Контроль коробления и скручивания PCB после производства

После завершения основных технологических операций печатная плата должна сохранять заданную геометрию. Для простой PCB небольшое отклонение формы может показаться незначительным, но для многослойных плат, крупных панелей и изделий для автоматического монтажа плоскостность становится производственным параметром.

Если PCB имеет заметное коробление или скручивание, это может повлиять на установку компонентов, прохождение платы через оборудование, контакт с оснасткой и качество пайки.

Поэтому на производстве контролируют не только электрические характеристики и внешний вид платы, но и её геометрическую стабильность.

Что такое коробление и скручивание PCB

Эти два явления часто объединяют, хотя механизм деформации может отличаться.

Коробление

Коробление — это отклонение поверхности платы от плоского состояния.

Плата может:

• выгибаться вверх;
• прогибаться вниз;
• иметь локальную выпуклость;
• деформироваться в определённой зоне.

При таком дефекте часть поверхности остаётся относительно плоской, а другая часть отклоняется по высоте.

Скручивание

Скручивание характеризуется тем, что разные углы или участки платы отклоняются в разных направлениях.

Условно можно представить ситуацию, когда один угол панели поднят, а противоположный опущен.

Для крупной многослойной платы такое состояние особенно неудобно при автоматизированном монтаже.

Почему PCB деформируется

Причина обычно не сводится к одной операции.

На геометрию платы могут влиять:

• структура stack-up;
• распределение меди;
• тип диэлектрика;
• коэффициенты теплового расширения;
• параметры ламинирования;
• охлаждение после прессования;
• механическая обработка;
• нанесение покрытий;
• конструкция производственной панели;
• последующие термические процессы.

Поэтому при анализе коробления необходимо рассматривать весь технологический маршрут.

Влияние структуры многослойной платы

Многослойная PCB представляет собой сложную комбинацию материалов.

В ней присутствуют:

• медные слои;
• стеклоткань;
• смола;
• сердцевины;
• препрег;
• финишные покрытия.

У каждого материала свои механические и температурные характеристики.

При нагреве и охлаждении эти материалы расширяются и сжимаются по-разному.

Если конструкция симметрична, внутренние напряжения частично компенсируются.

Если структура сильно отличается сверху и снизу, возникает дополнительный изгибающий момент.

Симметрия stack-up

При разработке многослойной платы важно учитывать симметрию относительно центральной плоскости.

Например, если верхняя половина платы имеет значительно больше меди или другой тип диэлектрика, чем нижняя, при нагреве две стороны будут вести себя по-разному.

После охлаждения это может привести к остаточной деформации.

Поэтому при подготовке производства проверяется:

• порядок слоёв;
• толщина диэлектрика;
• толщина меди;
• тип материала;
• распределение меди;
• симметрия конструкции.

Предыдущая статья о контроле толщины диэлектрика PCB подробно рассматривает влияние stack-up и материалов на конечную геометрию платы.

Влияние распределения меди

Даже если количество слоёв симметрично, различия в площади меди могут создавать дополнительные напряжения.

Представим:

• верхний слой почти полностью заполнен медью;
• нижний слой содержит преимущественно тонкие дорожки.

При нагреве и охлаждении эти стороны могут изменяться по-разному.

Поэтому при производстве многослойных PCB контролируется не только количество меди, но и её распределение.

Для некоторых конструкций применяют медное балансирование и технологические медные участки.

Как ламинирование влияет на форму PCB

Ламинирование является одной из наиболее чувствительных операций.

Во время прессования:

1. пакет материалов нагревается;
2. смола размягчается;
3. препрег заполняет свободное пространство;
4. пакет сжимается под давлением;
5. происходит отверждение;
6. структура охлаждается.

Если температурно-временной цикл или давление не соответствуют материалу, после охлаждения могут сохраниться внутренние напряжения.

Поэтому параметры прессования должны подбираться под конкретную конструкцию и используемые материалы.

Подробнее сам технологический процесс описан в статье о ламинировании PCB.

Почему охлаждение имеет значение

Нельзя рассматривать только фазу нагрева.

После завершения прессования материалы начинают охлаждаться. В этот момент происходит обратное изменение размеров.

Медь, стекловолокно и смола имеют разные коэффициенты теплового расширения.

Если охлаждение происходит неравномерно, напряжения внутри панели могут распределиться неодинаково.

Поэтому стабильный цикл должен учитывать не только температуру прессования, но и контролируемое охлаждение.

Влияние размера панели

Большая производственная панель более чувствительна к деформации.

Чем больше расстояние между различными зонами панели, тем сильнее может проявляться небольшая разница в усадке или внутренних напряжениях.

Особое внимание уделяется:

• крупным PCB;
• длинным узким платам;
• тонким многослойным конструкциям;
• панелям с высокой асимметрией меди.

Для таких изделий важно заранее оценивать механическую стабильность.

Тонкая PCB и риск деформации

Тонкие платы имеют меньшую механическую жёсткость.

Поэтому одинаковое внутреннее напряжение может вызвать большее геометрическое отклонение в тонкой плате, чем в более толстой.

Особенно это актуально для:

• тонких многослойных PCB;
• мобильной электроники;
• компактных устройств;
• плат с большой площадью;
• конструкций с большим количеством тонких диэлектрических слоёв.

Как измеряют коробление PCB

Для контроля плоскостности используются разные методы.

Измерение на плоской поверхности

Плата размещается на контрольной плоскости.

После этого измеряется максимальное расстояние между платой и эталонной поверхностью.

Это позволяет определить величину отклонения.

Координатное измерение

Для более сложных конструкций применяются системы, способные измерять геометрию поверхности в нескольких точках.

Полученные данные позволяют определить:

• максимальную высоту;
• максимальное углубление;
• направление деформации;
• распределение отклонения по поверхности.

Визуальная проверка

Для первичного контроля оператор может обнаружить явное искривление на плоской поверхности.

Однако визуальная проверка не заменяет количественного измерения, если для изделия установлены конкретные допуски.

Как измеряют скручивание

При скручивании важно учитывать несколько точек платы.

Обычно проверяются углы и другие контрольные зоны.

Если один угол имеет одно направление отклонения, а противоположный — другое, это указывает на torsion-type deformation.

Для крупных панелей такая проверка особенно важна, поскольку небольшое изменение высоты на углах может существенно повлиять на положение платы относительно монтажного оборудования.

Как определить, является ли деформация проблемой

Отклонение формы необходимо сравнивать не с абстрактным значением, а с требованиями конкретного изделия.

Учитываются:

• тип PCB;
• размеры платы;
• толщина;
• количество слоёв;
• способ монтажа;
• требования заказчика;
• последующая пайка;
• требования оборудования.

Для платы, которая будет монтироваться вручную, небольшое отклонение может иметь другое практическое значение, чем для платы, которая проходит высокоскоростную автоматическую линию SMT.

Поэтому критерий контроля должен быть определён до производства.

Почему коробление влияет на SMT

При автоматической установке компонентов PCB должна находиться в предсказуемом положении.

Если плата заметно выгнута, возможны проблемы с:

• фиксацией платы;
• поддержкой снизу;
• позиционированием;
• нанесением паяльной пасты;
• контактом с трафаретом;
• размещением компонентов.

Особенно чувствительны процессы, в которых плата должна плотно прилегать к технологической поверхности.

Влияние деформации на трафаретную печать

При нанесении паяльной пасты трафарет должен находиться в заданном положении относительно поверхности PCB.

Если плата имеет значительное отклонение формы, контакт между трафаретом и платой становится неодинаковым.

Это может привести к изменению объёма нанесённой пасты в отдельных областях.

Для мелких компонентов такой фактор может стать причиной нестабильности процесса.

Влияние на пайку

После установки компонентов PCB проходит термический процесс.

Если плата уже имеет внутренние напряжения или геометрические отклонения, дополнительный нагрев может изменить её форму.

Поэтому важно оценивать не только состояние платы после изготовления, но и её поведение во время последующей термической обработки.

Коробление после оплавления

Плата может быть ровной после изготовления, но получить дополнительную деформацию после пайки оплавлением.

Причины могут включать:

• несимметричную конструкцию;
• различное распределение меди;
• локальный нагрев;
• внутренние напряжения;
• особенности материала.

Поэтому для ответственных изделий контроль геометрии иногда проводят не только на этапе изготовления PCB, но и после моделируемого или фактического термического процесса.

Связь коробления с распределением меди

Для многослойной платы важно смотреть на copper balance.

Если одна сторона имеет значительно большую площадь меди, чем другая, тепловое и механическое поведение может отличаться.

Для уменьшения такого эффекта на этапе подготовки панели могут применяться:

• балансировка меди;
• dummy copper;
• технологические поля;
• изменение структуры панели;
• корректировка stack-up.

Это не означает, что медь необходимо распределять абсолютно одинаково на каждом слое. Важна общая механическая и технологическая сбалансированность конструкции.

Как уменьшить риск деформации на производстве

Практический контроль можно разделить на несколько этапов.

На этапе подготовки stack-up

Проверяются:

• симметрия;
• толщина диэлектрика;
• распределение меди;
• сочетание материалов;
• общая толщина.

При подготовке производственной панели

Проверяется:

• расположение плат;
• направление рисунка;
• медный баланс;
• технологические поля;
• механическая поддержка.

Во время ламинирования

Контролируются:

• температура;
• давление;
• время;
• скорость нагрева;
• охлаждение;
• соответствие пресс-цикла материалу.

После ламинирования

Проверяются:

• общая толщина;
• плоскостность;
• визуальные дефекты;
• состояние панели.

После механической обработки

Проверяется, не появилась ли дополнительная деформация после:

• фрезеровки;
• сверления;
• V-cut;
• удаления технологических участков.

Может ли механическая обработка вызвать деформацию

Да.

При удалении большого количества материала меняется механическое распределение напряжений в панели.

Особенно это может быть заметно при:

• крупном контуре;
• длинных узких участках;
• большом количестве внутренних вырезов;
• тонкой PCB;
• сложной панелизации.

Поэтому механическую обработку следует рассматривать вместе с конструкцией панели.

Операции формирования контура подробно разобраны в статье о фрезеровке и профилировании PCB.

Влияние панелизации

Панелизация также влияет на механическую стабильность.

Если платы расположены на панели несимметрично, а технологические поля имеют разную ширину, механическое поведение панели может отличаться от ожидаемого.

Поэтому при разработке производственной панели учитываются:

• размеры отдельных плат;
• направление волокон стеклоткани;
• расположение технологических отверстий;
• rail;
• copper balance;
• способ последующего разделения.

О самой производственной панели подробно рассказывает статья «Панелизация PCB».

Что проверять при обнаружении коробления

Если готовая партия имеет повышенное отклонение формы, проверку лучше проводить поэтапно.

Шаг 1. Проверить размеры и толщину PCB.

Шаг 2. Сравнить верхнюю и нижнюю стороны по распределению меди.

Шаг 3. Проверить структуру stack-up.

Шаг 4. Сравнить материал и препрег с производственной документацией.

Шаг 5. Проверить параметры ламинирования.

Шаг 6. Проверить состояние после механической обработки.

Шаг 7. Сравнить несколько панелей одной партии.

Если одинаковая деформация повторяется на нескольких панелях, это указывает на систематическую причину, которую необходимо искать в конструкции или технологическом процессе.

Как отличить проблему материала от проблемы процесса

Это важный этап анализа.

Если изменение появляется только у одной партии материала, необходимо проверить характеристики исходного материала.

Если одинаковое отклонение возникает на разных партиях материалов, но после одного и того же производственного цикла, внимание следует обратить на технологический процесс.

Если деформация появляется только после механической обработки, необходимо анализировать panelization и маршрут обработки.

Таким образом, анализ должен учитывать момент появления дефекта.

Контроль PCB перед отправкой

Перед упаковкой готовой партии желательно проверить не только электрические параметры.

Для изделий с жёсткими механическими требованиями могут контролироваться:

• длина и ширина;
• общая толщина;
• плоскостность;
• коробление;
• скручивание;
• положение отверстий;
• размеры контура.

Такой контроль снижает риск ситуации, когда электрически исправная плата не подходит для последующего механического монтажа.

Заключение

Коробление и скручивание PCB связаны с совокупностью факторов: структурой stack-up, распределением меди, материалами, ламинированием, охлаждением, панелизацией и механической обработкой.

Для многослойных плат особенно важно сохранять сбалансированную конструкцию. Если верхняя и нижняя части PCB существенно различаются по материалам или площади меди, после температурных циклов могут возникать остаточные напряжения и изменение формы.

На производстве поэтому контролируют не только готовую толщину платы, но и её плоскостность и геометрию. При обнаружении отклонения необходимо определить, на каком этапе оно возникло — при ламинировании, механической обработке или последующей термообработке.

Для ответственных PCB контроль формы должен быть количественным и выполняться в соответствии с конкретными требованиями изделия.

Часто задаваемые вопросы