Analyse complète du gauchissement et de la déformation des circuits imprimés

1. Qu'est-ce que le gauchissement des circuits imprimés ?

Le gauchissement des circuits imprimés désigne le changement de forme des circuits imprimés pendant leur fabrication ou leur utilisation, entraînant la perte de leur planéité d'origine. Lorsqu'un circuit imprimé est posé à plat sur un bureau, le pourcentage de gauchissement est calculé en mesurant l'écart entre le point le plus haut et le bureau, divisé par la longueur diagonale du circuit.

Formule de calcul du gauchissement: Déformation = (Hauteur de déformation d'un coin / (Longueur diagonale du circuit imprimé × 2)) × 100 %

Normes relatives au gauchissement des circuits imprimés

2. Conséquences graves du gauchissement des PCB

2.1 Processus de fabrication

• Difficultés croissantesSur les lignes SMT automatisées, les circuits imprimés irréguliers entraînent des imprécisions de positionnement, empêchant l'insertion ou le montage correct des composants.
• Dommages matérielsUne déformation importante peut endommager les machines d'insertion automatiques, entraînant des temps d'arrêt de la chaîne de production.
• Défauts de soudage: Le gauchissement entraîne une répartition inégale de la chaleur au niveau des joints de soudure, ce qui provoque des problèmes tels que la soudure virtuelle et l'effet « tombstone ».

2.2 Fiabilité des produits

• Problèmes d'assemblage: Les cartes déformées après soudure rendent difficile la découpe nette des broches des composants, ce qui empêche leur installation correcte dans le châssis ou les supports.
• Risques à long termeLes points de concentration des contraintes sont susceptibles de provoquer des ruptures de circuit dans des environnements soumis à des cycles de températures élevées et basses.
• Dégradation des performances: Cas où les systèmes radar automobiles tombaient fréquemment en panne après avoir été exposés à la chaleur estivale en raison d'une déformation excessive.

3. Principales causes de déformation des circuits imprimés

3.1 Facteurs importants

• Inadéquation CTE: Différence significative entre le coefficient de dilatation thermique de la feuille de cuivre (17×10⁻⁶/℃) et celui du substrat FR-4 (50-70×10⁻⁶/℃)
• Qualité du substrat: Une faible valeur Tg, une absorption d'humidité élevée ou un durcissement incomplet réduisent la stabilité dimensionnelle.
• Asymétrie matérielle: Incohérence entre les marques des noyaux et des panneaux PP ou incompatibilité des épaisseurs dans les panneaux multicouches

3.2 Problèmes de conception

• Répartition inégale du cuivre: De grandes zones de cuivre d'un côté et des circuits clairsemés de l'autre, provoquant une déformation vers le côté déficient en cuivre pendant le chauffage.
• Structure asymétrique: Couches diélectriques spéciales ou exigences d'impédance conduisant à des structures de stratification déséquilibrées.
• Zones creuses excessives: Trop de zones creuses dans les grandes cartes, susceptibles de se déformer après le soudage par refusion.
• Profondeur excessive de la coupe en V: Compromet l'intégrité structurelle, le risque augmentant lorsque l'épaisseur résiduelle est ≤ 1/3 de l'épaisseur du panneau.

3.3 Processus de production

Analyse de la déformation induite par le processus:

• Processus de laminage: Contrôle inadéquat de la température et de la pression, durcissement irrégulier de la résine
• Traitement thermique: Nivellement à l'air chaud (250-265 °C), cuisson du masque de soudure (150 °C), soudage par refusion (230-260 °C)
• Processus de refroidissement: Vitesse de refroidissement excessive, relâchement insuffisant des contraintes
• Contrainte mécanique: Processus d'empilage, de manipulation et de cuisson

3.4 Stockage et environnement

• Effets de l'humidité: Absorption d'humidité et dilatation des stratifiés revêtus de cuivre, particulièrement importantes pour les panneaux à simple face présentant des surfaces d'absorption plus importantes.
• Méthodes de stockage: Stockage vertical ou compression excessive entraînant une déformation mécanique
• Fluctuations de température et d'humidité: Dépassement des plages standard de 15-25 °C/40-60 % HR

4. Mesures d'amélioration et de prévention du gauchissement des circuits imprimés

4.1 Optimisation du choix des matériaux

Tableau stratégique de sélection des substrats:

4.2 Stratégies d'optimisation de la conception

Conception de l'équilibre du cuivre

• Disposition symétriqueContrôler la différence de surface de cuivre entre les côtés A et B dans une limite de 15 %.
• Coulée de cuivre sur grille: Remplacer le cuivre continu par un motif en grille (largeur/espacement des lignes ≥ 0,5 mm), réduisant ainsi les contraintes thermiques de 30 %.
• Traitement des zones creuses: Ajouter des blocs de cuivre équilibrés ou traiter le coulage du cuivre sur les bords.

Les bases de la conception structurelle

• Équilibre intercouche: Assurer une répartition symétrique des feuilles de PP dans les panneaux multicouches, avec une épaisseur constante entre 1-2 et 5-6 couches.
• Sélection de l'épaisseurÉpaisseur recommandée ≥ 1,6 mm pour les cartes SMT, le risque de gauchissement augmente de 3 fois pour les cartes inférieures à 0,8 mm.
• Conception du panneau: Utilisez des structures de panneaux de type X pour répartir les contraintes, avec un contrôle adéquat de l'épaisseur résiduelle de la découpe en V.

4.3 Contrôle du processus de production

Optimisation du processus de laminage

Exemple de processus de pression par étapes:

• Phase de pénétration: 5-10 kg/cm² pour un écoulement complet de la résine
• Étape de diffusion: 20-25 kg/cm² pour une adhérence optimale entre les couches
• Phase de durcissement: 30-35 kg/cm² pour un durcissement complet

Profil de contrôle de la température:

• Taux de chauffage: Chauffage lent à 1 °C/min
• Étape de trempage: Trempage progressif à 130 °C/150 °C pendant 10 minutes à chaque fois.
• Effet: amélioration de 40 % de l'uniformité du flux de résine

Points clés de contrôle des processus

1. Pré-découpe Cuisson: 150 °C, 8 ± 2 heures pour éliminer l'humidité et relâcher les contraintes
2. Traitement des préimprégnés: Distinguer les directions de chaîne et de trame (taux de rétrécissement de la chaîne inférieur de 0,2 % à celui de la trame)
3. Contrôle du refroidissement: Utilisez le refroidissement par étapes, en marquant une pause de 5 minutes pour chaque baisse de 10 °C.
4. Nivellement à l'air chaud après cuisson: Refroidissement naturel sur des dalles de marbre, évitant un refroidissement rapide

4.4 Gestion du stockage et du transport

• Contrôle de l'environnement: 15-25 °C, 40-60 % HR, fluctuations à court terme ≤ 10 % HR/4 heures
• Méthodes d'empilage: Empilement horizontal ≤30 feuilles (≤20 pour les panneaux de précision), éviter le stockage vertical
• Protection des emballages: Sacs sous vide en feuille d'aluminium + dessiccant en gel de silice (≥5 g/m²), matériau de rembourrage isolant

5. Méthodes de réparation des déformations des circuits imprimés

5.1 Réparation en cours de fabrication

• Nivellement par rouleaux: Traitement immédiat des panneaux déformés découverts au cours des processus utilisant des machines à niveler à rouleaux.
• Nivellement à chaud: Utilisez des moules en forme d'arc pour la cuisson et le nivellement à proximité de la température Tg du substrat.

5.2 Réparation des planches finies

Étapes du moulage à chaud des moulures de poupe:

1. Placez le circuit imprimé déformé avec la surface courbée face à la surface du moule.
2. Ajustez les vis de fixation pour déformer le circuit imprimé dans la direction opposée.
3. Placer dans le four et chauffer à une température proche de la température Tg du substrat.
4. Maintenir pendant une durée suffisante pour obtenir une relaxation complète.
5. Retirer du moule après refroidissement et stabilisation.

6. Détection et contrôle qualité

Comparaison des méthodes de détection du gauchissement des circuits imprimés

Techniques pratiques de contrôle qualité

• Inspection à la réception: Utilisez une règle et une jauge d'épaisseur pour mesurer les écarts aux quatre coins et au milieu des bords longs, et signalez tout écart supérieur à 0,3 mm.
• Pré-soudageLe préchauffage est particulièrement nécessaire pour les plaques de cuivre épaisses afin de libérer les contraintes.
• Surveillance régulière: Vérifier l'oxydation de la feuille de cuivre pour les stockages supérieurs à 6 mois (mettre au rebut si la différence de couleur ΔE>5).

Résumé

Le gauchissement des circuits imprimés est un facteur critique qui affecte la qualité des produits électroniques. Grâce à des mesures multidimensionnelles, notamment le choix des matériaux, l'optimisation de la conception, le contrôle des processus et la gestion du stockage, le gauchissement peut être efficacement contrôlé dans les limites requises. Pour les problèmes de gauchissement existants, des méthodes de réparation appropriées permettent également de récupérer les pertes. Le contrôle du gauchissement des circuits imprimés n'est pas seulement une question technique, mais aussi le reflet global de la gestion des coûts et de la qualité, qui nécessite la collaboration des services de conception, de production et de qualité.