A Física da “Placa Banana”: Por Que PCBs Longas Se Curvam e Como Corrigir

Você está parado no descarregador de um forno de refluxo de 10 zonas, observando uma faixa de LED de 600 mm ou uma longa placa controladora industrial saindo do túnel. O meio da placa está visivelmente afundando, talvez até raspando a correia de malha. Ou pior, a placa parece plana a olho nu, mas o teste funcional está falhando. Conectores nas extremidades distantes têm pinos abertos, ou BGAs centrais estão mostrando circuitos abertos.

O instinto imediato na maioria das fábricas é culpar o perfil térmico. A lógica parece sólida: se a solda não está aderindo ou as juntas estão rachando, certamente as configurações do forno estão erradas. Você chama o engenheiro de processo. Eles conectam um termopar, diminuem a velocidade da correia para “mergulhar por mais tempo” e aumentam a temperatura máxima em 5°C.

Esta é a “Armadilha do Perfil”. É o erro mais comum na solução de problemas de SMT para montagens de formato longo.

Se uma placa está fisicamente empenando — torcendo como uma batata frita ou afundando como uma rede — nenhum ajuste de ar vai consertar isso. Você não pode sair da gravidade com um perfil térmico. Você não pode usar uma “zona de imersão” para negociar com o Coeficiente de Expansão Térmica (CTE). Quando uma placa longa falha apenas nas extremidades ou no centro exato, o perfil do forno geralmente é inocente. O culpado é mecânico.

O Efeito da Fita Bimetálica

Para resolver o empenamento, pare de pensar na placa como uma interconexão elétrica e trate-a como um laminado mecânico. Um PCB é essencialmente um sanduíche de epóxi reforçado com fibra de vidro (FR4) e folha de cobre. Esses dois materiais se odeiam quando aquecidos.

O FR4 expande a uma taxa específica (medida em ppm/°C). O cobre expande a uma taxa diferente. Em uma placa longa e estreita, essa incompatibilidade cria um estresse interno massivo. Mas o verdadeiro problema começa quando o empilhamento está desequilibrado.

Considere uma placa padrão de 4 camadas. Se a Camada 1 estiver coberta por trilhas de sinal densas e a Camada 4 for uma camada sólida de cobre para aterramento, você criou uma fita bimetálica. À medida que a placa atinge a temperatura máxima de refluxo de 245°C, o lado com mais cobre restringe a expansão, enquanto o lado com mais resina quer crescer. O resultado é uma curvatura ou torção.

Isto é distinto do “tombstoning”, onde um componente pequeno como um 0402 fica em pé em uma extremidade. Ao contrário do tombstoning, que é causado por forças de molhamento e puxamento desigual da solda, o empenamento é uma falha estrutural onde o próprio substrato se move. Se você vê a placa se curvando nas bordas, não é um problema de molhamento; é o layout do cobre lutando contra a fibra de vidro, e o cobre está ganhando.

Gravidade e a Transição Vítrea

O segundo inimigo é o próprio material. Todo laminado FR4 possui uma Temperatura de Transição Vítrea (Tg). Abaixo dessa temperatura, a resina é rígida e vítrea. Acima dela, a resina torna-se macia, borrachosa e flexível.

Para materiais “High-Tg” padrão, essa transição ocorre por volta de 170°C. No entanto, a pasta de solda SAC305 nem começa a derreter até 217°C. Isso significa que, para a parte mais crítica do processo de refluxo — os 60 a 90 segundos passados acima do líquido — sua placa de circuito está efetivamente como um macarrão mole.

Se você usar uma placa de 600mm de comprimento que tenha apenas 1,0mm ou 1,6mm de espessura, e a apoiar apenas pelas bordas nos trilhos do transportador, a gravidade prevalece. A resina amolece a 170°C, a placa perde sua rigidez estrutural e o centro desaba para baixo.

Os engenheiros frequentemente tentam mudar para ligas de solda de baixa temperatura (como BiSn, que derrete a 138°C) para evitar isso. Embora isso mantenha você abaixo do Tg de alguns materiais, introduz juntas frágeis e não resolve a falta fundamental de rigidez. Se o vão for suficientemente largo, a gravidade vencerá até mesmo um material High-Tg. A placa vai ceder, os componentes centrais vão inundar com solda ou fazer ponte, e os conectores próximos ao trilho vão torcer para dentro.

A Cena do Crime Invisível

A parte mais frustrante dos defeitos induzidos por empenamento é que a evidência desaparece quando você a vê.

Quando a placa está dentro do forno a 245°C, ela pode estar arqueada para cima (com uma curvatura para baixo) em 2mm. Nesse estado, um componente BGA no centro pode estar completamente levantado de suas almofadas. A bola de solda derrete, mas fica suspensa no ar, sem tocar na pasta na PCB. Ela oxida e forma uma película.

Então, quando a placa entra na zona de resfriamento, a resina endurece novamente. A placa volta rapidamente à sua forma plana original. A bola do BGA cai sobre a almofada, mas já é tarde demais. A solda já solidificou. A bola repousa na almofada como uma cabeça em um travesseiro. Faz contato físico, mas não cria ligação elétrica.

Este é o clássico defeito “Cabeça no Travesseiro” (HiP). Na estação de teste, você pressiona o chip e ele passa. Você solta, e ele falha. O raio-X parece normal porque a forma da bola é redonda. Só quando você realiza testes destrutivos, como “dye-and-pry” ou análise de seção transversal, é que vê a lacuna microscópica. O defeito ocorreu na temperatura máxima, mas a placa parece inocente à temperatura ambiente.

Curas Mecânicas (A Correção Real)

Como o problema é mecânico, a solução deve ser mecânica. Você não pode corrigir a falta de rigidez com um perfil de soldagem. Você corrige adicionando suporte.

A solução mais eficaz para uma placa que cede é o Suporte Central da Placa (CBS). A maioria dos fornos de refluxo modernos (de fornecedores como Heller, BTU ou Rehm) oferece essa opção. É uma corrente fina ou uma série de pinos estilo freio de estacionamento que percorrem exatamente o centro do túnel. Ela sustenta fisicamente o meio da placa, prevenindo o empenamento.

Se seu forno não tiver um CBS, ou se componentes do lado inferior impedirem o uso de uma corrente, você deve usar uma bandeja de refluxo.

Uma bandeja é um dispositivo feito de um material composto como Durostone ou Ricocel. Esses materiais são caros — um dispositivo personalizado pode custar entre $300 e $800 dependendo da complexidade [[VERIFY]] — mas são termicamente estáveis. Eles não empenam a 260°C. Você coloca a PCB frágil dentro da bandeja rígida, e a bandeja a transporta pelo forno plana.

Os gerentes frequentemente hesitam devido ao custo. “É um consumível adicional,” dizem eles. “Adiciona massa térmica, então temos que desacelerar a linha.” Isso é verdade. Mas compare o custo de um suporte $500 com o custo de descartar 20% de uma produção de placas de controle industrial de alto valor. O ROI de um palete geralmente é medido em dias, não meses.

Mitigações de Design

Se você tiver sorte de estar envolvido antes do layout da placa, pode combater a deformação a montante. A ferramenta mais poderosa no kit do projetista é o “roubo de cobre” ou balanceamento.

Garanta que a densidade do cobre seja aproximadamente simétrica em toda a pilha. Se a camada superior for preenchida com 80% cobre, a camada inferior deve ser semelhante. Se você tiver uma grande área aberta sem trilhas, adicione uma grade de quadrados flutuantes de cobre (roubo) para equilibrar o estresse do CTE. Isso previne o efeito de curvatura bimetálica.

Até a painelização desempenha um papel. Deixar muito material nas trilhas destacáveis pode atuar como um reforço — ou um fator de estresse, dependendo do grão da fibra de vidro.

O Veredicto

Quando você vir uma placa longa falhando nas extremidades ou no centro, pare a linha. Não toque nas temperaturas da zona. Não diminua a velocidade da correia.

Pergunte a si mesmo: Esta placa está plana? Meça a curvatura. Observe o equilíbrio do cobre. Verifique a classificação Tg do laminado. Se a placa estiver dobrando, você precisa de um suporte ou um apoio central. A física é invencível no processo SMT. Você tem que suportar a placa, porque a resina certamente não vai se sustentar sozinha.