Descripción general de la deformación de las placas de circuito impreso: desde el material hasta el proceso de fabricación.

En una línea de ensamblaje SMT , una placa de circuito impreso deformada puede pasar por los rieles de transporte, pero podría generar problemas en el futuro, como agrietamiento de las uniones de soldadura, daños por tensión en los chips e incluso fallas completas del sistema. La deformación, que ocurre a escala milimétrica, representa un riesgo potencial para el rendimiento y la confiabilidad en el ensamblaje electrónico de alta densidad.

I. La esencia de la deformación: "Conflicto de tensiones" microscópico

La deformación de las placas de circuito impreso no se limita a una simple irregularidad; su problema fundamental radica en la incapacidad de liberar las tensiones internas generadas durante el proceso térmico debido a la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica entre los distintos materiales, como el sustrato, las capas de cobre, los componentes y la soldadura. Este conflicto de tensiones persiste durante todo el proceso de fabricación.

II. Cinco causas fundamentales: ¿De dónde proviene la deformación?

1. "Defectos naturales" en los materiales y el diseño de placas de circuito impreso.

● Asimetría en el núcleo de la placa: La asimetría en el número de capas de preimpregnado y el grosor de la lámina de cobre en las placas multicapa, como una distribución desigual del material en un "sándwich", conduce inevitablemente a un desequilibrio de la tensión interna después del curado.

● Grandes superficies de cobre y diseño de malla: La importante diferencia en la contracción térmica entre las superficies de cobre sólido en las capas de alimentación/tierra y las áreas con solo pistas es una causa importante de deformación localizada. No utilizar una capa de cobre tipo malla para grandes superficies de cobre es un error de diseño común.

● Valor Tg del material: Los materiales con bajo Tg (como el FR-4 común) entran en un estado altamente elástico al pasar por la soldadura por reflujo a temperaturas máximas, lo que los hace más susceptibles a la deformación irreversible por gravedad y tensión.

2. El "efecto aditivo" derivado del diseño de componentes y el desequilibrio de peso.

● Concentración de componentes pesados ​​en un lado: Concentrar grandes BGA, disipadores de calor, inductores y conectores en un lado de la PCB provoca una deformación significativa debido a su propio peso y al estrés térmico a altas temperaturas. 

● Empaquetado asimétrico: Las diferencias excesivas en la masa y el volumen de los componentes en ambos lados de la placa exacerban el desequilibrio de la tensión térmica. 

3. "Choque térmico" durante los procesos SMT

●  Perfil de soldadura por reflujo inadecuado: Las velocidades de calentamiento/enfriamiento excesivamente rápidas dan como resultado diferencias de temperatura excesivas a lo largo del espesor de la placa de circuito impreso, lo que genera una enorme tensión térmica instantánea.

●  Sobrecalentamiento localizado durante la soldadura por ola: Durante la soldadura selectiva o la soldadura por ola, la obstrucción del soporte puede causar un calentamiento desigual de las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso, lo que da como resultado una deformación en forma de arco.

4. "Erosión crónica" por medio ambiente y estrés.

●  Absorción de humedad y deformación: Las placas de circuito impreso (especialmente aquellas que utilizan sustratos altamente absorbentes) se expanden debido a la absorción de humedad si se almacenan en ambientes húmedos. Durante la soldadura por reflujo, la rápida evaporación de la humedad provoca un efecto de "palomitas de maíz" y deformación.

●  Tensión mecánica residual: La tensión mecánica acumulada durante el despanelado y el montaje, si no se libera por completo, se acumulará y se manifestará durante el proceso térmico.

III. Métodos de mejora

1. Optimización del diseño: Exigir una disposición simétrica de las capas de la placa de circuito impreso, utilizar un patrón de cuadrícula para las áreas grandes de cobre e incorporar bloques de cobre de equilibrio en el diseño del panel.

2. Selección de materiales: Para productos electrónicos de alta fiabilidad, utilice sustratos con una temperatura de transición vítrea (Tg) media o alta, materiales con un coeficiente de expansión térmica (CTE) bajo (como resina epoxi modificada o poliimida) o una estructura tipo "sándwich" para estabilizar la placa base.

3. Control del proceso térmico: Optimizar los perfiles de soldadura por reflujo, utilizando una curva suave de calentamiento-mantenimiento-reflujo, para minimizar las diferencias de temperatura superficial en la placa de circuito impreso.

4. Seguimiento del progreso: Introducir la medición automática de la deformación en estaciones de trabajo clave (como después de la soldadura por reflujo), proporcionando información en tiempo real para el control estadístico del proceso.

5. Entorno y estrés: Controlar estrictamente la humedad de almacenamiento de las placas de circuito impreso y los productos semiacabados, y realizar un horneado estándar en los materiales que absorben la humedad antes del montaje superficial (SMT).

6. Análisis de fallos y análisis de circuito cerrado: Realizar análisis de tensión, simulación termomecánica y análisis de sección transversal en placas de circuito impreso con deformación excesiva para identificar la causa raíz y mejorar continuamente el proceso.

IV. Normas de medición y criterios de aceptación 

La industria de las placas de circuito impreso (PCB) generalmente sigue los estándares IPC-A-610 y J-STD-003:

1. Para el ensamblaje de PCB con dispositivos montados en la parte inferior, como los BGA: la deformación máxima permitida suele ser del 0,75 % (es decir, para una longitud de placa de 300 mm, la altura máxima de curvatura es de 2,25 mm).

2. Dispositivos sin terminales inferiores: La deformación máxima permitida puede ampliarse a entre el 1,0 % y el 1,5 %.

3. Momento de la medición: La medición debe realizarse a temperatura ambiente después del proceso térmico y antes del ensamblaje crítico.

Conclusión: 

La deformación de las placas de circuito impreso (PCBA) se debe a múltiples factores. Para evitarla, se requiere un enfoque centrado en el producto: los ingenieros de diseño, los fabricantes de PCB, los ingenieros de procesos SMT y los proveedores de materiales deben controlar rigurosamente sus procesos. Desde el diseño de la PCB hasta el control del aumento de temperatura en el horno de reflujo, se requiere una comprensión sistemática y un control preciso para garantizar que la PCBA sea capaz de soportar productos electrónicos fiables.

Benlida lleva 14 años fabricando placas de circuito impreso (PCB) . Contamos con equipos y técnicos profesionales para realizar mediciones precisas de deformación, y con ingenieros que apoyan la comprensión y el análisis de los mecanismos físicos subyacentes, así como la mejora de los procesos. Disponemos de un equipo de ingeniería experimentado y equipamiento de laboratorio.

1. Medición precisa de la deformación 3D: Utilizando un escáner láser de alta precisión y un interferómetro de luz blanca, se genera un mapa de nube de deformación 3D de toda la superficie de la placa de circuito impreso (PCBA).

2. Análisis de materiales y estructura: analizar la Tg y el CTE del sustrato mediante TMA y DSC. Análisis SEM/de sección para observar la estructura de laminación, el relleno de resina y el origen de las grietas.

3. Simulación y verificación de esfuerzos térmicos: Se realiza una simulación termomecánica de elementos finitos basada en datos medidos para predecir el riesgo de deformación y optimizar los parámetros del proceso.

4. Análisis exhaustivo de fallos: Se proporciona un informe de análisis completo, desde el síntoma hasta la causa raíz, para los fallos causados ​​por deformaciones, como circuitos abiertos, uniones de soldadura frías y agrietamiento de chips.

Si su PCB presenta problemas de deformación y desea mejorar sistemáticamente la calidad de su PCB y PCBA, ¡no dude en ponerse en contacto con Benlida!