Panoramica sulla deformazione dei PCBA: dal materiale al processo di produzione

Su una linea di assemblaggio SMT , un PCBA deformato potrebbe passare attraverso i binari di trasporto, ma potrebbe causare problemi in futuro, come crepe nelle saldature, danni da stress ai chip e persino il guasto completo del sistema. La deformazione, che si verifica su scala millimetrica, rappresenta un potenziale rischio per la resa e l'affidabilità nell'assemblaggio elettronico ad alta densità.

I. L'essenza della deformazione: un "conflitto di stress" microscopico

La deformazione dei PCBA non è semplicemente una "irregolarità", il suo problema principale risiede nell'incapacità di rilasciare le tensioni interne generate durante il processo termico a causa dei coefficienti di dilatazione termica non corrispondenti tra i diversi materiali, come il substrato del PCB, gli strati di rame, i componenti e la saldatura. Questo conflitto di tensioni persiste durante l'intero processo di produzione.

II. Cinque cause principali: da dove proviene la deformazione?

1. "Difetti naturali" nei materiali e nella progettazione dei PCB

● Asimmetria del nucleo del circuito stampato: l'asimmetria nel numero di strati di preimpregnato e nello spessore del foglio di rame sui circuiti stampati multistrato, come una distribuzione non uniforme del materiale in un "sandwich", porta inevitabilmente a uno squilibrio delle tensioni interne dopo la polimerizzazione.

● Ampie superfici di rame e design a rete: la notevole differenza di contrazione termica tra le superfici di rame massiccio negli strati di alimentazione/massa e le aree con solo tracce è una delle principali cause di deformazione localizzata. La mancata applicazione di uno strato di rame a rete per le colate di rame di grandi dimensioni è un errore di progettazione comune.

● Valore Tg del materiale: i materiali a basso Tg (come il normale FR-4) entrano in uno stato altamente elastico quando vengono sottoposti a saldatura a rifusione ad alte temperature, il che li rende più suscettibili a deformazioni irreversibili dovute alla gravità e alle sollecitazioni.

2. L'"effetto additivo" derivante dalla disposizione dei componenti e dallo squilibrio di peso

● Concentrazione di componenti pesanti su un lato: la concentrazione di grandi BGA, dissipatori di calore, induttori e connettori su un lato del PCB porta a una significativa deformazione, a causa del loro stesso peso e dello stress termico ad alte temperature. 

● Imballaggio asimmetrico: differenze eccessive nella massa e nel volume dei componenti sui due lati della scheda aggravano lo squilibrio delle sollecitazioni termiche. 

3. "Shock termico" durante i processi SMT

●  Profilo di saldatura a rifusione non corretto: velocità di riscaldamento/raffreddamento eccessivamente rapide provocano differenze di temperatura eccessive lungo lo spessore del PCB, generando un enorme stress termico istantaneo.

●  Surriscaldamento localizzato durante la saldatura a onda: durante la saldatura selettiva o a onda, l'ostruzione del dispositivo di fissaggio può causare un riscaldamento non uniforme delle superfici superiore e inferiore del PCB, con conseguente deformazione ad arco.

4. "Erosione cronica" dovuta all'ambiente e allo stress

●  Assorbimento di umidità e deformazione: i PCB (soprattutto quelli che utilizzano substrati altamente assorbenti) si espandono a causa dell'assorbimento di umidità se conservati in ambienti umidi. Durante la saldatura a rifusione, la rapida evaporazione dell'umidità provoca un effetto "popcorn" e una deformazione.

●  Stress meccanico residuo: lo stress meccanico accumulato durante la separazione dei pannelli e l'assemblaggio, se non completamente rilasciato, si accumulerà e si manifesterà durante il processo termico.

III. Metodi di miglioramento

1. Ottimizzazione del design: imporre una stratificazione simmetrica del PCB, utilizzare uno schema a griglia per le ampie aree di rame e incorporare blocchi di rame di bilanciamento nel design del pannello.

2. Selezione dei materiali: Per prodotti elettronici ad alta affidabilità, utilizzare substrati con Tg medio-alta, materiali a basso CTE (come resina epossidica modificata, poliimmide) o una struttura "a sandwich" per stabilizzare la scheda centrale.

3. Controllo del processo termico: Ottimizzare i profili di saldatura a rifusione, utilizzando una curva graduale di riscaldamento-mantenimento-rifusione, per ridurre al minimo le differenze di temperatura superficiale sul PCB.

4. Monitoraggio dell'avanzamento: introdurre la misurazione automatica della deformazione nelle postazioni di lavoro chiave (ad esempio, dopo la saldatura a rifusione), fornendo un feedback dei dati in tempo reale per il controllo statistico del processo.

5. Ambiente e stress: Controllare rigorosamente l'umidità di conservazione dei PCB e dei semilavorati ed eseguire una cottura standard sui materiali che assorbono umidità prima del montaggio SMT.

6. Analisi dei guasti e analisi a ciclo chiuso: Eseguire analisi delle sollecitazioni, simulazioni termomeccaniche e analisi della sezione trasversale su PCB con deformazione eccessiva per individuare la causa principale e migliorare continuamente il processo.

IV. Standard di misurazione e criteri di accettazione 

L'industria dei PCB generalmente si attiene agli standard IPC-A-610 e J-STD-003:

1. Per l'assemblaggio di PCB con dispositivi montati sul lato inferiore, come i BGA: la deformazione massima consentita è in genere dello 0,75% (ovvero, per una lunghezza della scheda di 300 mm, l'altezza massima della curvatura è di 2,25 mm).

2. Dispositivi senza terminali inferiori: la deformazione massima consentita può essere estesa all'1,0%-1,5%.

3. Tempistica della misurazione: La misurazione deve essere effettuata a temperatura ambiente dopo il processo termico e prima dell'assemblaggio critico.

Conclusione: 

La deformazione dei PCBA è il risultato di molteplici fattori. Per evitarla, è necessario un approccio incentrato sul prodotto: progettisti, produttori di PCB, ingegneri di processo SMT e fornitori di materiali devono controllare rigorosamente i propri processi. Dalla progettazione del layout del PCB al controllo dell'aumento di temperatura nel forno di rifusione, sono necessari una comprensione sistematica e un controllo preciso per garantire che il PCBA sia in grado di supportare prodotti elettronici affidabili.

Benlida produce circuiti stampati da 14 anni. Disponiamo di attrezzature professionali e tecnici specializzati per eseguire misurazioni precise della deformazione, supportando gli ingegneri nella comprensione e nell'analisi dei meccanismi fisici sottostanti e nel miglioramento dei processi. Abbiamo un team di ingegneri esperto e attrezzature di laboratorio all'avanguardia.

1. Misurazione di precisione della deformazione 3D: utilizzando uno scanner laser ad alta precisione e un interferometro a luce bianca, viene generata una mappa tridimensionale della deformazione dell'intera superficie del PCBA.

2. Analisi dei materiali e della struttura: analizzare Tg e CTE del substrato mediante TMA e DSC. Analisi SEM/sezione per osservare la struttura della laminazione, il riempimento con resina e l'origine delle crepe.

3. Simulazione e verifica delle sollecitazioni termiche: la simulazione termomeccanica agli elementi finiti viene eseguita sulla base dei dati misurati per prevedere il rischio di deformazione e ottimizzare i parametri di processo.

4. Analisi completa dei guasti: viene fornito un rapporto di analisi completo, dal sintomo alla causa principale, per i guasti causati da deformazioni, come circuiti aperti, saldature fredde e crepe nei chip.

Se i vostri PCB presentano problemi di deformazione e desiderate migliorare sistematicamente la qualità dei vostri PCB e PCBA, non esitate a contattare Benlida!