Деформированные печатные платы могут тихо испортить всю вашу сборочную линию. В одну минуту все выглядит нормально. В следующий момент вы гоняетесь за открытыми паяными соединениями, поднятыми контактными площадками и отбракованными платами.
Коробление печатной платы — это не какая-то безобидная кривая. Оно снижает выход годного, портит точность и подрывает долгосрочную надежность.
Так что же за этим стоит? Иногда материал. Иногда процесс. Обычно и то, и другое. Но настоящая проблема не в том, чтобы обнаружить деформированную доску, а в том, чтобы знать, как правильно ее измерить. И еще лучше, как не допустить повторения этого.
Вот о чем эта статья. От базового определения до физики, стоящей за изгибом. От основных причин в проектировании и производстве до реальных последствий во время оплавления. Вы также узнаете, как обнаружить его, точно измерить и устранить проблему, прежде чем она испортит производственный цикл.
Давайте разберемся поподробнее — без лишней воды.
Что такое коробление печатной платы?
Коробление печатной платы — это физическое искажение печатной платы. Вместо того чтобы лежать ровно, плата изгибается, скручивается или прогибается. Это может произойти во время производства, хранения или оплавления. И для этого не нужно многого — даже небольшое коробление может нарушить весь ваш процесс SMT.
Технически это отклонение от изначальной плоской формы платы. Стандарты IPC определяют допустимые пределы коробления. Для поверхностного монтажа это обычно 0.75%. Для сквозного монтажа — 1.5%. За пределами этого значения проблемы начинают быстро накапливаться. Однако пределы различаются в зависимости от толщины и области применения. Проще говоря, изогнутая печатная плата означает нарушенный процесс.
Причины коробления печатной платы
Ни одна из причин не является причиной деформации доски. Часто это смесь. Материалы, конструкция и обработка — все играет свою роль.
Давайте рассмотрим главных виновников:
1. Материальный дисбаланс
Печатная плата состоит из слоев. FR4, медь, препрег, паяльная маска. Если эти слои не расширяются и не сжимаются равномерно под воздействием тепла, возникает напряжение. Это напряжение изгибает плату. Платы с несбалансированными стеками с большей вероятностью будут скручиваться или изгибаться.
2. Неравномерное расположение меди
Медь нагревается иначе, чем стекловолокно. Если у вас плотная медная область с одной стороны и почти ничего с другой, плата расширяется неравномерно. Это деформирует плату, особенно во время ламинирования или оплавления.
3. Некачественный процесс ламинирования
Во время ламинирования применяется высокая температура и давление. Если давление неравномерное или температура не та, то внутреннее напряжение оказывается в ловушке. Вы можете не заметить коробление сразу. Но как только плата попадает в зону оплавления, оно проявляется.
4. Влага на печатной плате
FR4 гигроскопичен. Он впитывает влагу как губка. Если доска не пропекается или не хранится должным образом, эта влага быстро расширяется под воздействием тепла. Внезапное расширение вызывает внутреннее расслоение или микротрещины, которые заставляют доску изгибаться или скручиваться.
5. Тяжелые компоненты с одной стороны
Крупные или плотные детали, неравномерно размещенные на одной стороне платы, могут вызывать напряжение во время пайки. Вес в сочетании с теплом изгибает плату. Это особенно распространено в печах оплавления с неравномерными тепловыми профилями.
6. Неправильное хранение или обращение
Вы укладываете платы в стопку без прокладок? Или храните их вертикально? И подвергаете их воздействию тепла или давления? Все это приводит к изгибу печатной платы. Обращение тоже имеет значение. Падение платы, сгибание ее при подъеме или накладывание инструментов сверху. Все это складывается.
Влияние деформации печатной платы на сборку
Деформированная печатная плата не сидит ровно. Это само по себе проблема. Но во время сборки все становится еще хуже.
1. Плохие паяные соединения
SMT требует точного выравнивания. Деформированные платы поднимают контактные площадки над паяльной пастой. Это создает слабые соединения или вообще не создает соединений.
Перемычки, открытые и холодные швы — все это следствие плохого контакта во время пайки.
2. Надгробные камни и неровные компоненты
Мелкие детали, такие как резисторы и конденсаторы, более чувствительны. Если одна площадка приподнимется во время оплавления, деталь встанет — надгробные плиты. Это часто случается, когда платы деформируются посередине.
3. Ошибки размещения машины
Машины Pick-and-place ожидают плоскую цель. Коробление портит систему зрения. Компоненты размещаются не по центру или не выровнены. Слишком большое коробление? Машина останавливается. Вы теряете время и деньги.
4. Нагрузка на Ассамблею
Когда вы вставляете деформированную плату в жесткий корпус, что-тоg должен дать. Обычно это паяные соединения или сами слои печатной платы. За этим часто следуют трещины, расслоение или ранний отказ.
5. AOI и проблемы тестирования
Системы AOI полагаются на постоянную геометрию платы. Коробление искажает показания высоты и создает ложные флаги. В итоге вы гонитесь за ложными дефектами. Или, что еще хуже, пропускаете настоящие.
Как проверить коробление печатной платы
Когда-нибудь была плата, которая прошла визуальный осмотр, но не прошла после оплавления? Коробление — невидимый виновник. Вот как обнаружить его на ранней стадии.
1. Проверка ровности поверхности
Положите печатную плату на проверенную ровную поверхность. Хорошо подойдет гранитный блок. Посветите сзади. Если вы видите зазоры, значит, она деформирована. Просто, но эффективно для быстрой проверки.
2. Индикатор часового типа
Этот инструмент измеряет небольшие перепады высот. Перемещайте его по поверхности печатной платы, чтобы отслеживать кривую. Это точнее, чем визуальные проверки. Вы получите точное число, а не просто предположение.
3. Щуп
Вставьте щуп между печатной платой и плоской поверхностью. Попробуйте разные лезвия, чтобы найти точный зазор. Это несложно, но на удивление надежно — особенно для быстрых проверок в цеху.
4. Приспособления для предотвращения коробления
Специальные приспособления удерживают плату на месте и помогают измерить искажение вне плоскости. Часто используется в производственном контроле качества. Хорошо подходит для последовательных и повторяемых проверок.
5. 3D-сканеры
Продвинутые системы используют лазеры или структурированный свет для захвата всего профиля поверхности. Очень точные, но дорогие. Обычно они используются в условиях крупносерийного производства.
Измерение коробления печатной платы
Проверка коробления — это не угадывание. Это цифры. Стандарты имеют значение.
Давайте поговорим о цифрах. Стандарт IPC-TM-650 2.4.22 описывает, как измерять коробление печатной платы.
Метод прост:
1. Положите печатную плату на ровную поверхность.
2. Используйте измеритель высоты или циферблатный индикатор, чтобы измерить наибольшее отклонение от поверхности.
3. Разделите это отклонение на длину диагонали доски.
Этот результат? Это ваш процент коробления.
Формула расчета коробления (IPC-TM-650):
Деформация (%) = (Максимальное отклонение от плоскостности / Длина диагонали) × 100
Например, изгиб на 0.5 мм на доске толщиной 200 мм равен 0.25%. Это в пределах нормы.
Но если значение превысит 0.75% для плат SMT или 1.5% для плат с выводами, вы окажетесь на рискованной территории.
Почему диагональ? Потому что коробление не всегда прямое. Оно может скручиваться. Согнуться. Изгибаться. Диагональ отражает наихудший сценарий.
Хотите большей точности? Используйте координатно-измерительную машину (КИМ). Или 3D-сканер. Эти инструменты дают полную топографию поверхности платы. Вы увидите кривую, а не просто число.
Некоторые производители высокого класса даже используют тепловизионную съемку. Зачем? Чтобы увидеть, как ведет себя плата при нагревании. Коробление при оплавлении может быть хуже, чем при комнатной температуре.
Как предотвратить коробление печатной платы
Исправление деформированных досок — сложная задача. Лучше предупредить. Так как же остановить деформацию до ее начала?
Давайте рассмотрим проверенные методы.
1. Сбалансированная конструкция стека
Всегда проектируйте с учетом симметрии. Сохраняйте равномерное распределение меди. Используйте одинаковое количество слоев выше и ниже центра. Соответствуйте толщине диэлектрика. Несбалансированные слои могут привести к несбалансированному напряжению. И в конечном итоге к короблению.
Используйте инструменты моделирования для проверки баланса на ранней стадии. Это избавит вас от многих душевных страданий в будущем.
2. Равномерное распределение меди
Избегайте больших медных заливок с одной стороны, но не с другой. Именно так платы начинают скручиваться, даже до оплавления. Используйте фиктивные медные заливки там, где это необходимо. Поддерживайте постоянную тепловую массу. Некоторые инструменты EDA могут автоматически балансировать медь. Используйте их.
3. Выбирайте лучшие материалы
Дешевый FR4 быстро гнется. Особенно при циклическом изменении температуры. Используйте материалы с высоким Tg или низким CTE, если ваше приложение требует термостойкости. Полиимидные платы более стабильны при термическом напряжении.
Спросите у производителя, какие материалы он рекомендует для плат высокой надежности.
4. Управление профилями оплавления
Внезапный нагрев вызывает стресс. Также как и неравномерный нагрев. Установите правильный профиль оплавления. Используйте постепенные шаги нарастания и остывания. Убедитесь, что верхняя и нижняя зоны сбалансированы.
Двусторонние сборки? Предварительно запеките плату. Или предварительно оплавьте одну сторону низкотемпературной паяльной пастой.
5. Правильное хранение и обращение.
Храните доски в горизонтальном положении, без влаги и при контролируемой температуре. По возможности используйте вакуумную упаковку. Добавьте пакеты с влагопоглотителем. И всегда выпекайте доски перед сборкой, если они подвергались воздействию влаги.
Также не укладывайте доски без распорок. Вес сверху деформирует нижнюю часть.
6. Используйте вспомогательные приспособления
Если плата тонкая, большая или с большим количеством компонентов — используйте приспособления. Приспособления для оплавления сохраняют плату плоской во время пайки. Они уменьшают механическое напряжение и тепловой прогиб.
Это дополнительные расходы. Но это дешевле, чем выбросить 500 досок.
7. Избегайте чрезмерного дизайна
Иногда дизайнеры добавляют слишком много слоев или устанавливают жесткие допуски, чтобы втиснуть функции. Спросите себя: стоит ли это того? Больше слоев усложняют конструкцию. Если это не сбалансировано должным образом, это приводит к более высокому внутреннему напряжению и короблению.
Если позволяет конструкция, уменьшите количество слоев. Используйте доски меньшего размера. По возможности используйте модульную конструкцию.
Проблема коробления печатной платы: влияние на реальный мир
Давайте рассмотрим это в контексте. Вы собираете 12-слойную плату для медицинского прибора. Тестирование проходит нормально. Но после окончательной оплавки некоторые блоки выходят из строя. Контактные площадки плавают. Рентген показывает плохие паяные соединения.
Проблема? Небольшая деформация — всего 0.9%. Но этого достаточно, чтобы поднять углы QFN и создать разомкнутые цепи.
Ваш доход падает на 15%. QA винит сборку. Сборка винит дизайн. Теперь вы переделываете платы. Задержки накапливаются. Доверие клиентов падает. И все это за 0.9%.
Это происходит и в космонавтике. Или в электромобилях. Везде важна надежность.
Заключение
Деформация печатной платы не всегда заметна. Но ее последствия громкие — пропущенные паяные соединения, ошибки оборудования и сбои в работе. Что страшного? Часто ее не замечают, пока не становится слишком поздно.
Поэтому не ждите, пока проблема проявится на производственном участке. Начните с проектирования. Подумайте о материалах. Следите за балансом меди. Выпекайте платы. Обращайтесь с ними правильно. И все измеряйте.
Потому что как только плата согнется — ее трудно разогнуть. При правильных процессах можно избежать большинства проблем с короблением. Это не удача. Это контроль. Так что в следующий раз, когда ваша печатная плата будет выглядеть плоской, спросите себя: так ли это на самом деле?
