Příčiny a řešení deformace PVC desek a desek plošných spojů (PCB)

Deformace desek plošných spojů (PCB) a PVC desek je běžný jev, který může mít závažné důsledky pro funkčnost a spolehlivost koncového produktu. Namísto aby deska ležela naplocho, ohýbá se, kroutí nebo deformuje. K tomu může dojít během výroby, skladování nebo montáže.

Deformace desek plošných spojů (PCB)

Deformace desek plošných spojů (PCB) je fyzické zkreslení. I malé množství deformace může narušit celý proces SMT. Technicky vzato se jedná o odchylku od původního plochého tvaru desky. Normy IPC definují přijatelné limity deformace. Pro povrchovou montáž je to obvykle 0.75 %, pro montáž do otvorů 1.5 %. Nad tuto hranici se problémy začnou rychle hromadit. Limity se však liší v závislosti na tloušťce a aplikaci. Jednoduše řečeno, ohnutá deska plošných spojů znamená porušený proces.

Příčiny deformace PCB

Nic jednotlivého nezpůsobuje deformaci desky. Často je to kombinace více faktorů. Materiály, design a ovladatelnost - to vše hraje roli. Sklon k prohnutí DPS je přirozený jev daný rozdílnou tepelnou roztažností materiálů, z kterých je deska nejčastěji postavena - vyrobena. U vícevrstvých desek je činitelů ovlivňujících jejich budoucí rovinnost přirozeně více. Mezi hlavní příčiny patří:

  1. Designové faktory:
    • Nerovnoměrné rozložení mědi: Pokud je na jedné straně desky hustá měděná plocha a na druhé straně téměř žádná, deska se roztahuje nerovnoměrně. Měď a materiál desky se při zahřívání zvětšují různou rychlostí, což desku deformuje - zejména během laminace nebo reflow.
    • Asymetrické vrstvení: Deska plošných spojů (PCB) se skládá z vrstev. FR4, mědi, prepregu, pájecí masky. Pokud se tyto vrstvy vlivem tepla rovnoměrně neroztahují a nesmršťují, hromadí se napětí. Toto napětí desku ohýbá. Desky s nevyváženými vrstevnatými vrstvami se s větší pravděpodobností kroutí nebo prohýbají. Je třeba se vyvarovat nesymetrického řešení použitých izolačních materiálů i rozdílných tlouštěk mědi porušující symetrii kolem střední osy DPS.
    • Vydlabané nebo vyříznuté oblasti: Velké otvory nebo výřezy desku oslabují. Tato místa nedokážou tak dobře odolávat ohýbání. Neumisťujte velké výřezy blízko okrajů nebo na rovné plochy.
    • Umístění komponent: Velké nebo husté součásti umístěné nerovnoměrně na jedné straně desky mohou během pájení způsobit namáhání. Hmotnost v kombinaci s teplem desku ohýbá dolů. To je obzvláště běžné u reflow pecí s nerovnoměrnými tepelnými profily.
  2. Výrobní faktory:
    • Nedostatečné pečení: FR4 je hygroskopický. Nasává vlhkost jako houba. Pokud není deska správně vypálena nebo skladována, vlhkost se vlivem tepla rychle rozpíná. Náhlé rozpínání způsobuje vnitřní delaminaci nebo mikrotrhliny, které desku zakřiví nebo zkroutí.
    • Materiály s nízkým obsahem Tg: Levný FR4 se rychle ohýbá, zejména při cyklickém zahřívání. Nízká tepelná vodivost (TG) znamená, že deska při nižší teplotě měkne. Díky tomu se snáze ohýbá, když je horká, během montáže.
    • Hluboký V-CUT: V-CUTy pomáhají lámat desky. Pokud je V-CUT příliš hluboký, deska zeslábne a snadno se ohne.
    • Tenké desky: Tenké desky se ohýbají více než silné. Během výroby potřebují dobrou oporu.
    • Teplotní roztažnost: Různé materiály se za horka zvětšují různou rychlostí. Pokud materiály k sobě dobře neodpovídají, může se deska ohnout.
    • Nevhodné skladovací podmínky: Skladování desek na mokrých nebo horkých místech jim umožňuje nasáknout vodu nebo změnit tvar.
    • Nerovnoměrná laminace: Během laminace se aplikuje vysoké teplo a tlak. Pokud tlak není rovnoměrný - nebo je teplota odlišná - dochází k zachycení vnitřního pnutí. Deformaci nemusíte hned vidět, ale jakmile se deska dostane do procesu reflow, projeví se.
  3. Provozní faktory:
    • Mechanické namáhání: Během přepravy, instalace nebo používání může mechanické namáhání způsobit ohýbání nebo deformaci desky plošných spojů.
    • Nesprávná manipulace: Pád desky, její ohýbání při zvedání nebo opírání nástrojů o ni. To vše se sčítá.

Dopady deformace PCB

Zdeformovaná deska plošných spojů nedrží rovně, což je samo o sobě problém. Během montáže se to ale zhoršuje:

  • Problémy s montáží SMT: SMT vyžaduje přesné zarovnání. Deformované desky zvedají kontaktní plošky z pájecí pasty. To vytváří slabé spoje - nebo vůbec žádné spoje. Můstky, otevřené a studené spoje - to vše souvisí se špatným kontaktem během přetavování.
  • Náhrobky (Tombstoning): Malé součástky, jako jsou rezistory a kondenzátory, jsou citlivější. Pokud se během přetavování zvedne jedna ploška, součástka se postaví - vzniknou takzvané „náhrobky“. To se často stává, když jsou desky deformované uprostřed.
  • Nepřesnost Pick-and-Place: Stroje s technologií Pick-and-Place očekávají plochý cíl. Deformace narušuje systém vidění. Součásti se umisťují mimo střed nebo špatně zarovnané. Příliš velká deformace? Stroj se zastaví, což vede ke ztrátě času a peněz.
  • Mechanické namáhání v krytu: Když vtlačíte deformovanou desku do pevného krytu, něco musí ustoupit. Obvykle se jedná o pájené spoje nebo samotné vrstvy desky plošných spojů.
  • Chyby AOI: Systémy AOI se spoléhají na konzistentní geometrii desky. Deformace zkresluje odečty výšky a vytváří falešné signály. Nakonec se snažíte najít falešné vady, nebo ještě hůř - přehlédnete skutečné vady.

Detekce a korekce deformace PCB

Deformace desek plošných spojů není vždy viditelná, ale její účinky jsou zřejmé - přehlédnuté pájené spoje, chyby stroje a selhání v poli. Zde je návod, jak ji včas odhalit a opravit:

Čtěte také: Vše o výpočtu průhybu trámů

Detekční metody:

  1. Vizuální kontrola: Položte desku plošných spojů na ověřený rovný povrch (např. žulový blok). Posviťte si zezadu. Pokud vidíte mezery, je deformovaná. Jednoduché, ale účinné pro rychlou kontrolu.
  2. Měřicí nástroje:
    • Indikátor číselníku (úchylkoměr): Tento nástroj měří malé výškové rozdíly. Pohybujte s ním po povrchu desky plošných spojů a sledujte křivku. Je to přesnější než vizuální kontroly a získáte přesné číslo, ne jen odhad.
    • Spárová měrka: Vložte spárovou měrku mezi desku plošných spojů a rovný povrch. Vyzkoušejte různé čepele, abyste našli přesnou mezeru. Je to technicky nenáročné, ale překvapivě spolehlivé - zejména pro rychlé kontroly v dílně.
    • Speciální přípravky: Drží desku na místě a pomáhají měřit zkreslení mimo rovinu. Často se používají při kontrole kvality ve výrobě a jsou vhodné pro konzistentní a opakovatelné kontroly.
    • Laserové nebo strukturované světelné systémy: Pokročilé systémy používají lasery nebo strukturované světlo k zachycení celého profilu povrchu. Jsou velmi přesné, ale nákladné. Obvykle se používají ve velkoobjemové výrobě.
  3. Měření rovinnosti a zkroucení: Měříme a sledujeme odchylku rovinnosti s cylindrickým zakřivením - prohnutí (bow) a sférickým zakřivením - kulovitá deformace (twist).

Norma IPC-TM-650 2.4.22 popisuje, jak měřit deformaci desek plošných spojů. Položte desku plošných spojů na rovný povrch a k změření nejvyšší odchylky od povrchu použijte výškoměr nebo úchylkoměr. Například ohyb 0.5 mm na desce o tloušťce 200 mm se rovná 0.25 %. To je v rámci limitů. Ale pokud překročíte 0.75 % u desek SMT - nebo 1.5 % u desek s průchozím otvorem - ocitnete se v rizikové zóně. Proč diagonální? Protože deformace není vždy rovná. Může se kroutit, ohýbat, prohýbat. Diagonální zachycuje nejhorší možný scénář.

Korektivní kroky:

Oprava deformovaných desek je těžká. Prevence je lepší. Pokud najdete zdeformovanou desku, můžete se ji pokusit před použitím opravit:

  1. Znovu vypečte desku: Vložte desku do trouby s kontrolovanou teplotou. Pečením se odstraní vlhkost a deska se může vrátit do svého plochého tvaru.
  2. Lisování za studena: Po upečení desku rovnoměrně vychladněte pomocí lisu na plocho. Tento krok pomůže desku zafixovat v rovné poloze.
  3. Ruční srovnání: V případě malých ohybů můžete desku jemně přitlačit rukou. Buďte opatrní, abyste desku nepraskli nebo nepoškodili.
  4. Vyměňte silně zdeformované desky: Pokud deska i po těchto krocích zůstane ohnutá, vyměňte ji. Použití silně zdeformované desky může později způsobit další problémy.

Prevence deformace PCB

Jak tedy zastavit deformaci dříve, než začne? Prevenci lze rozdělit na metody návrhu a výrobní postupy:

Metody návrhu:

  1. Symetrie vrstev: Vždy berte v úvahu symetrii. Zajistěte rovnoměrné rozložení mědi. Použijte stejný počet vrstev nad a pod středem. Slaďte dielektrické tloušťky. Nevyvážené vrstvy mohou vést k nevyváženému napětí a v konečném důsledku k deformaci. Používejte simulační nástroje k včasné kontrole rovnováhy.
  2. Vyvážené rozložení mědi: Vyhněte se velkým odléváním mědi na jedné straně a ne na druhé. Přesně tak se desky začnou kroutit, a to i před přetavením. V případě potřeby použijte slepé měděné výplně. Udržujte konzistentní tepelnou hmotnost.
  3. Optimalizace rozměrů a tloušťky: Zvážíme geometrii desky a její rozměry, včetně tloušťky. Při návrhu desek plošných spojů (PCB) by měla být zvolena vhodná tloušťka a rozměry desky podle skutečných potřeb, aby se zajistilo, že deska vydrží očekávané zatížení a během zpracování se nadměrně neohýbá ani nedeformuje.
  4. Rozumné uspořádání komponent: Během návrhu a montáže desek plošných spojů (PCB) je třeba rozumně uspořádat polohu a rozestupy součástek, aby se zabránilo nerovnoměrnému rozložení součástek na desce, což by mohlo vést k ohýbání nebo deformaci.

Výrobní postupy:

  1. Volba materiálu: Pokud vaše aplikace vyžaduje tepelnou odolnost, použijte materiály s vysokým Tg nebo nízkým CTE. Polyimidové desky jsou stabilnější při tepelném namáhání.
  2. Pečení desek: Pokud byly desky vystaveny vlhkosti, před montáží je vždy nechte vypálit. Vypálením se odstraní voda, která může při zahřátí způsobit jejich ohýbání.
  3. Kontrolované chlazení: Po laminaci desku rovnoměrně vychladněte a udržte ji rovnoměrnou.
  4. Optimalizace pájecího profilu: Náhlé zahřátí způsobuje pnutí, stejně tak nerovnoměrné zahřátí. Nastavte správný profil přetavování. Používejte postupné kroky náběhu a ochlazování. Ujistěte se, že horní a spodní zóny jsou vyvážené. Oboustranné sestavy? Předpečte desku, nebo jednu stranu předem přetavte nízkoteplotní pájecí pastou.
  5. Správné skladování: Desky skladujte naplocho, bez vlhkosti a při kontrolované teplotě. Pokud je to možné, používejte vakuově uzavřené obaly. Přidejte vysoušecí sáčky. Také neskládejte desky bez distančních podložek - váha shora deformuje spodní.
  6. Použití přípravků: Pokud je deska tenká, velká nebo má mnoho součástek, použijte přípravky. Reflow přípravky udržují desku během pájení v rovině. Snižují mechanické namáhání a tepelný prověšení.
  7. Kontrola zpracování: Během zpracování desek plošných spojů je nutné přísně kontrolovat chyby, aby velikost a tvar desky splňovaly konstrukční požadavky a aby se zabránilo nadměrnému ohýbání nebo deformaci.
  8. Přidání podpůrných struktur: Během procesu návrhu a montáže desek plošných spojů lze přidat podpůrné struktury, které zvyšují tuhost desky a zabraňují ohýbání nebo deformaci.
Krok korekce Kdy použít Potřebné nástroje
Znovu vypečte desku Deformace vlhkostí Trouba
Lisování za studena Po upečení Plochý lis
Ruční srovnání Malé ohyby Ruce, rovný povrch
Vyměnit desku Silné deformace N/A

Deformace PVC desek

PVC desky jsou také široce používány v každodenním životě a podobně jako PCB mohou podléhat deformacím. Zde jsou specifické příčiny a řešení pro PVC desky:

Příčiny deformace PVC desek:

  1. Nesprávná regulace teploty: Regulace teploty válce je nestabilní, což činí rychlost toku taveniny nestabilní. Zejména střední a spodní teplota válce kalandru je příliš nízká.
  2. Nestabilita rychlosti šneku: Nestabilita rychlosti šneku vede k nestabilitě vytlačovaného množství.
  3. Nestabilita rychlosti tříválcového kalandru: Rychlost otáčení tříválcového kalandru je nestabilní.
  4. Nestabilita trakční rychlosti: Rychlost trakce není stabilní, rychlá a pomalá.
  5. Nerovnoměrná příčná tloušťka: Konstrukce formy je nepřiměřená a tok tkaniny v průřezu není rovnoměrný. Nastavení mezery hubice je nepřiměřené a nerovnoměrné. Odchylka tříválcové mezery kalandru je velká. Výběr výšky a zpracování tří válečků jsou nepřiměřené.
  6. Nerozptýlené vnitřní pnutí: Kontaktní plocha mezi dvěma konci desky a vzduchem je příliš velká, rychlost chlazení je příliš vysoká a rychlost chlazení tenké části desky je také vysoká. Při tváření se deska ohýbá k první chladící části, což má za následek vnitřní pnutí.

Řešení deformace PVC desek:

  1. Stabilizace teploty válce: Teplota sudu se upraví tak, aby se stabilizovala. Teplota válce kalandru by měla být řízena ve vhodném rozsahu.
  2. Stabilizace rychlosti šneku: Procesní parametry extrudéru by měly být upraveny tak, aby byla extruze stabilní.
  3. Stabilizace rychlosti tříválcového kalandru: Rychlost otáčení tříválcového kalandru by měla být upravena. Mezera mezi třemi válci by měla být rovnoměrná. Střední výška povrchu role by měla být vhodně změněna.
  4. Stabilizace trakční rychlosti: Rychlost trakce by měla být upravena tak, aby fungovala hladce. Rychlost trakce a napětí tažného válečku by měly být nastaveny tak, aby byla trakce desky stabilní.
  5. Optimalizace konstrukce formy a mezery hubice: Forma by měla být upravena, aby bylo vypouštění stejnoměrné. Mezera mezi oběma stranami hubice by měla být o něco menší než mezera mezi oběma stranami.
  6. Rovnoměrné chlazení: Aby se snížilo vnitřní pnutí při tváření, mělo by se ochlazovat co nejrovnoměrněji, aby se snížil tah.

Deformace desek plošných spojů a PVC desek je způsobena kombinací faktorů. Aby se tomuto problému předešlo, je třeba přijmout odpovídající opatření v různých aspektech návrhu, výroby, montáže a používání.

Čtěte také: Vše o přířezu lamino desek

Čtěte také: Více o OSB deskách

tags: #pruhyb #pvc #desek #příčiny #řešení

Oblíbené příspěvky: