La física de la “Tabla de Plátano”: Por qué las PCB largas se deforman y cómo solucionarlo

Estás parado en el descargador de un horno de reflujo de 10 zonas, observando una tira LED de 600 mm o una placa larga de controlador industrial salir del túnel. El centro de la placa se está hundiendo visiblemente, quizás incluso rozando la cinta de malla. O peor, la placa parece plana a simple vista, pero la prueba funcional está fallando. Los conectores en los extremos tienen pines abiertos, o los BGAs centrales muestran circuitos abiertos.

El instinto inmediato en la mayoría de las fábricas es culpar al perfil térmico. La lógica parece sólida: si la soldadura no se adhiere o las uniones se agrietan, seguramente la configuración del horno está mal. Llamas al ingeniero de procesos. Ellos colocan un termopar, reducen la velocidad de la cinta para "remojarlo más tiempo" y aumentan la temperatura máxima en 5°C.

Esta es la "trampa del perfil". Es el error más común en la solución de problemas de SMT para ensamblajes de formato largo.

Si una placa se deforma físicamente—se tuerce como una papa frita o se hunde como una hamaca—ningún ajuste de aire lo solucionará. No puedes salir del problema de la gravedad con un perfil térmico. No puedes usar una "zona de remojo" para negociar con el Coeficiente de Expansión Térmica (CTE). Cuando una placa larga falla solo en los extremos o en el centro exacto, el perfil del horno suele ser inocente. El culpable es mecánico.

El efecto de la tira bimetálica

Para resolver la deformación, deja de pensar en la placa como un interconector eléctrico y trátala como un laminado mecánico. Una PCB es esencialmente un sándwich de epoxi reforzado con fibra de vidrio (FR4) y lámina de cobre. Estos dos materiales se odian cuando se calientan.

El FR4 se expande a una tasa específica (medida en ppm/°C). El cobre se expande a una tasa diferente. En una placa larga y estrecha, esta diferencia crea un estrés interno masivo. Pero el verdadero problema comienza cuando el apilamiento está desequilibrado.

Considera una placa estándar de 4 capas. Si la Capa 1 está cubierta con trazas de señal densas y la Capa 4 es un vertido sólido de tierra de cobre, has creado una tira bimetálica. A medida que la placa alcanza la temperatura máxima de reflujo de 245°C, el lado con más cobre restringe la expansión, mientras que el lado con más resina quiere crecer. El resultado es una curvatura o torsión.

Esto es distinto del "tombstoning", donde un componente pequeño como un 0402 se levanta por un extremo. A diferencia del tombstoning, que es causado por fuerzas de humectación y tracción desigual de la soldadura, la deformación es una falla estructural donde el sustrato mismo se mueve. Si ves que la placa se curva en las esquinas, no es un problema de humectación; es el diseño del cobre luchando contra la fibra de vidrio, y el cobre está ganando.

La gravedad y la transición vítrea

El segundo enemigo es el material en sí. Cada laminado FR4 tiene una Temperatura de Transición Vítrea (Tg). Por debajo de esta temperatura, la resina es rígida y vítrea. Por encima de ella, la resina se vuelve blanda, gomosa y flexible.

Para materiales estándar “High-Tg”, esta transición ocurre alrededor de 170°C. Sin embargo, la pasta de soldadura SAC305 ni siquiera comienza a fundirse hasta los 217°C. Esto significa que para la parte más crítica del proceso de reflujo—los 60 a 90 segundos pasados por encima del líquido—tu placa de circuito es efectivamente un fideo mojado.

Si haces pasar una placa de 600 mm de largo que tiene solo 1.0 mm o 1.6 mm de grosor, y la soportas solo por los bordes en los rieles del transportador, la gravedad toma el control. La resina se ablanda a 170°C, la placa pierde su rigidez estructural y el centro se colapsa hacia abajo.

Los ingenieros a menudo intentan cambiar a aleaciones de soldadura de baja temperatura (como BiSn, que se funde a 138°C) para evitar esto. Aunque eso te mantiene por debajo de la Tg de algunos materiales, introduce uniones frágiles y no resuelve la falta fundamental de rigidez. Si el vano es lo suficientemente ancho, la gravedad vencerá incluso a un material de alta Tg. La placa se hundirá, los componentes centrales se inundarán de soldadura o harán puentes, y los conectores cerca del riel se torcerán hacia adentro.

La escena del crimen invisible

La parte más frustrante de los defectos inducidos por deformación es que la evidencia desaparece para cuando la ves.

Cuando la placa está dentro del horno a 245°C, podría estar arqueada hacia arriba (frunciendo el ceño) por 2 mm. En este estado, un componente BGA en el centro podría estar completamente levantado de sus almohadillas. La bola de soldadura se funde, pero queda suspendida en el aire, sin tocar la pasta en el PCB. Se oxida y forma una capa.

Luego, cuando la placa entra en la zona de enfriamiento, la resina se endurece nuevamente. La placa vuelve a su forma plana original. La bola BGA cae sobre la almohadilla, pero es demasiado tarde. La soldadura ya se ha solidificado. La bola descansa sobre la almohadilla como una cabeza en una almohada. Hace contacto físico, pero no crea unión eléctrica.

Este es el clásico defecto “Cabeza en Almohada” (HiP). En la estación de prueba, presionas el chip y pasa. Lo sueltas y falla. La radiografía se ve bien porque la forma de la bola es redonda. Solo cuando realizas pruebas destructivas, como un “dye-and-pry” o análisis de sección transversal, ves la brecha microscópica. El defecto ocurrió a la temperatura máxima, pero la placa parece inocente a temperatura ambiente.

Curaciones mecánicas (La solución real)

Dado que el problema es mecánico, la solución debe ser mecánica. No puedes arreglar la falta de rigidez con un perfil de soldadura. Lo arreglas añadiendo soporte.

La solución más efectiva para una placa que se hunde es el Soporte Central de la Placa (CBS). La mayoría de los hornos de reflujo modernos (de proveedores como Heller, BTU o Rehm) ofrecen esta opción. Es una cadena delgada o una serie de pasadores tipo freno de mano que recorren el centro exacto del túnel. Sostiene físicamente el centro de la placa, evitando que se hunda.

Si tu horno no tiene un CBS, o si los componentes en la parte inferior impiden usar una cadena, debes usar una paleta de reflujo.

Una paleta es un accesorio hecho de un material compuesto como Durostone o Ricocel. Estos materiales son caros—un accesorio personalizado puede costar entre $300 y $800 dependiendo de la complejidad [[VERIFY]]—pero son térmicamente estables. No se deforman a 260°C. Colocas el PCB frágil dentro de la paleta rígida, y la paleta lo lleva a través del horno plano.

Los gerentes a menudo se resisten al costo. "Es un consumible adicional", dicen. "Agrega masa térmica, así que tenemos que ralentizar la línea." Esto es cierto. Pero compare el costo de un accesorio $500 con el costo de desechar 20% de una producción de placas de control industrial de alto valor. El ROI en un pallet generalmente se mide en días, no en meses.

Mitigaciones de diseño

Si tienes la suerte de estar involucrado antes de que se diseñe la placa, puedes combatir la deformación desde el principio. La herramienta más poderosa en el kit del diseñador es el “robo de cobre” o balanceo.

Asegúrate de que la densidad de cobre sea aproximadamente simétrica a través del apilamiento. Si la capa superior es un relleno de cobre 80%, la capa inferior debería ser similar. Si tienes una gran área abierta sin trazas, añade una cuadrícula de cuadrados flotantes de cobre (robo) para equilibrar el estrés CTE. Esto previene el efecto bimetálico de curvatura.

Incluso la panelización juega un papel. Dejar demasiado material en los rieles desprendibles puede actuar como un refuerzo o un factor de estrés, dependiendo de la dirección de la fibra de vidrio.

El veredicto

Cuando veas una placa larga fallando en los extremos o en el centro, detén la línea. No toques las temperaturas de la zona. No reduzcas la velocidad de la cinta.

Pregúntate: ¿Está esta placa plana? Mide la curvatura. Observa el balance de cobre. Verifica la clasificación Tg del laminado. Si la placa se está doblando, necesitas un accesorio o un soporte central. La física es invencible en el proceso SMT. Tienes que soportar la placa, porque la resina ciertamente no se soportará a sí misma.