סקירה כללית של עיוות PCBA: מחומר לתהליך ייצור

בקו הרכבה של SMT , PCBA מעוות עשוי לעבור דרך פסי ההובלה, אך הוא עלול לחשוף בעיות בעתיד, כגון סדקים במפרקי הלחמה, נזק ממאמץ שבב ואפילו כשל מערכת מוחלט. עיוות, עיוות זה המתרחש בקנה מידה של מילימטר, מהווה סיכון פוטנציאלי לתפוקה ולאמינות בהרכבות אלקטרוניות בצפיפות גבוהה.

א. מהות העיוות: "קונפליקט לחץ" מיקרוסקופי

עיוות PCBA אינו רק "אי-אחידות", הבעיה המרכזית שלו היא חוסר היכולת לשחרר מתחים פנימיים שנוצרים במהלך התהליך התרמי עקב מקדמי התפשטות תרמית לא תואמים בין חומרים שונים, כגון מצע ה-PCB, שכבות הנחושת, הרכיבים והלחמה. קונפליקט מתחים זה נמשך לאורך כל תהליך הייצור.

II. חמש סיבות שורש: מהיכן נובעת עיוות?

1. "פגמים טבעיים" בחומרי PCB ועיצובם

● אסימטריה מליבת הלוח: אסימטריה במספר שכבות הפרפרג ובעובי נייר הנחושת על לוחות רב-שכבתיים, כמו פיזור חומר לא אחיד ב"סנדוויץ'", מובילה בהכרח לחוסר איזון של המאמץ הפנימי לאחר ההתקשות.

● משטחי נחושת גדולים ותכנון רשת: ההבדל המשמעותי בהתכווצות תרמית בין משטחי נחושת מוצקים בשכבות החשמל/הארקה, לבין אזורים עם עקבות בלבד, הוא גורם עיקרי לעיוות מקומי. אי שימוש בשכבת נחושת דמוית רשת ליציקות נחושת בשטח גדול הוא טעות תכנון נפוצה.

● ערך Tg של החומר: חומרים בעלי Tg נמוך (כגון FR-4 רגיל) נכנסים למצב אלסטי ביותר בעת הלחמת Reflow בטמפרטורות שיא, מה שהופך אותם רגישים יותר לעיוות בלתי הפיך כתוצאה מכוח משיכה ומאמץ.

2. "האפקט התוסף" מפריסת רכיבים וחוסר איזון במשקל

● ריכוז רכיבים כבדים בצד אחד: ריכוז רכיבי BGA גדולים, גופי קירור, סלילים ומחברים בצד אחד של המעגל המודפס מוביל לעיוות משמעותי, עקב משקלם העצמי ועומס תרמי בטמפרטורות גבוהות. 

● אריזה אסימטרית: הבדלים מוגזמים במסה ובנפח של רכיבים משני צידי הלוח, מחריפים את חוסר האיזון של העומס התרמי. 

3. "הלם תרמי" במהלך תהליכי SMT

●  פרופיל הלחמה לא תקין של Reflow: קצבי חימום/קירור מהירים מדי גורמים להפרשי טמפרטורה מוגזמים לאורך עובי ה-PCB, ויוצרים עומס תרמי מיידי עצום.

●  התחממות יתר מקומית במהלך הלחמת גלים: במהלך הלחמה סלקטיבית או הלחמת גלים, חסימה של מתקן החיבור עלולה לגרום לחימום לא אחיד של המשטחים העליונים והתחתונים של המעגל המודפס, וכתוצאה מכך לעיוות קמור.

4. "שחיקה כרונית" מסביבה ולחץ

●  ספיגת לחות ועיוות: מעגלים מודפסים (במיוחד אלו המשתמשים במצעים סופגים מאוד) מתרחבים עקב ספיגת לחות אם הם מאוחסנים בסביבות לחות. במהלך הלחמת Reflow, אידוי מהיר של לחות יוביל לאפקט "פופקורן" ועיוות.

●  מאמץ מכני שיורי: מאמץ מכני המצטבר במהלך פירוק הפאנל וההרכבה, אם לא ישתחרר במלואו, יצטבר ויתבטא במהלך התהליך התרמי.

ג. שיטות שיפור

1. אופטימיזציה של התכנון: חובת שכבות סימטריות של PCB, שימוש בדוגמת רשת עבור שטחי נחושת גדולים, ושילוב בלוקי נחושת איזון בתכנון הפאנל.

2. בחירת חומרים: עבור מוצרים אלקטרוניים בעלי אמינות גבוהה, יש להשתמש במצעים בעלי Tg בינוני עד גבוה, חומרים בעלי CTE נמוך (כגון שרף אפוקסי שעבר שינוי, פוליאימיד), או מבנה "סנדוויץ'" כדי לייצב את לוח הליבה.

3. בקרת תהליכים תרמיים: אופטימיזציה של פרופילי הלחמת reflow, באמצעות עקומה עדינה של חימום-החזקה-reflow, כדי למזער את הפרשי טמפרטורת פני השטח על גבי המעגל המודפס.

4. ניטור התקדמות: הטמעת מדידת עיוות אוטומטית בתחנות עבודה מרכזיות (כגון לאחר הלחמת הזרמה חוזרת), תוך מתן משוב נתונים בזמן אמת לבקרת תהליכים סטטיסטית.

5. סביבה ולחץ: יש לשלוט בקפדנות בלחות האחסון של PCBs ומוצרים מוגמרים למחצה, ולבצע אפייה סטנדרטית על חומרים סופגי לחות לפני SMT.

6. ניתוח כשל וניתוח לולאה סגורה: ביצוע ניתוח מאמצים, סימולציה תרמו-מכנית וניתוח חתך על מעגלים מודפסים עם עיוות מוגזם כדי לאתר את שורש הבעיה ולשפר באופן מתמיד את התהליך.

IV. סטנדרטים ומדידה וקריטריונים לקבלה 

תעשיית ה-PCB בדרך כלל פועלת לפי תקני IPC-A-610 ו-J-STD-003:

1. עבור הרכבת PCB עם התקנים המותקנים בתחתית כגון BGA: עיוות המעגל המרבי המותר הוא בדרך כלל 0.75% (כלומר, עבור אורך לוח של 300 מ"מ, גובה הקשת המרבי הוא 2.25 מ"מ).

2. התקנים ללא הדקים תחתונים: ניתן להקל על העיוות המרבי המותר ל-1.0%-1.5%.

3. תזמון מדידה: יש לבצע את המדידה בטמפרטורת החדר לאחר התהליך התרמי ולפני ההרכבה הקריטית.

מַסְקָנָה: 

עיוות של PCBA הוא תוצאה של מספר גורמים. כדי למנוע עיוות, נדרשת גישה ממוקדת מוצר: מהנדסי תכנון, יצרני PCB, מהנדסי תהליכי SMT וספקי חומרים חייבים לשלוט בקפדנות בתהליכים שלהם. החל מפריסת PCB בתהליך התכנון ועד בקרת עליית הטמפרטורה בתנור reflow, נדרשת הבנה שיטתית ובקרה מדויקת, כדי להבטיח שה-PCBA מסוגל לתמוך במוצרים אלקטרוניים אמינים.

חברת Benlida מייצרת מעגלים מודפסים כבר 14 שנים. ברשותנו ציוד מקצועי וטכנאים לביצוע מדידות עיוות מדויקות, תמיכה במהנדסים בהבנת וניתוח המנגנונים הפיזיקליים הבסיסיים ושיפור תהליכים. יש לנו צוות הנדסה בוגר וציוד מעבדה:

1. מדידת עיוות תלת-ממדית מדויקת: באמצעות סורק לייזר מדויק ואינטרפרומטר אור לבן, צור מפת ענן עיוות תלת-ממדית של כל משטח ה-PCBA.

2. ניתוח חומרים ומבנה: ניתוח Tg ו-CTE של המצע באמצעות TMA ו-DSC. ניתוח SEM/חתך כדי לבחון את מבנה הלמינציה, מילוי השרף ומקור הסדק.

3. סימולציה ואימות של מאמץ תרמי: סימולציה תרמו-מכנית של אלמנטים סופיים מבוצעת על סמך נתונים שנמדדו כדי לחזות את הסיכון לעיוות ולמטב את פרמטרי התהליך.

4. ניתוח מקיף של כשלים: דוח ניתוח מלא, החל מסימפטום ועד לשורש הבעיה, מסופק עבור כשלים הנגרמים עקב עיוות, כגון מעגלים פתוחים, חיבורי הלחמה קרה וסדקי שבבים.

אם למעגל המודפס שלכם יש בעיות עיוות ואתם רוצים לשפר באופן שיטתי את איכות המעגל המודפס וה-PCBA שלכם, אתם מוזמנים ליצור קשר עם Benlida!