nhân, và bạn nhận được một lô bảng mạch trống hoặc bảng mạch đã lắp ráp từ nhà sản xuất, bạn không thể sửa chữa chúng. Tốt hơn hết là loại bỏ chúng. Tôi sẽ giải thích lý do sau trong bài viết này.

Cách Ngăn Chặn Cong Vênh trên PCB

Trước khi xem xét việc ngăn chặn cong vênh trên PCB, hãy xem xét một số nguyên nhân của tình trạng cong vênh:

• Hướng dẫn sắp xếp trên một tấm: Việc sắp xếp các bảng sao cho hướng dẫn trên một tấm được trộn lẫn để số lượng bảng trên mỗi tấm được tối đa hóa là điều hấp dẫn.
• Sự không khớp giữa CTE và Tg giữa các lớp: Khi những giá trị này không khớp nhau, sẽ có sự tích tụ căng thẳng trên một số lớp, khiến chúng bị biến dạng và tạo ra hiện tượng cong vênh.
• Chồng lớp không đối xứng: Nếu có sự không đối xứng lớn trong chồng lớp cộng với sự không khớp của CTE/Tg, sự không đối xứng sẽ tạo ra căng thẳng mặt phẳng trên một số lớp, dẫn đến hiện tượng cong vênh.
• Reflow/wave: Việc lặp đi lặp lại với quá trình reflow, wave, và chu kỳ sửa chữa quá mức có thể gây ra hiện tượng cong vênh tích tụ. Ngoài ra, việc kẹp các bảng mạch cũng có thể gây ra hiện tượng cong vênh trong quá trình hàn.

Đây là một số nguyên nhân chính gây ra hiện tượng cong vênh trên bảng mạch mà nhà thiết kế và nhà sản xuất cần giải quyết.

Thiết kế Theo Kích Thước Bảng

Đôi khi, bạn không luôn có đủ điều kiện để làm điều này, nhưng việc xem xét điều này rất quan trọng cho mục đích năng suất và hiệu suất. Nếu bạn có thể thiết kế các bảng mạch của mình sao cho chúng không yêu cầu sự sắp xếp hỗn hợp, thì bạn sẽ không đặt mình vào nguy cơ bị cong vênh. Sự sắp xếp hỗn hợp của các bảng mạch trong một bảng sẽ khiến một số bảng mạch không được sắp xếp theo trục dài của sợi thủy tinh và cạnh dài của bảng.

Phần lớn thời gian, điều này không phải là vấn đề. Tuy nhiên, nếu một trong những hướng dẫn dưới đây không được tuân theo, việc phối hợp hướng khác nhau có thể khiến một số tấm mạch dễ bị cong vênh hơn. Kết quả là một số tấm mạch có thể bị cong, trong khi những tấm mạch khác trong cùng một panel thì không. Nếu bạn phải thiết kế một tấm mạch mà bỏ qua một số hướng dẫn dưới đây, bạn nên cố gắng sắp xếp những tấm mạch dễ bị cong vênh đó sao cho chúng có thể nằm cùng một hướng trong panel nếu có thể, tức là, với cạnh dài của tấm mạch dọc theo cạnh dài của panel.

Phối Hợp Vật Liệu trong Stackup

Đây là nơi mà nhà thiết kế sẽ phải làm việc với nhà sản xuất để đảm bảo tấm mạch có thể được sản xuất theo đặc tả và để đảm bảo tấm mạch không bị cong vênh trong quá trình sản xuất. Nếu bạn đang thiết kế stackup PCB của riêng mình và bạn đang phối hợp các vật liệu khác nhau, hãy đảm bảo rằng các giá trị Tg và các giá trị CTE tương thích với nhau. Nói cách khác, các giá trị Tg và các giá trị CTE khi nhiệt độ vượt quá Tg nên tất cả tương tự nhau.

Lý do cho điều này là để ngăn chặn sự không phù hợp chung về giá trị CTE cho tất cả các vật liệu trong bố cục PCB. Nói chung, sự không phù hợp CTE dẫn đến sự mở rộng không đồng đều trong toàn bộ bố cục, điều này đã được biết là tạo ra các vấn đề đáng tin cậy trong quá trình hoạt động, đặc biệt là vỡ nứt ở các vias có tỷ lệ khía cạnh cao. Cùng một loại sự không phù hợp CTE cũng nên được tránh trong thiết kế bố cục.

Sử dụng Đổ Đồng Đối Xứng

Đây là một trong những trường hợp mà tôi đã thấy các nhà thiết kế lâu năm cố gắng mâu thuẫn với các nhà sản xuất mà tôi làm việc. Đổ đồng thường được trích dẫn là cách duy nhất để đảm bảo rằng bảng mạch sẽ được sản xuất mà không có sự cong vênh. Mặc dù bạn không bao giờ có thể loại bỏ hoàn toàn sự cong vênh, bạn có thể giảm nó xuống mức độ mà sự cong vênh của bảng mạch không tạo ra lỗi lắp ráp. Đổ đồng là một trong những công cụ mà một nhà thiết kế có thể sử dụng để cân bằng đồng trên các lớp đối diện.

Thực tế là việc đổ đồng có thể chỉ được yêu cầu trên các lớp đối diện trong bố cục. Chỉ là một ví dụ, xem xét một bố cục 6 lớp. Hình dưới đây cho thấy một sắp xếp đơn giản SIG+PWR/GND/SIG/SIG/GND/SIG+PWR.

Nếu đổ đồng được sử dụng trên Lớp 6, chẳng hạn, thì bạn cũng nên sử dụng nó trên Lớp 1. Nếu đổ đồng không có mặt trên Lớp 3, thì nó cũng không nên được sử dụng trên Lớp 4. Điều này làm cho cấu trúc xếp chồng trở nên đối xứng về mặt vật liệu lớp và về mặt phân phối đồng. Điểm quan trọng ở đây là việc đổ đồng không được yêu cầu để đảm bảo sưởi ấm đều khắp cấu trúc xếp chồng hoặc để ngăn chặn sự cong vênh, nhưng nếu bạn sử dụng đổ đồng, thì bạn nên cố gắng làm cho nó đối xứng.

Cấu trúc xếp chồng này là sự mở rộng của một cấu trúc xếp chồng 4 lớp thay thế nhưng với thêm hai lớp tín hiệu. Các quy tắc thiết kế trong phiên bản 4 lớp cũng áp dụng cho phiên bản 6 lớp này. Một chiến lược tốt ở đây là chỉ sử dụng đổ đồng trên các lớp trên/cùng dưới làm nguồn điện và/hoặc mặt đất khi cần thiết.

Hạn chế Số Lần Chu kỳ Sóng/Reflow

Lý tưởng nhất, bảng mạch chỉ nên trải qua hai chu kỳ tái nấu (giả sử cho một bảng mạch hai mặt), và có thể một chu kỳ sóng. Một số ngành công nghiệp sẽ quy định giới hạn số lượng tái nấu, sóng, và chu kỳ sửa chữa cho một PCB để đảm bảo độ tin cậy tối đa của lớp mặt nạ hàn và để ngăn chặn sự tích tụ căng thẳng quá mức giữa các lớp có thể dẫn đến việc bảng mạch bị cong vênh. Các nhà lắp ráp đã có các quy trình họ sử dụng để hạn chế chu kỳ tái nấu, vì vậy miễn là bảng mạch được xây dựng và lắp ráp đúng cách, điều này có thể không phải là vấn đề.

Không Sửa Chữa Bảng Mạch Trong Quá Trình Hàn

Khi một bảng mạch đang được lắp ráp, các linh kiện được đặt trước, sau đó bảng mạch được gửi vào lò tái nấu (cho SMT). Khi bảng mạch vào lò, nó nóng lên đến nhiệt độ thường cao hơn giá trị Tg cho hầu hết các vật liệu (đặc biệt là cấp FR4). Điều này khiến các vật liệu trong cấu trúc PCB bắt đầu giãn nở, và chúng bắt đầu tạo ra áp lực lẫn nhau. Bảng mạch sẽ giãn nở ở các tốc độ khác nhau trên mặt phẳng XY và dọc theo trục z.

Vấn đề có thể xuất phát từ sự giãn nở trên mặt phẳng XY của bảng mạch. Nếu bảng mạch được kẹp vào một thiết bị cố định trong quá trình hàn và bị hạn chế không cho giãn nở, lực căng này sẽ được truyền dọc theo hướng trục z do biến dạng. Điều này sẽ tạo ra nhiều áp lực hơn theo hướng trục z có thể làm biến dạng vĩnh viễn PCB. Sự biến dạng sẽ tồi tệ hơn khi có sự không khớp lớn hơn về Tg và CTE giữa các vật liệu xếp chồng. Do đó, không nên kẹp bảng mạch để cố gắng hạn chế sự giãn nở, chỉ cần cho phép bảng mạch giãn nở và co lại một cách tự nhiên trong quá trình hàn.

Bảng Mạch Bị Cong Có Thể Được Ép Lại Không?

Nếu bạn là một nhà thiết kế cá nhân, có lẽ bạn không có quyền truy cập vào một máy ép để sửa chữa một bảng mạch bị cong. Các xưởng sản xuất là một vấn đề khác, và họ có thể khái niệm được việc làm thẳng lại một PCB bị cong bằng cách nung nóng và ép bảng mạch đã hoàn thành.

Ở đây, giải pháp được đề xuất là làm nóng bảng mạch trên giá trị Tg để nhựa trong các vật liệu xếp chồng của PCB có thể chảy. Một khi nhiệt độ này được đạt tới và bảng mạch được giữ dưới áp lực trong một khoảng thời gian. Điều này đòi hỏi một máy ép kim loại lớn, phẳng có thể cung cấp sự nung nóng đồng đều cho toàn bộ PCB. Sau khi giữ dưới áp lực, thiết bị và bảng mạch nên được cho phép làm mát một cách tự nhiên.

Vấn đề ở đây là việc này cơ bản làm già đi lớp mặt nạ hàn giống như quá trình tái lưu hóa bảng mạch. Lớp mặt nạ hàn là một loại polymer và nó có thể già đi giống như bất kỳ loại polymer nào khác, cuối cùng trở nên cứng và giòn. Nếu giải pháp này được thực hiện, có lẽ tốt nhất là làm điều này trước khi áp dụng lớp mặt nạ hàn, hoặc nhiệt độ và thời gian giữ nên được hạn chế.

Nếu Bạn Không Có Thiết Bị, Đừng Cố Sửa Chữa

Trong khi tôi đã trình bày một số cách có thể ngăn chặn và có thể sửa chữa sự cong vênh, bạn không nên cố gắng sửa chữa sự cong vênh nếu bạn không có thiết bị cần thiết. Đây là một nguyên tắc tốt cho nhà thiết kế cá nhân, người phụ thuộc vào nhà sản xuất của họ.

Nếu bạn nhận được một lô bảng mạch trống từ nhà sản xuất, và tất cả các bảng mạch đều bị cong vênh, bạn nên gọi cho nhà sản xuất và yêu cầu hoàn tiền thay vì cố gắng tự sửa chữa sự cong vênh. Như tôi đã đề cập ở trên, việc sửa chữa một PCB bị cong vênh đòi hỏi một máy ép với sự gia nhiệt đồng đều, cơ bản tái tạo quá trình lamination được sử dụng để xây dựng stackup.

Nếu bạn nhận được một bảng mạch đã lắp ráp, và tình trạng cong vênh nghiêm trọng, thì bạn nên loại bỏ bộ lắp ráp đó. Thật không may, nhưng hầu như sẽ không có cách nào để cứu những tấm bảng đó bằng cách ép, kẹp hoặc uốn. Nếu bạn cố gắng kẹp hoặc uốn các bảng mạch đã lắp ráp cho đến khi chúng phẳng, bạn sẽ tạo ra rất nhiều áp lực lên các mối hàn trong bộ lắp ráp. Điều này có thể khiến các mối hàn bị nứt, và bảng mạch giờ đây sẽ có một loạt các kết nối hở ngăn cản hoạt động đúng cách.

Nếu bạn muốn đảm bảo nhà cung cấp dịch vụ gia công hoặc lắp ráp của bạn sẽ thực hiện công việc một cách chính xác, hãy chắc chắn bạn cung cấp tiêu chí đủ điều kiện. Điều này có thể được thực hiện trong ghi chú gia công của bạn. Hãy xem bài viết này để được hướng dẫn. Bạn cũng có thể tải xuống ghi chú gia công mẫu của tôi từ liên kết này.

Khi bạn cần chỉ định các yêu cầu sản xuất và thiết kế bảng mạch của mình để ngăn chặn tình trạng cong vênh, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề nổi của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.