Curvatura e torsione del PCB: cause, misurazione e prevenzione

Introduzione

Curvature e torsioni sono comuni problemi di produzione di PCB che possono influire sulla precisione di assemblaggio e sull'affidabilità dei prodotti. È importante comprenderne le cause, la misurazione e la prevenzione per produrre schede di qualità e uniformi. Questa guida vi illustra tutto ciò che dovete sapere su curvature e torsioni dei PCB in termini di idee progettuali e linee guida di settore per consentirvi di progettare con il minimo sforzo. Deformazione del PCB effetti nei tuoi progetti.

Cosa sono i concetti di "bow" e "twist" nei PCB?

Nei PCB, curvature e torsioni si verificano quando la scheda perde la sua planarità, con un impatto sull'assemblaggio e sulle prestazioni. Questi problemi sono associati a materiali intrinseci ed estrinseci in fase di post-produzione o pre-produzione. Conoscere queste cause aiuta a evitare la deformazione del PCB nelle fasi iniziali. Il processo di produzione di PCBTok è molto rigoroso per raggiungere specifiche di planarità e precisione.

Cause intrinseche di curvatura e torsione durante la produzione e la progettazione

Curvatura e torsione sono le deviazioni causate quando l'oggetto prodotto presenta difetti ed errori commessi durante la produzione e la progettazione. Le cause tipiche sono un guasto della pressa di laminazione, l'utilizzo di prepreg a strati incrociati quando non necessario e una distribuzione non uniforme del rame. Tali forze generano tensioni negli strati che causano deformazioni. La scelta accurata dei materiali e l'accumulo simmetrico in fase di progettazione contribuiscono a ridurre al minimo la deformazione intrinseca.

Curvatura e torsione estrinseche: forze esterne sulla planarità del PCB

Dopo la laminazione, si verificano curvature e torsioni estrinseche a causa di forze esterne. Questi problemi sono solitamente causati dalla manipolazione, dall'esposizione al calore durante il processo di polimerizzazione e da procedure che comportano trattamenti chimici come HASL or saldatura a rifusioneI problemi di planarità possono essere aggravati dalla deformazione meccanica durante l'assemblaggio. Identificare i rischi aiuta a intraprendere le azioni correttive appropriate ed evitare la deformazione del PCB a lungo termine.

Perché è importante la planarità del PCB?

I PCB piatti svolgono un ruolo cruciale nella fase iniziale della produzione, a partire dal prodotto finito. Il disallineamento sulla macchina può essere causato anche da una leggera piegatura o torsione e può causare difetti di saldatura. Quando le schede si deformano durante il processo di assemblaggio ad alta velocità, possono incepparsi sui nastri trasportatori o i piccoli componenti possono essere posizionati in modo errato. In questo caso, potrebbe essere impossibile inserire il PCB nel suo case. Assicurandoti che le tue schede siano piatte, eviti costose rilavorazioni e ritardi.

Quando il PCB non è perfettamente livellato, ciò influisce su ogni fase del processo. La stampa della pasta saldante, in questo caso, porta anche a depositi errati della stessa a causa della superficie irregolare. Nel pick-and-place, componenti come gli 0402 potrebbero disallinearsi. Anche le schede deformate potrebbero bloccarsi nei sistemi di caricamento, interrompendo la linea di produzione. Una curvatura o una torsione del prodotto finale possono causare problemi nel serraggio delle viti o nella chiusura degli alloggiamenti. Per questo motivo, è importante gestire la planarità fin da subito e a intervalli regolari.

Quali sono le cause della curvatura e della torsione dei PCB?

Le tensioni interne, insieme agli squilibri nei materiali e persino alle forze esterne durante la produzione/assemblaggio, causano curvature e torsioni. Accumuli asimmetrici e distribuzioni irregolari del rame giocano un ruolo importante. Il rischio aumenta anche con l'umidità, il riscaldamento rapido e una manipolazione scorretta. Conoscere questi fattori vi aiuterà a produrre PCB più piatti e stabili.

Mancanza di uniformità nella distribuzione del rame: un importante fattore che causa la deformazione del PCB

Grandi piani di rame o tracce concentrate durante la loro fabbricazione possono causare un'espansione e una contrazione irregolari di vari materiali utilizzati nella produzione di chip per computer. coefficiente di dilatazione termica (CTE) Il rame e i materiali dielettrici presentano valori diversi tra loro e, pertanto, non si espandono alla stessa velocità. Ciò causa uno squilibrio, con conseguenti sollecitazioni, piegature e torsioni. Per evitare ciò, è necessario distribuire il rame in modo uniforme e, se necessario, installare un sistema di dissipazione del rame per mantenere l'equilibrio termico.

Sovrapposizione degli strati e tensioni interne asimmetriche

Cause comuni di stress interno all'interno PCB multistrato presentano una disposizione asimmetrica, pesi di rame diversi, spessori del nucleo e materiali diversi. A titolo di esempio, si sviluppa una deformazione quando uno strato di rame spesso viene aggiunto a uno strato, mentre gli altri sono sottili. La distribuzione del rame riduce notevolmente questo rischio bilanciando gli spessori di rame tra gli strati. Anche i parametri corretti di pressatura e materiale sono molto importanti per ridurre la deformazione.

Fattori legati all'ambiente e all'assemblaggio che portano alla deformazione del PCB

Curvature e torsioni possono essere aggravate da fattori esterni come l'assorbimento di umidità, l'elevata velocità di rifusione, il cattivo allineamento del trasportatore di assemblaggio, ecc. L'umidità rimane intrappolata nella scheda e si espande a contatto con il calore, causandone la deformazione. Collocare i PCB in un ambiente controllato e organizzare il processo di assemblaggio riduce al minimo i rischi di deformazione.

Linee guida IPC e prevenzione di curvature e torsioni dei PCB

I PCB non sono mai relativamente piatti e, pertanto, esistono standard che stabiliscono un livello accettabile. Lo standard IPC-6012 prevede una curvatura e una torsione massime dello 0.75% sulle schede con componenti a montaggio superficiale e dell'1.5% sulle altre. Ridurre lo sbilanciamento dello stack-up, utilizzare materiali con un basso CTE e trattare bene le schede durante la produzione sono tutte soluzioni per ridurre la deformazione. Queste azioni migliorano la stabilità e le prestazioni a lungo termine.

Misurazione di curvatura e torsione negli standard PCB

Il PCB deve essere piatto e avere determinate prestazioni, poiché la curvatura e la torsione vengono misurate dagli standard IPC. Questi standard possono fornire le definizioni dei metodi di deformazione e dei limiti ammissibili. La misurazione consente di individuare la possibile deformazione nelle fasi iniziali. Tali procedure garantiscono che i PCB rimangano entro limiti ragionevoli durante l'assemblaggio.

Misurazione dell'arco

Un arco è una curvatura in cui il PCB presenta un aspetto convesso o concavo lungo la sua lunghezza o larghezza. Viene misurato secondo IPC-TM-650 Metodo 2.4.22.1: si misura con una semplice configurazione:

• Un filo/corda teso è disposto diagonalmente sulla superficie del PCB.
• Per quantificare la deviazione verticale massima tra il filo e la superficie della scheda si utilizza un indicatore a quadrante.
• La percentuale di prua può essere ottenuta come segue:

Arco % = (Dist. Arco/Scheda L) x 100 %

• bowDist è il valore limite della distanza tra la scheda e il filo di riferimento. LBoard è la lunghezza della scheda.

Misurazione della torsione

La torsione si verifica quando gli angoli del PCB non sono sullo stesso piano, formando una distorsione rotazionale. Il metodo IPC-TM-650 2.4.22C descrive come misurare questa condizione:

• Due degli angoli opposti del PCB sono fissati con perni ed elastici.
• Viene determinata la differenza di altezza tra gli altri due angoli.
• La percentuale di torsione si calcola in questo modo:

Intrecciare % = (TwistDist/ 2 x DBoard) x 100 %

• TwistDist è la deviazione massima del piano di riferimento.
• C'è una tavola delle lettere, che è la misura diagonale della tavola.

Standard IPC per arco e torsione

La specifica IPC-A-600 definisce limiti precisi per curvatura e torsione, in modo da ottenere un PCB di qualità. Queste restrizioni variano a seconda dello spessore della scheda:

• Nel caso di PCB di spessore < =1.6 mm:

Arco: 0.75% <=
Twist:

• Per PCB di spessore 1.6–3.2 mm:

Arco: ≤0.5%
Twist: ≤0.75%

• Nei PCB di spessore pari o superiore a 3.2 mm:

Arco: 0.5 percentuale o meno
Twist: 0.75 % o meno

• L'avanzamento flessionale e torsionale non deve essere superiore al 2% della dimensione diagonale della tavola.
• Le tolleranze sui PCB che utilizzano rinforzi o nuclei metallici sono più strette.

Procedure di prova di inarcamento e torsione

I test di curvatura e torsione durante il processo di produzione determineranno se la deformazione è intrinseca o estrinseca. Il processo garantisce un'analisi accurata delle cause profonde ed elimina i problemi associati alla planarità in fase di assemblaggio. Per quanto riguarda la misurazione e la verifica della deformazione, l'aderenza agli standard IPC consente di misurarla e verificarla.

Raccomandazione sulla procedura per il test di arco e torsione

Per identificare la fonte, è necessario effettuare un calcolo percentuale dell'arco e della torsione come segue:

Misurare l'arco e la torsione delle tavole in arrivo quando si utilizza il metodo IPC-TM-650 2.4.22.

Le tavole devono essere cotte a 10 °C al di sopra della Tg del materiale e in condizioni piane, impilate una accanto all'altra, senza che vi sia pressione o contatto tra di esse.

Lasciare raffreddare gradualmente le tavole fino a temperatura ambiente (a 1°C al minuto) tenendo la porta del forno chiusa.

Riavvolgere l'angolo e la torsione della plastica con il metodo IPC-TM-650 2.4.22 una volta raffreddata.

Analizza i risultati:

• Quando si utilizzano tavole completamente piatte, la causa è del tutto esterna.
• Nel caso in cui le tavole siano deformate, la causa può essere solo interna.
• Nel caso in cui si osservi qualche miglioramento, il problema è sia intrinseco che estrinseco.
• Tali test aiutano i clienti e i produttori a identificare le fonti di deformazione e ad adottare misure correttive.

Miglioramenti di arco e torsione

La soluzione al problema di curvatura e torsione risiede nello studio delle cause interne e nello sviluppo di soluzioni sia progettuali che produttive. È fondamentale avere un controllo approfondito su tutte le fasi di produzione. È possibile applicare riallineamenti strategici per ottenere una planarità e prestazioni del PCB superiori, anche al di fuori delle tolleranze specificate.

Processo di laminazione

La produzione di laminazione è facilmente ottimizzabile in termini di costi e requisiti di tolleranza. Per migliorare curvatura e torsione, è possibile aumentare i tempi di ciclo di pressatura per offrire un'adesione più efficace del materiale e ridurre le sollecitazioni. L'ottimizzazione delle impostazioni di laminazione riduce al minimo la possibile deformazione di pannelli multistrato complessi.

Prepreg e nuclei interni

La stabilità richiede la selezione di preimpregnati resistenti e strutture di nucleo simmetriche. Una struttura completamente bilanciata riduce le sollecitazioni interne dovute ai cicli termici. Sebbene ciò possa avere un certo impatto sull'impedenza, un ricalcolo dei valori garantisce che il design possa combinare prestazioni e planarità.

Distribuzione del rame

La distribuzione del rame su ogni strato è stata ottimizzata per evitare squilibri nella dilatazione termica. Gli strati accoppiati al centro della pila possono facilitare l'allineamento dei pesi del rame su ogni strato, contribuendo a ottenere la simmetria. È preferibile evitare porzioni di grandi dimensioni con una quantità minima o nulla di rame, perché presentano il rischio di deformazioni durante il riscaldamento.

zone di bassa pressione

I PCB con un elevato numero di strati possono presentare una zona di bassa pressione durante la laminazione, con conseguente deformazione. Questo problema può essere ridotto al minimo utilizzando piazzole fittizie, riempimenti in rame o rame retinato. Queste variazioni aumentano l'uniformità della pressione e la planarità.

Piani di terra divisi

Le aree di divisione dei piani di base possono fungere da cerniera lungo tutta la struttura, favorendo la flessione. L'uso di schemi di divisione ripetuti su più strati aumenta il rischio di torsione. L'introduzione di piani di base continui, ove possibile, riduce questo problema.

Aree di distacco

Un altro fattore passivo che contribuisce a curvature e torsioni sono le linguette di distacco, spesso ignorate. Si noti che il rame in queste zone riflette la struttura del rame del PCB stesso su ogni strato. La depannellatura evita la concentrazione di stress nei punti di distacco.

Misure adottate per evitare l'inchino e la torsione

L'incurvamento e la torsione nei PCB possono essere evitati attraverso la selezione del design, un'attenta selezione dei materiali e un controllo Processi di produzione PCBQuesto tipo di problema è particolarmente diffuso nelle schede multistrato, e la proattività è molto importante per garantire planarità e affidabilità.

Movimentazione dei materiali e accatastamento bilanciato

Una disposizione simmetrica di strati di rame, preimpregnati e anime riduce al minimo le tensioni interne. Diversi fornitori evitano l'uso di materiali diversi, in modo che, quando la scheda viene riscaldata, il comportamento termico sia uniforme. La disposizione riduce inoltre il rischio di deformazione grazie al corretto orientamento di trama e ordito.

Peso e composizione degli strati di rame

Anche uno squilibrio di peso sul rame causerà un'espansione non uniforme, con conseguenti curvature e torsioni. I progettisti dovrebbero distribuire uniformemente il rame e il riempimento di rame nei punti a bassa densità. Simmetria nel piano solido e negli strati di segnale che circondano il centro del PCB, per alleviare le sollecitazioni elementari.

Attenuazione degli effetti di curvatura e torsione durante l'assemblaggio

Sebbene la planarità dei pannelli PCB sia auspicabile, torsioni e curvature sono occasionalmente inevitabili. Tali difetti possono essere eliminati durante l'assemblaggio per mitigarne gli effetti e garantire l'affidabilità della scheda come segue:

Protezione robusta dei componenti

Elementi di fissaggio o connettori, come gli adesivi, vengono utilizzati per fissare saldamente componenti come i dissipatori di calore. Questo aiuta a evitare ulteriori sollecitazioni e impedisce al PCB di deformarsi ulteriormente.

Irrigidimento della tavola

Sul retro del PCB vengono fissati rinforzi Bond, come strisce metalliche o griglie in plastica. Questo fornisce ulteriore rinforzo e supporto durante il processo di assemblaggio, garantendone la planarità.

Ricottura antistress

Riscaldano le schede completamente caricate oltre i 100 °C e le raffreddano, per un tempo determinato, in condizioni controllate. Questa azione scarica le tensioni intrinseche e riduce le deformazioni.

Rivestimento conforme selettivo

Applicare il conformal coating nelle aree del PCB soggette a stress. Questo rinforza la scheda e la rende inattaccabile da torsioni o piegature durante l'uso.

strato di schiuma di coperta

Per assorbire le sollecitazioni meccaniche e la deformazione del PCB durante la manipolazione e l'assemblaggio, è opportuno applicare un foglio di schiuma sul retro del PCB.

Serraggio durante la saldatura

Quando si esegue la saldatura a rifusione, utilizzare supporti o piani di appoggio con pesi. Questo rende la scheda piana e riduce i movimenti dovuti all'espansione termica.

Assemblaggio a pannelli

Mantenere i PCB nel loro stato di pannellizzazione fino al termine dell'assemblaggio per ridurre l'introduzione di stress dovuto alla depannellatura.

Conclusione

Il controllo della curvatura e della torsione del PCB è importante per garantire prestazioni affidabili. È possibile realizzare un PCB affidabile quando è monostrato e distanziato, ma è difficile ottenere la reazione quando un PCB è multistrato o alta densitàCombinando una progettazione appropriata, la scelta del materiale e la fabbricazione di processi di assemblaggio controllati, è possibile ridurre notevolmente i rischi di deformazione.

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Domande Frequenti

Come posso verificare se la mia tavola supera i criteri di curvatura e torsione dell'IPC?

La sezione 650 dell'IPC-TM-2.4.22 fornisce una procedura precisa per misurare curvatura e torsione. Nei PCB che utilizzano componenti a montaggio superficiale, la deformazione non deve superare lo 0.75%. In altri tipi di schede, assicurarsi che rimanga pari o inferiore all'1.5%.

Come vengono testati i PCB molto sottili e flessibili per verificare curvatura e torsione?

Le piastre sottili vengono testate inserendole tra due pezzi di metallo. Questo conferisce al PCB una rigidità temporanea sufficiente a consentire la misurazione di curvatura e torsione senza distorsioni.

Il processo di mascheratura della saldatura influenza l'incurvatura e la torsione?

Sì. Le deformazioni di curvatura e torsione possono essere create o aumentate da una scarsa adesione della maschera di saldatura o da uno spessore non uniforme della maschera sui diversi lati dei pannelli.

Il processo di saldatura può provocare o aggravare la deformazione della scheda?

Sì. La saldatura può generare uno stress termico non corrispondente quando i componenti vengono inseriti su un solo lato del PCB. È qui che si verifica una distorsione e, nella maggior parte dei casi, il pannello potrebbe piegarsi o torcersi durante la saldatura a rifusione o a onda.

L'assorbimento di umidità è un fattore che influenza la curvatura e la torsione dei PCB?

Assolutamente. Le sollecitazioni derivanti dalla maggiore idratazione degli strati dielettrici dovuta all'umidità si generano più rapidamente di quelle del rame, causando curvature o torsioni.

Come ridurre curvature e torsioni nei PCB HDI multistrato?

Preimpregnati sottili e impilamento simmetrico degli strati. Inserimento di riempimenti metallici fittizi per stabilizzare la densità del rame e integrazione di rinforzi selettivi come materiale di supporto rinforzato aggiuntivo.