Fisika dari “Banana Board”: Mengapa PCB Panjang Melengkung dan Cara Memperbaikinya

Anda berdiri di bagian pengeluaran oven reflow 10 zona, mengamati strip LED 600mm atau papan pengontrol industri panjang keluar dari terowongan. Bagian tengah papan terlihat melengkung, mungkin bahkan menggores sabuk jala. Atau lebih buruk, papan terlihat datar dengan mata telanjang, tetapi uji fungsional gagal. Konektor di ujung jauh memiliki pin terbuka, atau BGA tengah menunjukkan sirkuit terbuka.

Insting langsung di sebagian besar pabrik adalah menyalahkan profil termal. Logikanya masuk akal: jika solder tidak melekat atau sambungan retak, pasti pengaturan oven salah. Anda memanggil insinyur proses. Mereka memasang termokopel, memperlambat kecepatan sabuk untuk “merendam lebih lama,” dan menaikkan suhu puncak sebesar 5°C.

Ini adalah “Perangkap Profil.” Ini adalah kesalahan paling umum dalam pemecahan masalah SMT untuk rakitan dengan faktor bentuk panjang.

Jika papan secara fisik melengkung—berpilin seperti keripik kentang atau melengkung seperti hammock—tidak ada penyesuaian udara yang dapat memperbaikinya. Anda tidak bisa mengatasi gravitasi dengan profil. Anda tidak bisa menggunakan “zona rendam” untuk bernegosiasi dengan Koefisien Ekspansi Termal (CTE). Ketika papan panjang gagal hanya di ujung atau tengah mati, profil oven biasanya tidak bersalah. Pelakunya adalah mekanis.

Efek Strip Bimetalik

Untuk mengatasi warpage, berhenti memandang papan sebagai interkoneksi listrik dan perlakukan sebagai laminasi mekanis. PCB pada dasarnya adalah sandwich dari epoksi yang diperkuat fiberglass (FR4) dan foil tembaga. Kedua bahan ini saling bertentangan saat dipanaskan.

FR4 mengembang pada tingkat tertentu (diukur dalam ppm/°C). Tembaga mengembang pada tingkat berbeda. Pada papan panjang dan sempit, ketidaksesuaian ini menciptakan stres internal besar. Tapi masalah sebenarnya dimulai saat tumpukan tidak seimbang.

Pertimbangkan papan standar 4 lapis. Jika Lapisan 1 ditutupi jejak sinyal padat dan Lapisan 4 adalah lapisan tanah tembaga padat, Anda telah membuat strip bimetalik. Saat papan naik ke suhu puncak reflow 245°C, sisi dengan lebih banyak tembaga membatasi ekspansi, sementara sisi yang kaya resin ingin mengembang. Hasilnya adalah melengkung atau memutar.

Ini berbeda dari “tombstoning,” di mana komponen kecil seperti 0402 berdiri di satu ujung. Berbeda dengan tombstoning, yang dipicu oleh gaya basah dan tarikan solder yang tidak merata, warping adalah kegagalan struktural di mana substrat itu sendiri bergerak. Jika Anda melihat papan melengkung di sudut, itu bukan masalah basah; itu adalah tata letak tembaga melawan fiberglass, dan tembaga yang menang.

Gravitasi dan Transisi Kaca

Musuh kedua adalah material itu sendiri. Setiap laminasi FR4 memiliki Suhu Transisi Kaca (Tg). Di bawah suhu ini, resin kaku dan seperti kaca. Di atasnya, resin menjadi lunak, kenyal, dan lentur.

Untuk material “High-Tg” standar, transisi ini terjadi sekitar 170°C. Namun, pasta solder SAC305 bahkan tidak mulai meleleh sampai 217°C. Ini berarti untuk bagian paling kritis dari proses reflow—60 hingga 90 detik di atas liquidus—papan sirkuit Anda secara efektif seperti mie basah.

Jika Anda menjalankan papan sepanjang 600mm yang hanya setebal 1,0mm atau 1,6mm, dan Anda menopangnya hanya di tepi pada rel konveyor, gravitasi mengambil alih. Resin melunak pada 170°C, papan kehilangan kekakuan strukturalnya, dan bagian tengahnya runtuh ke bawah.

Insinyur sering mencoba beralih ke paduan solder suhu rendah (seperti BiSn, yang meleleh pada 138°C) untuk menghindari ini. Meskipun itu menjaga Anda di bawah Tg beberapa material, hal itu memperkenalkan sambungan yang rapuh dan tidak menyelesaikan kekurangan kekakuan yang mendasar. Jika bentang cukup lebar, gravitasi akan mengalahkan bahkan material high-Tg. Papan akan melengkung, komponen tengah akan tergenang solder atau menjembatani, dan konektor dekat rel akan berputar ke dalam.

Tempat Kejadian Perkara yang Tak Terlihat

Bagian yang paling membuat frustrasi dari cacat yang disebabkan oleh warp adalah bahwa buktinya hilang saat Anda melihatnya.

Ketika papan berada di dalam oven pada 245°C, mungkin melengkung ke atas (seperti mengerutkan dahi) sebesar 2mm. Dalam keadaan ini, komponen BGA di tengah mungkin terangkat sepenuhnya dari pad-nya. Bola solder meleleh, tetapi menggantung di udara, tidak menyentuh pasta pada PCB. Ia teroksidasi dan membentuk lapisan.

Kemudian, saat papan memasuki zona pendinginan, resin mengeras kembali. Papan kembali ke bentuk datar aslinya. Bola BGA jatuh ke pad, tetapi sudah terlambat. Solder sudah membeku. Bola tersebut beristirahat di atas pad seperti kepala di atas bantal. Ia membuat kontak fisik, tetapi tidak menciptakan ikatan listrik.

Ini adalah cacat klasik “Head-in-Pillow” (HiP). Di stasiun pengujian, Anda menekan chip dan itu lolos. Anda melepaskan, dan itu gagal. Sinar-X terlihat baik karena bentuk bola bulat. Hanya saat Anda melakukan pengujian destruktif, seperti "dye-and-pry" atau analisis penampang, Anda melihat celah mikroskopis. Cacat terjadi pada suhu puncak, tetapi papan terlihat normal pada suhu kamar.

Perbaikan Mekanis (Perbaikan Sebenarnya)

Karena masalahnya mekanis, solusinya harus mekanis. Anda tidak dapat memperbaiki kekurangan kekakuan dengan profil penyolderan. Anda memperbaikinya dengan menambahkan penopang.

Solusi paling efektif untuk papan yang melengkung adalah Penopang Papan Tengah (CBS). Sebagian besar oven reflow modern (dari vendor seperti Heller, BTU, atau Rehm) menawarkan opsi ini. Ini adalah rantai tipis atau serangkaian pin gaya rem parkir yang berjalan tepat di tengah terowongan. Ini secara fisik menyangga bagian tengah papan, mencegah melengkung.

Jika oven Anda tidak memiliki CBS, atau jika komponen sisi bawah menghalangi penggunaan rantai, Anda harus menggunakan palet reflow.

Palet adalah perlengkapan yang terbuat dari bahan komposit seperti Durostone atau Ricocel. Bahan-bahan ini mahal—perlengkapan khusus bisa berharga antara $300 hingga $800 tergantung kompleksitas [[VERIFY]]—tetapi mereka stabil secara termal. Mereka tidak melengkung pada 260°C. Anda menempatkan PCB yang tipis di dalam palet yang kaku, dan palet membawanya melalui oven dalam keadaan datar.

Manajer sering menolak karena biayanya. "Ini adalah bahan habis pakai tambahan," kata mereka. "Ini menambah massa termal, jadi kita harus memperlambat jalur." Ini benar. Tetapi bandingkan biaya perlengkapan $500 dengan biaya membuang 20% dari produksi papan kontrol industri bernilai tinggi. ROI pada palet biasanya diukur dalam hari, bukan bulan.

Mitigasi Desain

Jika Anda cukup beruntung terlibat sebelum papan dirancang, Anda dapat melawan warp dari hulu. Alat paling ampuh dalam kit desainer adalah "pencurian tembaga" atau penyeimbangan.

Pastikan kepadatan tembaga kira-kira simetris di seluruh tumpukan. Jika lapisan atas adalah 80% isi tembaga, lapisan bawah harus serupa. Jika Anda memiliki area terbuka besar tanpa jejak, tambahkan kisi-kisi kotak tembaga mengambang (pencurian) untuk menyeimbangkan stres CTE. Ini mencegah efek melengkung bimetalik.

Panelisasi yang merata juga berperan. Meninggalkan terlalu banyak material pada rel pemisah dapat berfungsi sebagai penguat—atau sebagai pemberi stres, tergantung pada serat fiberglass.

Vonis

Ketika Anda melihat papan panjang gagal di ujung atau tengah, hentikan jalur. Jangan sentuh suhu zona. Jangan perlambat kecepatan sabuk.

Tanyakan pada diri Anda: Apakah papan ini datar? Ukur lengkungan. Periksa keseimbangan tembaga. Periksa rating Tg dari laminasi. Jika papan melengkung, Anda memerlukan perlengkapan atau penyangga tengah. Fisika tidak terkalahkan dalam proses SMT. Anda harus mendukung papan, karena resin tentu tidak akan mendukung dirinya sendiri.