1. Che cos'è la deformazione dei PCB?
La deformazione dei PCB si riferisce al cambiamento di forma dei circuiti stampati durante la produzione o l'uso, con conseguente perdita della planarità originale. Quando un PCB viene posizionato in piano su una scrivania, la percentuale di deformazione viene calcolata misurando la distanza tra il punto più alto e la scrivania, divisa per la lunghezza diagonale della scheda.
Formula di calcolo della deformazione: Deformazione = (Altezza della deformazione di un singolo angolo / (Lunghezza diagonale del PCB × 2)) × 100%
Standard relativi alla deformazione dei PCB
| Scenario di applicazione | Deformazione ammissibile | Osservazioni |
|---|
| Elettronica di consumo generale | ≤0,75% | Requisiti standard IPC di base |
| SMT ad alta precisione | ≤0,50% | Telefoni cellulari, apparecchiature di comunicazione, ecc. |
| Requisiti di precisione ultra elevata | ≤0,30% | Settori militari, medici e altri settori speciali |
| Solo processo plug-in | ≤1,50% | Nessun componente a montaggio superficiale |
2. Gravi conseguenze della deformazione dei PCB
2.1 Processo di produzione
- Difficoltà di montaggio: Nelle linee SMT automatizzate, i PCB irregolari causano imprecisioni di posizionamento, impedendo il corretto inserimento o montaggio dei componenti.
- Danni alle attrezzature: Una deformazione grave può danneggiare le macchine di inserimento automatico, causando tempi di inattività della linea di produzione.
- Difetti di saldatura: La deformazione porta a una distribuzione non uniforme del calore nei giunti di saldatura, causando problemi quali saldature virtuali e tombstoning.
2.2 Affidabilità del prodotto
- Problemi di assemblaggio: Le schede deformate dopo la saldatura rendono difficile tagliare con precisione i terminali dei componenti, impedendo una corretta installazione nel telaio o nei socket.
- Rischi a lungo termine: I punti di concentrazione dello stress sono soggetti a rottura dei circuiti in ambienti con cicli di temperatura alta-bassa.
- Deterioramento delle prestazioniCasi in cui i sistemi radar automobilistici hanno spesso smesso di funzionare dopo l'esposizione estiva a causa di un'eccessiva deformazione.
3. Principali cause della deformazione dei PCB
3.1 Fattori rilevanti
- Disallineamento CTE: Differenza significativa nel coefficiente di espansione termica tra la lamina di rame (17×10⁻⁶/℃) e il substrato FR-4 (50-70×10⁻⁶/℃)
- Qualità del substrato: Un valore Tg basso, un elevato assorbimento di umidità o un'essiccazione incompleta riducono la stabilità dimensionale.
- Asimmetria dei materiali: Marchi del nucleo e del pannello PP non uniformi o discrepanze di spessore nei pannelli multistrato
3.2 Problemi di progettazione
- Distribuzione irregolare del rame: Ampie aree di rame su un lato contro circuiti sparsi sull'altro, causando una deformazione verso il lato con carenza di rame durante il riscaldamento.
- Struttura asimmetrica: Speciali strati dielettrici o requisiti di impedenza che portano a strutture di laminazione sbilanciate
- Aree cave eccessive: Troppe aree cave nelle schede di grandi dimensioni, soggette a piegarsi dopo la saldatura a rifusione.
- Profondità eccessiva del taglio a V: Compromette l'integrità strutturale, con un aumento del rischio quando lo spessore residuo è ≤1/3 dello spessore del pannello.
3.3 Processi produttivi
Analisi della deformazione indotta dal processo:
- Processo di laminazione: Controllo improprio della temperatura e della pressione, polimerizzazione irregolare della resina
- Trattamento termico: Livellamento ad aria calda (250-265 °C), cottura della maschera di saldatura (150 °C), saldatura a rifusione (230-260 °C)
- Processo di raffreddamento: Velocità di raffreddamento eccessiva, scarico della tensione insufficiente
- Sollecitazione meccanica: Processi di impilaggio, movimentazione e cottura
3.4 Conservazione e ambiente
- Effetti dell'umidità: Assorbimento di umidità ed espansione del laminato rivestito in rame, particolarmente significativo per i pannelli monofacciali con aree di assorbimento più ampie.
- Metodi di conservazione: Stoccaggio verticale o forte compressione che causano deformazioni meccaniche
- Fluttuazioni di temperatura e umidità: Superamento degli intervalli standard di 15-25 °C/40-60% UR
4. Miglioramento della deformazione dei PCB e misure preventive
4.1 Ottimizzazione della selezione dei materiali
Tabella delle strategie di selezione dei substrati:
| Scenario di applicazione | Materiale consigliato | Vantaggi caratteristici | Effetto di miglioramento della deformazione |
|---|
| Elettronica di consumo generale | FR-4 ad alto Tg (Tg≥170℃) | Buona resistenza al calore | Resistenza alla deformazione superiore del 30% rispetto ai materiali tradizionali |
| Elettronica automobilistica | FR-4 speciale (Tg>180℃) | Stabilità alle alte temperature | Adatto per ambienti con temperature elevate nel vano motore |
| Applicazioni ad alta frequenza | Compositi rinforzati con fibra di carbonio | CTE riducibile a 8 ppm/℃ | Riduzione del 50% della deformazione termica |
| Ambienti con elevata umidità | Compositi in PTFE | Assorbimento d'acqua ≤0,1% | Eccellente resistenza all'umidità |
4.2 Strategie di ottimizzazione della progettazione
Design Copper Balance
- Layout simmetrico: Controllare la differenza dell'area di rame tra i lati A/B entro il 15%.
- Colata di rame su griglia: Sostituire il rame continuo con un motivo a griglia (larghezza/spaziatura delle linee ≥0,5 mm), riducendo lo stress termico del 30%.
- Trattamento delle aree cave: Aggiungere blocchi di rame bilanciati o lavorare il rame versato sui bordi
Elementi essenziali di progettazione strutturale
- Equilibrio interstrato: Garantire una distribuzione simmetrica del foglio in PP nei pannelli multistrato, con uno spessore uniforme tra 1-2 e 5-6 strati.
- Selezione dello spessore: Spessore consigliato ≥1,6 mm per schede SMT, il rischio di deformazione aumenta di 3 volte per schede inferiori a 0,8 mm.
- Progettazione del pannello: Utilizzare strutture a pannelli di tipo X per distribuire lo stress, con un adeguato controllo dello spessore residuo con taglio a V.
4.3 Controllo del processo produttivo
Ottimizzazione del processo di laminazione
Esempio di processo a pressione graduale:
- Fase di penetrazione: 5-10 kg/cm² per il flusso completo della resina
- Fase di diffusione: 20-25 kg/cm² per un incollaggio ottimale tra gli strati
- Fase di stagionatura: 30-35 kg/cm² per la polimerizzazione completa
Profilo di controllo della temperatura:
- Tasso di riscaldamento: Riscaldamento lento a 1 °C/min
- Fase di ammollo: Immergere gradualmente a 130 °C/150 °C per 10 minuti ciascuno.
- Effetto: Miglioramento del 40% nell'uniformità del flusso della resina
Punti chiave di controllo del processo
- Pre-taglio Cottura: 150 °C, 8±2 ore per rimuovere l'umidità e rilasciare lo stress
- Trattamento con preimpregnati: Distinguere la direzione dell'ordito e quella della trama (il tasso di restringimento dell'ordito è inferiore dello 0,2% rispetto a quello della trama)
- Controllo del raffreddamento: Utilizzare il raffreddamento graduale, con una pausa di 5 minuti ogni 10 °C di diminuzione della temperatura.
- Livellamento post-aria calda: Raffreddamento naturale su lastre di marmo, evitando un raffreddamento rapido
4.4 Gestione dello stoccaggio e del trasporto
- Controllo ambientale: 15-25 °C, 40-60% di umidità relativa, fluttuazioni a breve termine ≤10% di umidità relativa/4 ore
- Metodi di impilaggio: Impilaggio orizzontale ≤30 fogli (≤20 per pannelli di precisione), evitare lo stoccaggio verticale
- Protezione dell'imballaggio: Sacchetti sottovuoto in foglio di alluminio + essiccante in gel di silice (≥5 g/m²), materiale di isolamento ammortizzante
5. Metodi di riparazione della deformazione dei PCB
5.1 Riparazione durante il processo
- Livellamento a rulli: Trattamento immediato delle tavole deformate individuate durante i processi che utilizzano macchine livellatrici a rulli.
- Livellamento a caldo: Utilizzare stampi a forma di arco per la cottura e il livellamento in prossimità della temperatura Tg del substrato.
5.2 Riparazione della tavola finita
| Metodo di riparazione | Scenari applicabili | Efficacia | I rischi |
|---|
| Livellamento a freddo | Leggera deformazione | media | Tendenza al rimbalzo |
| Livellamento a caldo | Deformazione moderata | buona | Possibile scolorimento |
| Pressa a caldo per modanature ad arco | Varie condizioni di deformazione | Il migliore | Controllo temperatura/tempo richiesto |
Fasi della pressatura a caldo dello stampo a arco:
- Posizionare il PCB deformato con la superficie curva rivolta verso la superficie dello stampo.
- Regolare le viti di fissaggio per deformare il PCB nella direzione opposta.
- Mettere in forno e riscaldare vicino alla temperatura Tg del substrato.
- Mantenere per un tempo sufficiente al completo rilassamento dello stress.
- Rimuovere dallo stampo dopo il raffreddamento e la stabilizzazione
6. Rilevamento e controllo qualità
Confronto tra metodi di rilevamento della deformazione dei PCB
| Metodo di rilevamento | precisione | Velocità | costo | Scenari applicabili |
|---|
| Ispezione visiva | basso | Veloce | basso | Selezione preliminare |
| Righello/calibro a spessore | Medio | Medio | basso | Ispezione di routine |
| Scansione laser | elevata | Veloce | elevata | Produzione di massa |
| Sistema AOI | elevata | Medio | elevata | Rilevamento ad alta precisione |
Tecniche pratiche di controllo qualità
- Ispezione in entrata: Utilizzare un righello + uno spessimetro per misurare gli spazi vuoti ai quattro angoli e al centro dei bordi lunghi, segnalare se superano 0,3 mm.
- Pre-saldaturaIl preriscaldamento è particolarmente necessario per le lastre di rame spesse al fine di rilasciare le tensioni.
- Monitoraggio regolare: Controllare l'ossidazione della lamina di rame per periodi di stoccaggio superiori a 6 mesi (scartare se la differenza di colore ΔE>5).
sintesi
La deformazione dei PCB è un fattore critico che influisce sulla qualità dei prodotti elettronici. Attraverso misure multidimensionali che includono la selezione dei materiali, l'ottimizzazione della progettazione, il controllo dei processi e la gestione dello stoccaggio, è possibile controllare efficacemente la deformazione entro i limiti richiesti. Per i problemi di deformazione esistenti, metodi di riparazione appropriati possono anche recuperare le perdite. Il controllo della deformazione dei PCB non è solo una questione tecnica, ma anche un riflesso completo della gestione dei costi e della qualità, che richiede uno sforzo collaborativo da parte dei reparti di progettazione, produzione e qualità.