Uma análise abrangente da deformação e empenamento de placas de circuito impresso

1. O que é deformação de PCB?

A deformação da PCB refere-se à alteração da forma das placas de circuito impresso durante a produção ou utilização, resultando na perda da planicidade original. Quando uma PCB é colocada na horizontal sobre uma secretária, a percentagem de deformação é calculada medindo a distância entre o ponto mais alto e a secretária, dividida pelo comprimento diagonal da placa.

Fórmula de cálculo da deformação: Deformação = (altura da deformação de um canto / (comprimento diagonal da placa de circuito impresso × 2)) × 100%

Normas relativas à deformação das placas de circuito impresso

2. Impactos graves da deformação do PCB

2.1 Processo de Fabricação

• Dificuldades crescentes: Em linhas SMT automatizadas, placas de circuito impresso irregulares causam imprecisões de posicionamento, impedindo a inserção ou montagem adequada dos componentes.
• Danos ao equipamento: Deformações graves podem danificar máquinas de inserção automática, causando tempo de inatividade na linha de produção.
• Defeitos de soldagem: A deformação leva a uma distribuição irregular do calor nas juntas de solda, causando problemas como soldagem virtual e tombstoning.

2.2 Fiabilidade do produto

• Questões de montagem: Placas deformadas após a soldagem dificultam o corte preciso dos terminais dos componentes, impedindo a instalação adequada no chassi ou nos soquetes.
• Riscos a longo prazo: Os pontos de concentração de tensão são propensos a quebras no circuito em ambientes com ciclos de alta e baixa temperatura.
• Degradação do desempenho: Casos em que os sistemas de radar automotivo frequentemente falhavam após exposição ao sol no verão devido ao empenamento excessivo.

3. Principais causas da deformação do PCB

3.1 Fatores materiais

• Incompatibilidade CTE: Diferença significativa no coeficiente de expansão térmica entre a folha de cobre (17 × 10-⁶ / ℃) e o substrato FR-4 (50-70 × 10-⁶ / ℃)
• Qualidade do substrato: Um valor baixo de Tg, uma elevada absorção de humidade ou uma cura incompleta reduzem a estabilidade dimensional.
• Assimetria material: Marcas inconsistentes do núcleo e da placa PP ou incompatibilidades de espessura em placas multicamadas

3.2 Questões de design

• Distribuição irregular do cobre: Grandes áreas de cobre num lado versus circuitos esparsos no outro, causando deformação em direção ao lado com deficiência de cobre durante o aquecimento.
• Estrutura assimétrica: Camadas dielétricas especiais ou requisitos de impedância que levam a estruturas de laminação desequilibradas
• Áreas ocas excessivas: Muitas áreas ocas em placas grandes, propensas a entortar após a soldagem por refluxo.
• Profundidade excessiva do corte em V: Compromete a integridade estrutural, com o risco a aumentar quando a espessura residual é ≤1/3 da espessura da placa

3.3 Processos de produção

Análise de deformação induzida por processo:

• Processo de laminação: Controlo inadequado da temperatura e pressão, cura irregular da resina
• Processamento térmico: Nivelamento de ar quente (250-265 ℃), cozimento de máscara de solda (150 ℃), solda por refluxo (230-260 ℃)
• Processo de arrefecimento: Velocidade de arrefecimento excessiva, alívio de tensão insuficiente
• Tensão mecânica: Processos de empilhamento, manuseamento e cozedura

3.4 Armazenamento e ambiente

• Efeitos da humidade: Absorção de humidade e expansão do laminado revestido a cobre, particularmente significativo para painéis de um só lado com áreas de absorção maiores
• Métodos de armazenamento: Armazenamento vertical ou compressão excessiva causando deformação mecânica
• Flutuações de temperatura e humidade: Excede as gamas padrão de 15-25℃/40-60%RH

4. Melhoria e medidas de prevenção da deformação de PCB

4.1 Otimização da seleção de materiais

Tabela de estratégias de seleção de substratos:

4.2 Estratégias de otimização do projeto

Design de equilíbrio de cobre

• Layout simétrico: Controlar a diferença da área de cobre entre os lados A/B dentro de 15%
• Derramamento de cobre com base em grelha: Alterar o cobre contínuo para um padrão de grelha (largura/espaçamento das linhas ≥0,5 mm), reduzindo o stress térmico em 30%
• Tratamento de áreas ocas: Adicione blocos de cobre equilibrados ou processe o cobre derramado nas bordas

Fundamentos do projeto estrutural

• Equilíbrio entre camadas: Garantir a distribuição simétrica da folha de PP em placas multicamadas, com espessura consistente entre 1-2 e 5-6 camadas.
• Seleção da espessura: Espessura recomendada ≥1,6 mm para placas SMT, o risco de empenamento aumenta 3 vezes para placas com menos de 0,8 mm
• Design do painel: Utilize estruturas de painéis do tipo X para dispersar a tensão, com controlo adequado da espessura residual do corte em V.

4.3 Controlo do processo de produção

Otimização do processo de laminação

Exemplo de processo de pressão escalonada:

• Fase de penetração: 5-10kg/cm² para um fluxo de resina completo
• Fase de difusão20-25kg/cm² para uma ligação óptima entre camadas
• Fase de cura: 30-35kg/cm² para uma cura completa

Perfil de controlo de temperatura:

• Taxa de aquecimento: Aquecimento lento a 1℃/min
• Fase de imersão: Imersão gradual a 130 ℃ / 150 ℃ por 10 minutos cada
• Efeito: Melhoria de 40% na uniformidade do fluxo da resina

Pontos-chave de controlo do processo

1. Pré-corte Cozedura: 150℃, 8±2 horas para remover a humidade e libertar o stress
2. Tratamento com pré-impregnado: Distinguir as direções da urdidura e da trama (taxa de encolhimento da urdidura 0,2% inferior à da trama)
3. Controlo de refrigeração: Utilizar o arrefecimento por etapas, fazendo uma pausa de 5 minutos por cada gota de 10℃
4. Nivelamento com ar quente pós-cozimento: Arrefecimento natural em placas de mármore, evitando o arrefecimento rápido

4.4 Gestão de armazenamento e transporte

• Controlo ambiental: 15-25℃, 40-60%RH, flutuações de curto prazo ≤10%RH/4 horas
• Métodos de empilhamento: Empilhamento horizontal ≤30 folhas (≤20 para placas de precisão), evitar o armazenamento vertical
• Proteção da embalagem: Sacos de folha de alumínio a vácuo + dessecante de sílica gel (≥5g/㎡), isolamento de material de amortecimento

5. Métodos de reparação de deformação de PCB

5.1 Reparação durante o processo

• Nivelamento com rolos: Tratamento imediato de placas deformadas descobertas durante processos que utilizam máquinas de nivelamento com rolos
• Nivelamento por prensagem a quente: Use moldes em forma de arco para assar e nivelar perto da temperatura Tg do substrato.

5.2 Reparação da placa acabada

Etapas da prensagem a quente do molde do arco:

1. Coloque a placa de circuito impresso deformada com a superfície curva voltada para a superfície do molde.
2. Ajuste os parafusos de fixação para deformar a placa de circuito impresso na direção oposta.
3. Coloque no forno e aqueça perto da temperatura Tg do substrato.
4. Mantenha por um tempo suficiente para relaxar completamente o stress.
5. Retire do molde após arrefecer e estabilizar.

6. Detecção e controlo de qualidade

Comparação de métodos de deteção de deformação de PCB

Técnicas práticas de controlo de qualidade

• Inspeção de entrada: Use uma régua + calibrador de espessura para medir as folgas nos quatro cantos e no ponto médio das bordas longas, alertando se exceder 0,3 mm.
• Pré-solda: O pré-aquecimento é especialmente necessário para placas de cobre espessas, a fim de liberar a tensão.
• Monitorização regular: Verificar a oxidação da folha de cobre em caso de armazenagem superior a 6 meses (eliminar se a diferença de cor for ΔE>5)

Resumo

A deformação do PCB é um fator crítico que afeta a qualidade dos produtos eletrónicos. Através de medidas multidimensionais, incluindo seleção de materiais, otimização do design, controlo do processo e gestão do armazenamento, a deformação pode ser controlada de forma eficaz dentro dos limites exigidos. Para os problemas de deformação existentes, métodos de reparação adequados também podem recuperar as perdas. Controlar a deformação do PCB não é apenas uma questão técnica, mas também um reflexo abrangente da gestão de custos e qualidade, exigindo esforços colaborativos dos departamentos de design, produção e qualidade.