تاب برداشتن برد مدار چاپی: علل، اثرات و پیشگیری

بردهای مدار چاپی تاب برداشته می‌توانند بی‌سروصدا کل خط مونتاژ شما را خراب کنند. یک دقیقه همه چیز خوب به نظر می‌رسد، اما لحظه‌ای بعد، شما در حال تعقیب اتصالات لحیم باز، پدهای بلند شده و بردهای رد شده هستید.

تاب برداشتن برد مدار چاپی یک منحنی بی‌ضرر نیست. این انحنا، عملکرد را خراب می‌کند، دقت را به هم می‌ریزد و قابلیت اطمینان درازمدت را از بین می‌برد.

خب، پشت آن چیست؟ گاهی اوقات، جنس. گاهی اوقات، فرآیند. معمولاً، هر دو. اما مسئله واقعی تشخیص یک تخته تاب‌دار نیست - بلکه دانستن نحوه اندازه‌گیری صحیح آن است. و بهتر از آن، چگونه از وقوع مجدد آن جلوگیری کنیم.

این مقاله در مورد همین موضوع است. از تعریف اولیه تا فیزیک پشت خمیدگی. از علل ریشه‌ای در طراحی و تولید تا تأثیرات واقعی در طول جریان برگشتی. همچنین یاد خواهید گرفت که چگونه آن را تشخیص دهید، به طور دقیق اندازه‌گیری کنید و قبل از اینکه مشکل، تولید را خراب کند، آن را برطرف کنید.

بیایید آن را تجزیه و تحلیل کنیم - بدون هیچ مقدمه چینی.

تاب برداشتن برد مدار چاپی چیست؟

تاب برداشتن برد مدار چاپی (PCB warpage) به اعوجاج فیزیکی برد مدار چاپی گفته می‌شود. برد به جای اینکه صاف قرار گیرد، خم می‌شود، می‌پیچد یا قوس برمی‌دارد. این اتفاق می‌تواند در حین تولید، انبارداری یا جریان مجدد رخ دهد. و خیلی هم طول نمی‌کشد - فقط مقدار کمی تاب برداشتن می‌تواند کل فرآیند SMT شما را مختل کند.

از نظر فنی، این انحراف از شکل مسطح اصلی برد است. استانداردهای IPC محدودیت‌های تاب برداشتن قابل قبول را تعریف می‌کنند. برای نصب سطحی، معمولاً 0.75٪ است. برای سوراخکاری، 1.5٪. فراتر از آن، مشکلات به سرعت شروع به انباشته شدن می‌کنند. با این حال، محدودیت‌ها بسته به ضخامت و کاربرد متفاوت هستند. به عبارت ساده‌تر، PCB خمیده به معنای یک فرآیند شکسته است.

علل تاب برداشتن برد مدار چاپی (PCB)

هیچ عامل واحدی باعث تاب برداشتن تخته نمی‌شود. اغلب ترکیبی از عوامل باعث تاب برداشتن می‌شود. جنس، طراحی و نحوه‌ی استفاده، همگی در این امر نقش دارند.

بیایید به بزرگترین مقصران بپردازیم:

۱. عدم تعادل مواد

یک برد مدار چاپی از لایه‌هایی ساخته شده است. FR4، مس، پیش‌آغشته، پوشش لحیم. اگر این لایه‌ها به طور مساوی با گرما منبسط و منقبض نشوند، تنش ایجاد می‌شود. این تنش برد را خم می‌کند. بردهایی با پشته‌های نامتعادل بیشتر احتمال پیچ خوردن یا خم شدن دارند.

۲. چیدمان ناهموار مس

مس به طور متفاوتی نسبت به فایبرگلاس گرم می‌شود. اگر در یک طرف ناحیه مسی متراکمی داشته باشید و در طرف دیگر تقریباً هیچ قسمتی نداشته باشید، تخته به طور ناهموار منبسط می‌شود. این باعث می‌شود تخته از شکل خارج شود - به خصوص در هنگام لمینت یا ذوب مجدد.

۳. فرآیند لایه‌بندی ضعیف

در طول لمینت کردن، گرما و فشار زیادی اعمال می‌شود. اگر فشار یکنواخت نباشد - یا دما خاموش باشد - تنش داخلی به دام می‌افتد. ممکن است فوراً تاب‌خوردگی را نبینید. اما به محض اینکه تخته به جریان مجدد برسد، خود را نشان می‌دهد.

۴. رطوبت در PCB

FR4 جاذب رطوبت است. مانند اسفنج رطوبت را جذب می‌کند. اگر تخته به درستی پخته یا نگهداری نشود، آن رطوبت در اثر گرما به سرعت منبسط می‌شود. این انبساط ناگهانی باعث لایه لایه شدن داخلی یا ترک‌های ریز می‌شود که تخته را به سمت انحنا یا پیچش سوق می‌دهد.

۵. قطعات سنگین در یک طرف

قطعات بزرگ یا متراکم که به طور ناهموار در یک طرف برد قرار می‌گیرند، می‌توانند در حین لحیم کاری باعث ایجاد تنش شوند. وزن، همراه با گرما، برد را به سمت پایین خم می‌کند. این امر به ویژه در اجاق‌های reflow با پروفیل‌های حرارتی ناهموار رایج است.

۶. نگهداری یا جابجایی نامناسب

آیا تخته‌ها را بدون فاصله‌دهنده روی هم می‌چینید؟ یا آنها را به صورت عمودی انبار می‌کنید؟ و آنها را در معرض گرما یا فشار قرار می‌دهید؟ همه اینها منجر به خم شدن PCB می‌شود. جابجایی نیز مهم است. افتادن تخته، خم کردن آن هنگام برداشتن یا تکیه دادن ابزارها به بالای آن. همه اینها روی هم جمع می‌شوند.

اثرات تاب برداشتن برد مدار چاپی (PCB) بر روی مونتاژ

یک برد مدار چاپی تاب برداشته شده صاف نمی‌ماند. همین به تنهایی یک مشکل است. اما در طول مونتاژ بدتر هم می‌شود.

۱. اتصالات لحیم کاری بد

SMT نیاز به ترازبندی دقیق دارد. بردهای تاب‌دار، پدها را از روی خمیر لحیم بلند می‌کنند. این باعث ایجاد اتصالات ضعیف یا عدم وجود اتصال می‌شود.

پل‌ها، اتصالات باز و سرد - همه آنها به تماس ضعیف در طول جریان برگشتی برمی‌گردند.

۲. سنگ قبر و اجزای ناهم‌تراز

قطعات کوچک مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها حساس‌تر هستند. اگر یکی از پدها در حین جریان برگشتی بلند شود، قطعه سر جای خود قرار می‌گیرد - سنگ قبر. این اتفاق زمانی زیاد می‌افتد که تخته‌ها از وسط تاب برداشته باشند.

۳. خطاهای قرارگیری ماشین

دستگاه‌های برداشتن و گذاشتن، هدف مسطحی را انتظار دارند. تاب برداشتن، سیستم بینایی را دچار مشکل می‌کند. قطعات خارج از مرکز قرار می‌گیرند یا ترازبندی خود را از دست می‌دهند. تاب برداشتن زیاد؟ دستگاه متوقف می‌شود. شما زمان و هزینه را از دست می‌دهید.

۴. تأکید بر مجمع

وقتی یک تخته تاب برداشته را به زور در یک محفظه سفت و سخت قرار می‌دهید، چیزی...g باید تسلیم شود. معمولاً، این مشکل مربوط به اتصالات لحیم یا خود لایه‌های PCB است. ترک، لایه لایه شدن یا خرابی اولیه اغلب به دنبال آن می‌آید.

۵. مسائل مربوط به AOI و تست

سیستم‌های AOI به هندسه ثابت برد متکی هستند. اعوجاج، خوانش ارتفاع را تحریف می‌کند و پرچم‌های کاذب ایجاد می‌کند. در نهایت، شما به دنبال نقص‌های کاذب خواهید بود. یا بدتر از آن، نقص‌های واقعی را از دست خواهید داد.

نحوه بررسی تاب برداشتن برد مدار چاپی (PCB)

آیا تا به حال تخته‌ای داشته‌اید که از بازرسی بصری عبور کرده باشد - اما پس از reflow از کار افتاده باشد؟ تاب برداشتن مقصر نامرئی است. در اینجا نحوه تشخیص زودهنگام آن آورده شده است.

۱. بررسی سطح صاف

برد مدار چاپی را روی یک سطح صاف و تأیید شده قرار دهید. یک بلوک گرانیتی خوب جواب می‌دهد. از پشت نور بتابانید. اگر شکافی دیدید، یعنی تاب برداشته است. ساده است، اما برای بررسی‌های سریع مؤثر است.

2. نشانگر شماره گیری

این ابزار اختلاف ارتفاع‌های کوچک را اندازه‌گیری می‌کند. آن را روی سطح PCB حرکت دهید تا منحنی را ردیابی کنید. این ابزار دقیق‌تر از بررسی‌های بصری است. شما یک عدد دقیق دریافت خواهید کرد، نه فقط یک حدس.

3. گیج فیلر

یک پروب را بین PCB و سطح صاف قرار دهید. تیغه‌های مختلف را امتحان کنید تا فاصله دقیق را پیدا کنید. این روش ساده‌ای است، اما به طرز شگفت‌آوری قابل اعتماد است - مخصوصاً برای بررسی‌های سریع در کارگاه.

۴. وسایل تاب برداشتن

جیگ‌های مخصوص، برد را در جای خود نگه می‌دارند و به اندازه‌گیری اعوجاج خارج از صفحه کمک می‌کنند. اغلب در کنترل کیفیت تولید استفاده می‌شود. برای بررسی‌های مداوم و تکرارپذیر مناسب است.

۵. اسکنرهای سه بعدی

سیستم‌های پیشرفته از لیزر یا نور ساختاریافته برای ثبت کل پروفیل سطح استفاده می‌کنند. بسیار دقیق، اما پرهزینه. این سیستم‌ها معمولاً در محیط‌های تولیدی با حجم بالا استفاده می‌شوند.

اندازه‌گیری تابیدگی PCB

بررسی تاب برداشتن چیزی نیست که بشود حدس زد. این مربوط به اعداد است. استانداردها مهم هستند.

بیایید با اعداد صحبت کنیم. استاندارد IPC-TM-650 2.4.22 نحوه اندازه‌گیری تاب برداشتن برد مدار چاپی را شرح می‌دهد.

روش کار ساده است:

۱. برد مدار چاپی را روی یک سطح صاف قرار دهید.

۲. از یک ارتفاع سنج یا شاخص عقربه‌ای برای اندازه‌گیری بالاترین انحراف از سطح استفاده کنید.

۳. آن انحراف را بر طول مورب تخته تقسیم کنید.

نتیجه؟ این درصد تاب برداشتن شماست.

فرمول محاسبه تابیدگی (IPC-TM-650):

درصد تاب = (حداکثر انحراف از صافی / طول مورب) × ۱۰۰

برای مثال، خمیدگی ۰.۵ میلی‌متری روی یک تخته ۲۰۰ میلی‌متری معادل ۰.۲۵٪ است. این مقدار در محدوده مجاز قرار دارد.

اما اگر برای بردهای SMT از ۰.۷۵٪ یا برای بردهای سوراخ‌دار از ۱.۵٪ فراتر بروید، در موقعیت پرخطری قرار می‌گیرید.

چرا مورب؟ چون تاب‌خوردگی همیشه صاف نیست. می‌تواند پیچ بخورد، خم شود، قوس بردارد. مورب بدترین حالت ممکن را به تصویر می‌کشد.

آیا دقت بیشتری می‌خواهید؟ از یک دستگاه اندازه‌گیری مختصات (CMM) یا یک اسکنر سه‌بعدی استفاده کنید. این ابزارها توپوگرافی کاملی از سطح برد ارائه می‌دهند. شما منحنی را خواهید دید، نه فقط یک عدد.

بعضی از تولیدکنندگان رده بالا حتی از تصویربرداری حرارتی استفاده می‌کنند. چرا؟ برای دیدن اینکه برد هنگام گرم شدن چگونه رفتار می‌کند. تاب برداشتن در طول جریان برگشتی می‌تواند بدتر از چیزی باشد که در دمای اتاق اندازه‌گیری می‌کنید.

چگونه از تاب برداشتن برد مدار چاپی جلوگیری کنیم

تعمیر تخته‌های تاب‌دار دشوار است. پیشگیری بهتر است. بنابراین، چگونه می‌توان قبل از شروع تاب‌خوردگی، آن را متوقف کرد؟

بیایید به روش‌های اثبات‌شده نگاهی بیندازیم.

۱. طراحی متوازن روی هم چیده شده

همیشه تقارن را در طراحی در نظر داشته باشید. توزیع مس را یکنواخت نگه دارید. از تعداد لایه‌های یکسان در بالا و پایین مرکز استفاده کنید. ضخامت‌های دی‌الکتریک را مطابقت دهید. لایه‌های نامتعادل می‌توانند منجر به تنش نامتعادل و در نهایت، تاب برداشتن شوند.

از ابزارهای شبیه‌سازی برای بررسی اولیه‌ی تعادل استفاده کنید. این کار از بسیاری از دلخوری‌های بعدی جلوگیری می‌کند.

۲. توزیع یکنواخت مس

از ریختن مس زیاد در یک طرف و نه در طرف دیگر خودداری کنید. دقیقاً به همین دلیل است که تخته‌ها حتی قبل از ذوب مجدد شروع به پیچ خوردن می‌کنند. در صورت لزوم از پرکننده‌های مسی مصنوعی استفاده کنید. جرم حرارتی را ثابت نگه دارید. برخی از ابزارهای EDA می‌توانند مس را به طور خودکار متعادل کنند. از آنها استفاده کنید.

۳. مواد بهتری انتخاب کنید

FR4 ارزان به سرعت خم می‌شود. به خصوص تحت چرخه حرارتی. اگر کاربرد شما نیاز به مقاومت در برابر حرارت دارد، از مواد با Tg بالا یا CTE پایین استفاده کنید. تخته‌های پلی‌آمید تحت تنش حرارتی پایدارتر هستند.

از سازنده بپرسید که چه موادی را برای بردهای با قابلیت اطمینان بالا توصیه می‌کند.

۴. کنترل پروفیل‌های جریان برگشتی

گرمایش ناگهانی باعث ایجاد تنش می‌شود. گرمایش ناهموار نیز همینطور است. یک پروفیل جریان مجدد مناسب تنظیم کنید. از مراحل تدریجی افزایش و کاهش دما استفاده کنید. مطمئن شوید که مناطق بالا و پایین متعادل هستند.

مونتاژهای دو طرفه؟ برد را از قبل بپزید. یا یک طرف را با خمیر لحیم با دمای پایین از قبل دوباره لحیم کنید.

5. نگهداری و جابجایی مناسب

تخته‌ها را صاف، بدون رطوبت و در دمای کنترل‌شده نگهداری کنید. در صورت امکان از بسته‌بندی وکیوم‌شده استفاده کنید. بسته‌های خشک‌کن اضافه کنید. و اگر تخته‌ها در معرض رطوبت قرار گرفته‌اند، همیشه قبل از مونتاژ، آنها را بپزید.

همچنین، تخته‌ها را بدون فاصله‌دهنده روی هم قرار ندهید. وزن تخته‌های بالایی باعث تاب برداشتن تخته‌های پایینی می‌شود.

۶. از وسایل پشتیبانی استفاده کنید

اگر برد نازک، بزرگ یا از نظر قطعات سنگین است، از فیکسچرها استفاده کنید. فیکسچرهای Reflow برد را در حین لحیم کاری صاف نگه می‌دارند. آنها تنش مکانیکی و افتادگی حرارتی را کاهش می‌دهند.

این یک هزینه اضافی است. اما ارزان‌تر از دور انداختن ۵۰۰ تخته است.

۷. از طراحی بیش از حد خودداری کنید

گاهی اوقات، طراحان لایه‌های زیادی اضافه می‌کنند یا تلرانس‌های بسیار کمی را اعمال می‌کنند تا فقط ویژگی‌های بیشتری را در نظر بگیرند. از خود بپرسید: آیا ارزشش را دارد؟ لایه‌های بیشتر پیچیدگی طراحی را افزایش می‌دهند. اگر به درستی متعادل نشوند، منجر به تنش داخلی بیشتر و تاب برداشتن می‌شوند.

اگر طراحی اجازه می‌دهد، تعداد لایه‌ها را کاهش دهید. از تخته‌های کوچک‌تر استفاده کنید. در صورت امکان، ماژولار طراحی کنید.

مشکل تاب برداشتن برد مدار چاپی: تأثیر در دنیای واقعی

بیایید این را در چارچوب قرار دهیم. شما یک برد ۱۲ لایه برای یک دستگاه پزشکی می‌سازید. آزمایش به خوبی پیش می‌رود. اما پس از آخرین مرحله‌ی ذوب مجدد، برخی از واحدها از کار می‌افتند. پدها شناور می‌شوند. اشعه ایکس اتصالات لحیم‌کاری بدی را نشان می‌دهد.

مشکل؟ کمی تاب برداشتن - فقط 0.9٪. اما این برای بلند کردن گوشه‌های QFN و ایجاد مدارهای باز کافی است.

بازده شما ۱۵٪ کاهش می‌یابد. تضمین کیفیت، مونتاژ را مقصر می‌داند. مونتاژ، طراحی را. حالا شما در حال بازسازی بردها هستید. تاخیرها روی هم انباشته می‌شوند. اعتماد مشتری کاهش می‌یابد. همه اینها برای ۰.۹٪ است.

این اتفاق در هوافضا هم می‌افتد. یا خودروهای برقی. در هر جایی، قابلیت اطمینان اهمیت دارد.

نتیجه

تاب برداشتن برد مدار چاپی همیشه قابل مشاهده نیست. اما اثرات آن بسیار زیاد است - اتصالات لحیم از دست رفته، خطاهای دستگاه و خرابی‌های میدانی. چه چیزی ترسناک است؟ اغلب تا زمانی که خیلی دیر نشده، مورد توجه قرار نمی‌گیرد.

بنابراین، منتظر نمانید تا مشکل در سطح تولید خود را نشان دهد. با طراحی شروع کنید. به مواد فکر کنید. به تعادل مس خود توجه کنید. تخته‌های خود را بپزید. آنها را به درستی حمل کنید. و همه چیز را اندازه بگیرید.

چون وقتی برد خم می‌شود، دیگر نمی‌توان آن را درست کرد. با فرآیندهای مناسب، می‌توان از بیشتر مشکلات تاب برداشتن جلوگیری کرد. این شانس نیست. کنترل است. بنابراین دفعه بعد که برد مدار چاپی شما صاف به نظر می‌رسد، از خود بپرسید: آیا واقعاً اینطور است؟