ฟิสิกส์ของ “บอร์ดกล้วย”: ทำไมแผงวงจรพิมพ์ยาวถึงบิดงอและวิธีแก้ไข

คุณกำลังยืนอยู่ที่ตัวถอดโหลดของเตาอบรีโฟลว์ 10 โซน ดูแถบ LED ขนาด 600 มม. หรือบอร์ดควบคุมอุตสาหกรรมยาวออกจากอุโมงค์ กลางบอร์ดเห็นได้ชัดว่าหย่อนคล้อย อาจจะขูดกับสายพานตาข่าย หรือแย่กว่านั้น บอร์ดดูเรียบด้วยตาเปล่า แต่การทดสอบฟังก์ชันล้มเหลว ตัวเชื่อมต่อที่ปลายสุดมีขาเปิด หรือ BGA กลางแสดงวงจรเปิด

สัญชาตญาณทันทีในโรงงานส่วนใหญ่คือการโทษโปรไฟล์ความร้อน เหตุผลดูสมเหตุสมผล: ถ้าการบัดกรีไม่เปียกหรือข้อต่อแตกร้าว แน่นอนว่าการตั้งค่าเตาอบผิด คุณโทรหาวิศวกรกระบวนการ เขาติดเทอร์โมคัปเปิล ลดความเร็วสายพานเพื่อ "แช่นานขึ้น" และเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดขึ้น 5°C

นี่คือ "กับดักโปรไฟล์" เป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการแก้ปัญหา SMT สำหรับชุดประกอบรูปแบบยาว

ถ้าบอร์ดบิดงอทางกายภาพ—บิดเหมือนมันฝรั่งทอดหรือหย่อนคล้อยเหมือนเปลญวน—การปรับอากาศใดๆ ก็ไม่สามารถแก้ไขได้ คุณไม่สามารถแก้ปัญหาด้วยโปรไฟล์เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงได้ คุณไม่สามารถใช้ "โซนแช่" เพื่อเจรจากับสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เมื่อบอร์ดยาวล้มเหลวเฉพาะที่ปลายหรือกลางบอร์ด โปรไฟล์เตาอบมักไม่ผิด ผู้ร้ายคือปัญหาทางกลไก

ผลของแถบโลหะสองชนิด

เพื่อแก้ไขการบิดงอ หยุดคิดว่าบอร์ดเป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและมองว่าเป็นแผ่นลามิเนตทางกลไก PCB คือแซนด์วิชของอีพ็อกซี่เสริมใยแก้ว (FR4) และฟอยล์ทองแดง สองวัสดุนี้ไม่ถูกกันเมื่อถูกความร้อน

FR4 ขยายตัวในอัตราที่กำหนด (วัดเป็น ppm/°C) ทองแดงขยายตัวในอัตราที่ต่างกัน บนบอร์ดยาวและแคบ ความไม่ตรงกันนี้สร้างความเครียดภายในมหาศาล แต่ปัญหาจริงเริ่มเมื่อการวางชั้นไม่สมดุล

พิจารณาบอร์ด 4 ชั้นมาตรฐาน ถ้าชั้น 1 มีเส้นสัญญาณหนาแน่นและชั้น 4 เป็นทองแดงพื้นดินเต็ม คุณได้สร้างแถบโลหะสองชนิด เมื่อบอร์ดร้อนขึ้นถึงอุณหภูมิรีโฟลว์สูงสุด 245°C ด้านที่มีทองแดงมากกว่าจะจำกัดการขยายตัว ในขณะที่ด้านที่มีเรซินมากต้องการขยาย ผลลัพธ์คือการโค้งงอหรือบิด

นี่แตกต่างจาก "tombstoning" ซึ่งเป็นการที่ชิ้นส่วนเล็กๆ เช่น 0402 ยืนขึ้นที่ปลายด้านหนึ่ง ต่างจาก tombstoning ที่เกิดจากแรงเปียกและการดึงบัดกรีไม่เท่ากัน การบิดงอเป็นความล้มเหลวเชิงโครงสร้างที่ตัววัสดุรองรับเคลื่อนที่ ถ้าคุณเห็นบอร์ดม้วนขึ้นที่มุม นั่นไม่ใช่ปัญหาเปียก แต่เป็นการต่อสู้ระหว่างการวางทองแดงกับไฟเบอร์กลาส และทองแดงกำลังชนะ

แรงโน้มถ่วงและการเปลี่ยนผ่านของแก้ว

ศัตรูตัวที่สองคือวัสดุเอง แผ่นลามิเนต FR4 ทุกแผ่นมีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงแก้ว (Tg) ต่ำกว่าอุณหภูมินี้ เรซินจะแข็งและเหมือนแก้ว เหนือกว่านี้ เรซินจะนุ่ม ยาง และยืดหยุ่น

สำหรับวัสดุ “High-Tg” มาตรฐาน การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นที่ประมาณ 170°C อย่างไรก็ตาม ซ็อคเกอร์พาสต์ SAC305 จะไม่เริ่มละลายจนถึง 217°C ซึ่งหมายความว่าสำหรับส่วนที่สำคัญที่สุดของกระบวนการรีโฟลว์—ช่วงเวลา 60 ถึง 90 วินาทีที่อยู่เหนือจุดหลอมเหลว—แผงวงจรของคุณจะเหมือนบะหมี่เปียก

ถ้าคุณใช้แผงวงจรยาว 600 มม. ที่หนาเพียง 1.0 มม. หรือ 1.6 มม. และรองรับเฉพาะขอบบนรางลำเลียง แรงโน้มถ่วงจะเข้าครอบงำ เรซินจะนุ่มที่ 170°C แผงวงจรจะสูญเสียความแข็งแรงโครงสร้าง และตรงกลางจะยุบลง

วิศวกรมักจะลองเปลี่ยนไปใช้โลหะผสมบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำ (เช่น BiSn ที่หลอมเหลวที่ 138°C) เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ แม้ว่าจะทำให้คุณอยู่ต่ำกว่า Tg ของวัสดุบางชนิด แต่มันก็ทำให้ข้อต่อเปราะและไม่แก้ไขปัญหาการขาดความแข็งแรงพื้นฐาน หากช่วงกว้างพอ แรงโน้มถ่วงก็จะเอาชนะวัสดุ High-Tg ได้ แผงวงจรจะหย่อน ส่วนประกอบตรงกลางจะล้นด้วยบัดกรีหรือเชื่อมข้าม และตัวเชื่อมต่อใกล้รางจะบิดเข้าด้านใน

สถานที่เกิดเหตุที่มองไม่เห็น

ส่วนที่น่าหงุดหงิดที่สุดของข้อบกพร่องที่เกิดจากการบิดงอคือหลักฐานจะหายไปเมื่อคุณเห็นมัน

เมื่อแผงวงจรอยู่ในเตาอบที่ 245°C มันอาจจะโค้งขึ้น (เหมือนหน้าบึ้ง) ประมาณ 2 มม. ในสภาพนี้ ชิ้นส่วน BGA ตรงกลางอาจลอยขึ้นจากแผ่นรองอย่างสมบูรณ์ ลูกบัดกรีละลายแต่ลอยอยู่กลางอากาศ ไม่สัมผัสกับพาสต์บน PCB มันจะเกิดการออกซิไดซ์และสร้างผิวหนัง

จากนั้นเมื่อแผงวงจรเข้าสู่โซนทำความเย็น เรซินจะแข็งตัวอีกครั้ง แผงวงจรจะเด้งกลับสู่รูปทรงแบนเดิม ลูกบัดกรี BGA จะตกลงบนแผ่นรอง แต่ก็สายเกินไป บัดกรีได้แข็งตัวแล้ว ลูกบอลวางอยู่บนแผ่นรองเหมือนหัวบนหมอน สัมผัสทางกายภาพแต่ไม่สร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

นี่คือข้อบกพร่องคลาสสิกที่เรียกว่า “Head-in-Pillow” (HiP) ที่สถานีทดสอบ คุณกดชิปลงและผ่าน คุณปล่อยมือและล้มเหลว เอ็กซ์เรย์ดูปกติเพราะรูปลูกบอลกลม จะเห็นช่องว่างจุลภาคก็ต่อเมื่อทำการทดสอบทำลาย เช่น “dye-and-pry” หรือวิเคราะห์ตัดขวาง ข้อบกพร่องเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงสุด แต่แผงวงจรดูปกติที่อุณหภูมิห้อง

การรักษาทางกลไก (การแก้ไขที่แท้จริง)

เนื่องจากปัญหาเป็นเชิงกล จึงต้องแก้ไขด้วยวิธีเชิงกล คุณไม่สามารถแก้ไขการขาดความแข็งแรงด้วยโปรไฟล์การบัดกรีได้ คุณแก้ไขโดยการเพิ่มการรองรับ

วิธีแก้ไขที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับแผงวงจรที่หย่อนคือ การรองรับแผงวงจรตรงกลาง (CBS). เตาอบรีโฟลว์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ (จากผู้ขายเช่น Heller, BTU หรือ Rehm) มีตัวเลือกนี้ มันเป็นโซ่บางหรือชุดหมุดแบบเบรกจอดรถที่วิ่งตรงกลางอุโมงค์ ช่วยพยุงตรงกลางแผงวงจร ป้องกันการหย่อน

ถ้าเตาอบของคุณไม่มี CBS หรือถ้าชิ้นส่วนด้านล่างป้องกันการใช้โซ่ คุณต้องใช้พาเลทรีโฟลว์

พาเลทคืออุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตเช่น Durostone หรือ Ricocel วัสดุเหล่านี้มีราคาแพง—อุปกรณ์ที่กำหนดเองอาจมีราคาตั้งแต่ $300 ถึง $800 ขึ้นอยู่กับความซับซ้อน [[VERIFY]]—แต่มีความเสถียรทางความร้อน ไม่บิดงอที่ 260°C คุณวาง PCB ที่เปราะบางไว้ในพาเลทที่แข็งแรง และพาเลทจะพาแผงผ่านเตาอบโดยแบนราบ

ผู้จัดการมักจะลังเลกับค่าใช้จ่าย "มันเป็นวัสดุสิ้นเปลืองเพิ่มเติม" พวกเขากล่าว "มันเพิ่มมวลความร้อน ดังนั้นเราต้องชะลอสายการผลิต" นี่เป็นความจริง แต่เปรียบเทียบค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์ $500 กับค่าใช้จ่ายของการทิ้ง 20% จากการผลิตแผงควบคุมอุตสาหกรรมมูลค่าสูง ROI ของพาเลทมักจะวัดเป็นวัน ไม่ใช่เดือน

การบรรเทาการออกแบบ

ถ้าคุณโชคดีพอที่จะมีส่วนร่วมก่อนที่แผงวงจรจะถูกออกแบบ คุณสามารถต่อสู้กับการบิดงอได้ตั้งแต่ต้น เครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดในชุดของนักออกแบบคือ "การขโมยทองแดง" หรือการปรับสมดุล

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความหนาแน่นของทองแดงโดยประมาณสมมาตรทั่วทั้งชั้น หากชั้นบนเป็นทองแดง 80% ชั้นล่างควรจะคล้ายกัน หากคุณมีพื้นที่เปิดกว้างโดยไม่มีเส้นทาง ให้เพิ่มตารางทองแดงลอยตัว (การขโมย) เพื่อปรับสมดุลความเครียด CTE ซึ่งจะป้องกันผลกระทบการบิดงอแบบไบเมทัลลิก

แม้แต่การแบ่งแผงก็มีบทบาท การปล่อยวัสดุมากเกินไปบนรางแยกสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเสริมความแข็งแรง หรือเป็นตัวก่อความเครียด ขึ้นอยู่กับลักษณะของไฟเบอร์กลาส

คำตัดสิน

เมื่อคุณเห็นแผงวงจรยาวล้มเหลวที่ปลายหรือกลาง ให้หยุดสายการผลิต อย่าแตะต้องอุณหภูมิในโซน อย่าชะลอความเร็วสายพาน

ถามตัวเองว่า: แผงวงจรนี้เรียบหรือไม่? วัดความโค้ง ดูสมดุลทองแดง ตรวจสอบค่าระดับ Tg ของแผ่นลามิเนต หากแผงวงจรโค้งงอ คุณต้องการอุปกรณ์จับยึดหรือการรองรับตรงกลาง ฟิสิกส์ไม่เคยพ่ายแพ้ในกระบวนการ SMT คุณต้องรองรับแผงวงจร เพราะเรซินแน่นอนไม่สามารถรองรับตัวเองได้