Основні причини викривлення друкованої плати та способи їх усунення

Оскільки виробництво та складання друкованих плат стає дедалі складнішим, розуміння та запобігання викривленню друкованих плат є життєво важливим для забезпечення високоякісних надійних продуктів. Викривлення друкованих плат може призвести до дефектних компонентів, збоїв у паянні, несумісності та, зрештою, до значних витрат. Маючи понад 20 років досвіду, Highleap Electronic розробив перевірені рішення для зменшення викривлення та підвищення якості виробництва. У цьому вичерпному посібнику ви ознайомитеся з основними причинами викривлення друкованої плати, ефективними рішеннями та профілактичними заходами, щоб ваші проекти залишалися на правильному шляху.

Що таке PCB Warpage?

Викривлення друкованої плати стосується будь-якої деформації, яка спричиняє втрату друкованою платою своєї запланованої плоскої форми. Деформація виникає, коли внутрішні напруги, часто термічні або механічні, спричиняють згинання, скручування або деформацію друкованої плати. Деформовані дошки можуть мати видимі деформації, такі як викривлення, викривлення або скручування, що може негативно вплинути на функціональність встановлених компонентів.

Основна проблема з викривленням полягає в тому, що це може призвести до неправильного розташування компонентів, поломки паяних з’єднань і поганих електричних з’єднань, що спричинить проблеми з роботою кінцевого продукту. Тому запобігання викривленню друкованої плати та керування ним є критично важливим у високопродуктивній електроніці.

Чому викривлення друкованої плати викликає занепокоєння у виробників?

Викривлення друкованої плати — це більше, ніж просто естетична проблема — це критична проблема, яка може призвести до кількох серйозних проблем під час виробництва, складання та експлуатації електронних пристроїв. Деформація друкованих плат може погіршити якість продукції, збільшити витрати та затримати терміни виконання проекту. Нижче наведено кілька детальних пояснень основних причин, чому викривлення друкованої плати викликає занепокоєння у виробників:

1. Зміщення компонентів

Коли друкована плата деформується, це може призвести до неправильного розташування компонентів, розміщених на її поверхні. Це зміщення є особливо проблематичним для пристроїв для поверхневого монтажу (SMD) і компонентів матриці з кульковою сіткою (BGA), які потребують точного позиціонування для належного паяння. Деформовані плати можуть призвести до того, що компоненти будуть зміщуватися зі своїх призначених положень під час процесу пайки. Цей зсув може спричинити:

• Короткі замикання: Невідповідні компоненти можуть призвести до ненавмисних електричних з’єднань між слідами.
• Розімкнуті ланцюги: Компоненти, які неправильно вирівняні, можуть не контактувати з контактними майданчиками друкованої плати, що спричинить неповність схеми.
• Погані паяні з'єднання: Невідповідність може призвести до нерівних або холодних паяних з’єднань, які з часом більш схильні до поломки.

Ці проблеми не тільки впливають на електричні характеристики друкованої плати, але й збільшують ймовірність виходу з ладу виробу, особливо в таких критичних додатках, як медичні пристрої, автомобільна електроніка чи аерокосмічна технологія.

2. Помилки пайки

Деформація друкованої плати може суттєво порушити процес пайки, особливо при пайці оплавленням і пайці хвилею, які покладаються на те, що плата залишається плоскою для належного розподілу тепла. Коли друкована плата деформується під час цих процесів, це може спричинити кілька несправностей, пов’язаних із паянням:

• Нерівномірний нагрів: Деформовані дошки можуть спричинити нагрівання певних ділянок швидше або повільніше, ніж інші. Цей температурний дисбаланс може призвести до неповного спаювання компонентів.
• Невідповідні паяні з’єднання: Паяні з’єднання, які не нагріті рівномірно, можуть не сформуватися належним чином, що призведе до слабких з’єднань або пустот усередині припою. Ці проблеми можуть спричинити погану електропровідність і механічну стабільність, що зрештою призведе до поломки продукту.
• З'єднання холодного паяння: Якщо припій не розплавиться рівномірно, це може призвести до холодних з’єднань — припій, який не повністю розплавився та не з’єднався з прокладкою. Ці з’єднання особливо схильні до розтріскування під навантаженням і можуть призвести до повного виходу з ладу схеми.

Результатом часто є потреба в переробці, що затримує виробництво та збільшує витрати на виробництво.

3. Питання монтажу

Автоматизовані складальні лінії, такі як забиральні машини та технологія поверхневого монтажу (SMT), призначені для роботи з плоскими друкованими платами. Викривлені дошки ускладнюють цей процес, що призводить до кількох неефективних операцій:

• Помилки розміщення: Машини для встановлення та розміщення можуть мати труднощі з підняттям або точним розміщенням компонентів на деформованих панелях, що призводить до неправильного розміщення компонентів.
• Проблеми з годуванням: Викривлені дошки можуть спричинити проблеми з вирівнюванням в автоматичних дозаторах, що призводить до частих зупинок машини та перерв у виробничій лінії.
• Знижена пропускна здатність: Деформовані друковані плати можуть уповільнити процес складання, вимагаючи ручного втручання та збільшення часу циклу для кожної плати. Це не тільки знижує продуктивність, але й збільшує витрати на оплату праці та уповільнює час виходу на ринок.

Зрештою, автоматизоване складання стає менш ефективним, що призводить до довшого часу виготовлення та зниження загальної продуктивності. Це впливає на здатність виробника дотримуватись термінів замовника та конкурентоспроможних цін.

4. Збільшення витрат

Одним із найбільш значущих наслідків викривлення друкованої плати є збільшення витрат, пов’язаних із усуненням дефектів, які воно викликає:

• Переробка: Деформовані друковані плати часто потребують доопрацювання, наприклад повторної пайки або ручного регулювання компонентів, щоб виправити дефекти пайки. Цей процес потребує часу, збільшує трудовитрати та може потребувати додаткових матеріалів.
• Скрап: Якщо викривлення призводить до надмірного зсуву або невиправних дефектів, можливо, доведеться викинути всю друковану плату. Це призводить до матеріальних втрат і прямих фінансових втрат.
• Вищі виробничі витрати: Щоб мінімізувати викривлення, виробникам може знадобитися запровадити додаткові перевірки якості, більш ретельний контроль температури під час обробки та використання більш досконалих матеріалів, що збільшує загальну вартість виробництва.

Поєднання переробки, утилізації та подовженого часу виробництва сприяє підвищенню вартості одиниці, що в кінцевому підсумку знижує норму прибутку.

5. Операційні збої

Навіть після того, як друкована плата пройшла процес складання, деформація може спричинити збої в роботі, що вплине на довговічність і надійність продукту:

• Компонент Стрес: Деформовані друковані плати піддають компоненти надмірному механічному навантаженню, особливо в місцях, де плата згинається або скручується. З часом ця напруга може спричинити втомні руйнування паяних з’єднань і тріщини в компонентах, що призведе до передчасного виходу з ладу.
• Проблеми теплового розширення: У продуктах, які під час роботи піддаються коливанням температури, викривлення може погіршитися, оскільки матеріали друкованої плати розширюються та стискаються. Якщо друкована плата деформується під час використання, це може погіршити наявні електричні з’єднання, що призведе до виходу плати з ладу в робочих умовах.
• Знижена надійність: Викривлені плати мають вищий шанс вийти з ладу в суворих умовах (екстремальні температури, вібрація тощо), що може призвести до значних проблем із контролем якості в галузях промисловості, які покладаються на застосування з високою надійністю, як-от авіакосмічна, автомобільна чи медична промисловість.

Експлуатаційні збої, які виникають після того, як друкована плата залишила конвеєр, можуть призвести до відкликання продукції, що може коштувати дуже дорого з точки зору як грошей, так і репутації.

Поширені причини викривлення друкованої плати

Деформація друкованої плати є широко поширеною проблемою, яка впливає на якість і функціональність електронних пристроїв. Деформація може призвести до різноманітних проблем із експлуатацією та складанням, у тому числі до поганого вирівнювання компонентів, збоїв паяння та збільшення виробничих витрат. Нижче ми глибше заглибимося в основні причини викривлення друкованої плати, досліджуючи, як властивості матеріалу, термічні напруги, механічні напруги та конструктивні фактори впливають на проблему.

1. Властивості матеріалу

Матеріали, які використовуються для виготовлення друкованої плати, відіграють значну роль у її схильності до деформації. Мідь і скловолокно (FR-4) є двома основними матеріалами, які мають різні коефіцієнти теплового розширення (КТР), що є показником того, наскільки матеріал розширюється або стискається під впливом температурних змін.

• Мідь проти FR-4: мідь, яка використовується для провідних ліній, має набагато нижчий КТР, ніж FR-4, підкладка зі скловолокна. Це означає, що коли друкована плата піддається впливу тепла під час таких процесів, як пайка оплавленням, мідь розширюватиметься та стискатиметься з іншою швидкістю, ніж скловолокно, викликаючи внутрішні напруги. Ці відмінності в тепловому розширенні можуть призвести до викривлення, особливо якщо властивості матеріалу не є добре збалансованими в процесах проектування та виробництва.

Наприклад, у багатошарових друкованих платах, де кілька шарів різних матеріалів укладено в стопку, невідповідність КТР між міддю та іншими шарами може створити напругу між шарами, що призведе до того, що друкована плата з часом згинається або скручується.

Щоб запобігти викривленню, важливо вибрати матеріали з сумісними значеннями КТР або скоригувати конструкцію та виробничі процеси для врахування відмінностей.

2. Термічні напруги під час виробництва

Виробництво друкованих плат зазвичай передбачає вплив екстремальних температур, і термічні навантаження під час різних процесів можуть спричинити деформацію. Двома основними етапами, на яких виникають термічні напруги, є пайка оплавленням і вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL).

• Паяння відновлюють: Під час пайки оплавленням друкована плата нагрівається до високих температур, щоб розплавити паяльну пасту, що спричиняє розширення плати та її компонентів. Проблема виникає, коли після цього плата не охолоджується рівномірно. Якщо певні області охолоджуються швидше, ніж інші, розвиваються температурні градієнти, що призводить до викривлення. Навіть невелика невідповідність охолодження може призвести до значної деформації кінцевого продукту, особливо у великих плитах або складніших конструкціях.
• Вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL): У HASL друкована плата нагрівається до температури від 225°C до 265°C для нанесення припою, а потім швидко охолоджується. Цей швидкий процес нагрівання та охолодження викликає диференційоване розширення та звуження між різними шарами та компонентами, що призводить до термічної напруги та викривлення. Подібно до пайки оплавленням, нерівномірність підведення тепла під час цього процесу може значно сприяти викривленню.

Щоб усунути температурні навантаження, дуже важливо керувати профілями нагріву та швидкістю охолодження під час паяння, щоб забезпечити рівномірний розподіл температури на друкованій платі.

3. Механічні напруги

Механічні навантаження на етапах виробництва, транспортування та зберігання також можуть призвести до викривлення. Особливо це стосується тонких друкованих плат або плат із великою площею поверхні. Є кілька факторів, які можуть викликати механічні навантаження:

• Неналежне поводження: Неправильне поводження з друкованими платами під час виробництва, наприклад застосування надмірної сили під час процесу складання або під час тестування, може призвести до згинання або розтріскування плати. Це особливо проблематично для багатошарових або гнучких друкованих плат, де внутрішня напруга згину може спричинити деформацію.
• Надмірне укладання та умови зберігання: Неналежне зберігання друкованих плат може призвести до деформації. Коли дошки укладаються неправильно або не мають належної підтримки, вага дощок вище може спричинити вигин або провисання нижніх шарів, особливо якщо дошки надто тонкі. Вологість також відіграє певну роль — волога, що вбирається всередину Матеріал друкованої плати може розширюватися під час процесів нагрівання, що ще більше сприяє деформації.

Щоб уникнути механічного викривлення, виробники повинні забезпечити дотримання належних методів поводження протягом усього процесу та зберігати друковані плати в сприятливих умовах з достатнім простором і контролем вологості.

4. Фактори дизайну

Сама конструкція друкованої плати може значно вплинути на ймовірність її деформації. Асиметричні конструкції або конструкції з нерівномірним розподілом міді можуть створювати термічні напруги, що призводять до викривлення. Ось деякі основні причини викривлення, пов’язані з дизайном:

• Нерівномірний розподіл міді: Якщо одна сторона друкованої плати містить значно більше міді, ніж інша, цей дисбаланс спричинить нерівномірне розширення та стиснення плати під впливом температурних змін. Це може призвести до згинання або скручування друкованої плати. Наприклад, якщо один шар має щільні мідні сліди (наприклад, для областей з високою потужністю), тоді як протилежний шар має дуже мало мідних слідів, більш гаряча сторона зазнає більшого розширення, що призведе до викривлення друкованої плати.
• Великі площі поверхні без підтримки: друковані плати з великою поверхнею без опори можуть деформуватися через недостатнє структурне посилення, щоб урівноважити сили, спричинені нагріванням. Коли дошка піддається впливу високих температур, вона може провиснути в середині або вздовж країв, якщо немає міді або матеріалу, який підтримує її форму.
• Складні ламінатні конструкції: Плати зі складною структурою ламінату, такі як ті, що використовуються в платах з’єднання високої щільності (HDI) або багатошарових конструкціях, більш схильні до деформації, якщо шари не симетрично збалансовані. Будь-яка невідповідність у товщині шарів, кількості міді на кожному шарі або препрегу між шарами може з часом спричинити викривлення.

Щоб пом’якшити викривлення через конструктивні фактори, важливо збалансувати розподіл міді, підтримувати симетричні структури шарів і ретельно контролювати розміщення матеріалів, щоб забезпечити рівномірне розширення та звуження.

Деформація друкованої плати є складною проблемою, яка пов’язана з багатьма факторами, включаючи властивості матеріалу, температурні навантаження, механічні навантаження та недоліки конструкції. Розуміючи ці причини, виробники можуть вжити необхідних заходів для мінімізації викривлення шляхом кращого вибору матеріалів, оптимізації виробничих процесів і продуманого дизайну. Це призведе до вищої якості продукції, зменшення браку та зниження витрат, пов’язаних із переробкою та браком.

5 основних профілактичних заходів для викривлення друкованої плати та їх технічна логіка

1. Дизайн мідного балансу: золоте правило

Незбалансований розподіл міді між верхнім і нижнім шарами друкованої плати може спричинити викривлення через диференціальне теплове розширення. Реальним прикладом цього є шестишарова друкована плата, яка зазнала деформації на 0.6 мм, оскільки верхній шар мав 70% покриття міддю, а нижній – лише 20%. Цей дисбаланс створював значні термічні навантаження під час процесу пайки.

Стандарти дизайну Highleap:

• Різниця щільності міді ≤ 15%: Щоб запобігти термічному стресу, щільність міді між сусідніми шарами повинна бути збалансованою. Це гарантує, що обидві сторони плати однаково розширюються та стискаються під впливом тепла.
• Симетрія товщини шару: Різниця товщини між шарами повинна бути менше 5%. Будь-яка значна зміна може призвести до внутрішньої напруги, що призведе до викривлення.
• Псевдомідна начинка: Щоб ще більше збалансувати теплове розширення, ми застосовуємо технологію «псевдомідного заповнення», яка допомагає більш рівномірно розподіляти тепло по друкованій платі, запобігаючи надмірній деформації під час процесу пайки.

Забезпечуючи баланс міді, друковані плати краще витримують термічні навантаження під час виробничого процесу.

2. Вибір матеріалу: принцип відповідності 3D CTE

Коефіцієнт теплового розширення (КТР) відіграє вирішальну роль у визначенні того, як матеріали реагуватимуть на зміни температури. Розбіжності в CTE між різними матеріалами, що використовуються в друкованій платі, можуть призвести до викривлення. Highleap створив повну базу даних CTE для визначення поєднань матеріалів, які мінімізують термічні навантаження.

• Стандартний FR4 має КТР X/Y 13-15 ppm/°C і Z 60-70 ppm/°C, тобто він значно розширюється та звужується вздовж осі Z.
• Модифікована епоксидна смола має CTE по осі Z, знижений до 40 ppm/°C, що допомагає зменшити загальну невідповідність розширення в багатошарових плитах.

Рекомендація Highleap: Для плат із компонентами BGA (Ball Grid Array) або дизайном з високою щільністю ми рекомендуємо використовувати Arlon 85HT. Цей матеріал має КТР по осі Z 35 ppm/°C, що значно зменшує різницю теплового розширення між шарами та зменшує ризик викривлення під час змін температури.

Вибір матеріалів із сумісними значеннями CTE забезпечує кращу термічну стабільність і зменшує ймовірність викривлення друкованої плати.

3. Контроль напруги в процесі ламінування

Процес ламінування є одним із найважливіших етапів у виробництві друкованих плат, де неправильний контроль температури та тиску може призвести до викривлення. Основні параметри, що впливають на короблення під час ламінування, включають швидкість нагрівання та тиск ламінування. Дослідження показують, що близько 80% проблем з деформацією на ранній стадії виникають через неправильне ламінування.

• Коефіцієнт нагріву: ми контролюємо підвищення температури під час процесу ламінування зі швидкістю 2-3°C/хв, щоб запобігти термічному удару, який може спричинити стрес.
• Тиск ламінування: Регулювання тиску ламінування на основі потоку смоли препрегу забезпечує рівномірний тиск по всій дошці. Ми регулюємо тиск до 300-400 psi для досягнення оптимальних результатів.

Запатентована технологія Highleap: наш процес сегментованого вакуумного ламінування усуває понад 90% пустот смоли, забезпечуючи рівномірний розподіл смоли та зменшуючи ймовірність внутрішнього напруження та викривлення.

Контролюючи параметри ламінування, ми забезпечуємо рівномірне з’єднання шарів, запобігаючи виникненню короблення.

4. Контроль точності в процесі випічки

Правильне випікання друкованих плат має важливе значення для видалення вологи та забезпечення затвердіння смоли. Однак поширеною помилкою є те, що випікання при 120°C протягом чотирьох годин достатньо для всіх дощок, що може бути неточним.

Науковий метод випічки:

• Для дощок ≤ 1.0 мм: Випікайте при 125°C × (товщина плити × 1.2) годин, щоб забезпечити належне видалення вологи та затвердіння смоли.
• Для дощок ≥ 2.4 мм: Поступово підвищуйте температуру до 150°C і витримуйте її протягом (товщина плити × 0.8) годин, щоб запобігти викривленню товстіших плит через вологу.

Перевага обладнання Highleap: Наші печі зі зворотним зв’язком вологості постійно контролюють рівень вологості в друкованій платі, гарантуючи, що вміст вологи постійно підтримується нижче 0.05%. Це забезпечує кращий контроль над процесом затвердіння та зменшує викривлення, викликане розширенням вологи під час наступних етапів виробництва.

Точний контроль над процесом випікання гарантує мінімізацію викривлення, пов’язаного з вологою.

5. Спільна оптимізація процесів складання

Окрім етапів проектування та виробництва, також необхідно оптимізувати процеси складання, щоб мінімізувати наслідки викривлення. Під час складання SMT (технологія поверхневого монтажу) деформація може вплинути на розміщення та спаювання компонентів, що призведе до дефектів. Для вирішення цієї проблеми необхідна спільна оптимізація.

• Температурна крива RSS проти RTS: Використовуючи температурні криві RSS (Рампа до витримки пайки), ми зменшуємо викривлення на 35% порівняно з традиційними кривими RTS (Рампа до температури).
• Прорізи в несучих пристосуваннях: Додавання щілинних конструкцій у несучі кріплення зменшує концентрацію термічної напруги на 60%, що допомагає підтримувати рівність друкованої плати під час складання.

Додаткова послуга Highleap: Ми пропонуємо індивідуальну підтримку розробки профілів, щоб допомогти нашим клієнтам оптимізувати параметри температури та процесу для їхніх конкретних конструкцій друкованих плат. Ця спеціальна підтримка забезпечує краще вирівнювання та менше проблем зі складанням через деформацію.

Оптимізація процесів складання в поєднанні з проектуванням і виробництвом гарантує, що деформація не порушить кінцеві етапи виробництва.

Впроваджуючи ці п’ять основних профілактичних заходів, виробники можуть ефективно усунути основні причини викривлення друкованих плат. Поєднання збалансованої мідної конструкції, ретельного вибору матеріалу, ламінування з контрольованим навантаженням, точного запікання та оптимізованих процесів складання значно знижує ризик викривлення, забезпечуючи якісніші та надійніші друковані плати.

Ремонт PCB Warpage

У випадках деформації можна використовувати кілька методів, щоб вирівняти дошку. Ці методи варіюються від простого механічного вирівнювання до більш складної термічної обробки:

1. Роликовий вирівнювач

Для помірного викривлення друковану плату можна пропустити через роликовий вирівнювач, який застосовує тиск, щоб вирівняти плату. Це звичайне рішення на ранніх стадіях виробництва.

2. Гаряче та холодне пресування

Для більш сильного викривлення гаряче пресування є більш ефективним рішенням. У цьому процесі деформована друкована плата нагрівається та пресується, щоб усунути внутрішні напруги та повернути їй плоску форму.

3. Сплющування лукової форми

Сплющування форми в дузі — це спеціальна техніка, коли викривлену друковану плату поміщають у форму, яка згинає друковану плату в протилежному напрямку. Потім друкована плата нагрівається, щоб смола розслабилася та повернула плату до плоского стану.

Висновок: мінімізація короблення друкованої плати за допомогою Highleap Electronic

Запобігання та ремонт короблення друкованої плати вимагає глибокого розуміння властивостей матеріалу, термічної динаміки та принципів конструкції. У Highleap Electronic ми використовуємо понад 20 років досвіду та передові технології, щоб гарантувати, що ваші друковані плати виготовляються з мінімальною деформацією, оптимізуючи продуктивність і знижуючи виробничі витрати.

Якщо ви постійно стикаєтеся з проблемами деформації на своїй виробничій лінії, настав час співпрацювати з Highleap Electronic. Зв'яжіться з нами сьогодні, щоб:

• Безкоштовний аналіз деформації
• Індивідуальні матеріальні рішення
• Техніко-економічні обґрунтування виробництва

Наша команда експертів готова допомогти вам переконатися, що ваші друковані плати залишаються плоскими, надійними та готовими до складання. Зв’яжіться з надійним партнером, щоб вирішити проблеми з деформацією.