Wyginanie się PCB w procesie reflow

Jeden z internautów zwrócił się na popularnym blogu do ekspertów o poradę w sprawie następującego problemu: ‘Ostatnio zauważyliśmy problem z wyginaniem się jednej z montowanych przez nas PCB. Układ zawiera między innymi 40-milimetrowe BGA ze zintegrowanym radiatorem. Do montażu używamy trzystrefowego pieca rozpływowego i niemieliśmy żadnych kłopotów z nim związanych przez co najmniej sześć miesięcy. Niedawno jednak zauważyliśmy problem z wyginaniem się PCB w kierunku jego środka. Nic nie zmienialiśmy w naszym procesie i nie wiemy, jak zacząć poszukiwanie problemu’.

Przykład wypaczonych PCB znaleziony na stronie © iPCB

Najpierw na głowę pytającego internauty zewsząd posypały się gromy za używanie przestarzałego sprzętu: ‘Trójstrefowy piec reflow - zakładając, że są to trzy strefy o jednakowej wielkości - naprawdę nie jest zbyt elastyczny jeśli chodzi o kontrolę profilu etapu rozpływu. Większość firm używa obecnie co najmniej czterech lub pięciu stref dla lutowania ołowiowego oraz sześciu lub siedmiu, jeśli chodzi o proces bezołowiowy’ mówi jeden z prowadzących bloga. Kolejny dodaje natomiast, iż stary piec mógł po prostu stracić swoje pierwotne nastawy: ‘Piece trójstrefowe nie są zwykle najwyższej jakości, nie są też szczególnie wyrafinowane, więc mogło dojść do degradacji samej konstrukcji pieca: wentylatora, grzałek czy czujników temperatury, które straciły swoje pierwotne parametry’. I oczywiście kwestia zaprzyjaźnienia się z profilomierzem: ‘Czy firma prowadzi badania profilu reflow za pomocą odpowiednio skalibrowanego profilomierza i dedykowanej płytki testowej? […] Jeśli nie, to skąd pewność, że proces nie zmienił się przez sześć miesięcy?’.

40-milimetrowy PoP daje prawie półtora cala kwadratowego powierzchni: to całkiem spora obudowa, na dodatek ze zintegrowanym radiatorem. Zdaniem internautów, należałoby raczej pomyśleć o piecu z 10 lub 12 strefami, aby upewnić się, że mają wystarczającą moc grzewczą, aby równomiernie ogrzać taki komponent i uniknąć wypaczenia. ‘Nawet jeśli udałoby się to zrobić piecu trójstrefowym, cudem byłoby uzyskiwanie stabilnego procesu przez długi czas’ mówi jeden z uczestników dyskusji.

Należy jednak podkreślić, iż większość uczestników dyskusji upatruje źródła problemu nie w samym piecu, lecz w PCB. Kevin Hussey z The Morey Corporation pisze między innymi: ‘Zakładając, że naprawdę nic się nie zmieniło w  procesie, założę się, że zmieniła się płytka. W dzisiejszych czasach jest to bardzo powszechne: prototypowe PCB działają idealnie, a następnie wypaczają się podczas seryjnej produkcji. To bardzo prawdopodobne, że dostawca PCB  korzysta z usług innego producenta, kiedy zmieniają się zamawiane ilości. Jedynym sposobem, aby naprawdę to zweryfikować, jest zapytanie ich, bo przypuszczam, że zmienili coś w stacku. […] Należy zacząć od poproszenia dostawcy o szczegółowe dane PCB, co zmusi dostawcę do odpowiedzi na pytanie, czy zmieniała się waga miedzi, grubość stosu itp. Kiedy już uzgodnisz wszystkie parametry PCB, upewnij się, że zapisałeś to dla przyszłych zamówień […] Podczas moich ponad 30 lat produkcji płytek drukowanych widziałem wielokrotnie wypaczające się PCB, a poszukiwanie przyczyny  zawsze kończy się na szczegółach jej wykonania, chyba że jednak coś poważnego stało się z procesem’ kończy swoją wypowiedź Kevin Hussey.

W najbardziej wyczerpujący i usystematyzowany sposób wypowiada się na ten temat jeden z internautów z firmy In-Tech Electronics: ‘Nie sądzę, aby 3-strefowy był przyczyną problemu, ponieważ jest to zbyt nagła zmiana przy użyciu tego samego pieca. Ponadto, spotkaliśmy się z takim problemem również stosując zaawansowane 8- lub 9-strefowe piece. W kontekście własnych doświadczeń i komentarzy innych czytelników proponuję sprawdzić następujące potencjalne czynniki, które wymieniam od najbardziej  prawdopodobnych:

(1) Nierównowaga miedzi w płytce drukowanej. Sprawdź, czy przypadkiem nie został zmieniony dostawca PCB.

(2) Zmiany materiału PCB. Sprawdź, czy dostawca PCB zmienił materiał lub testuje nowy materiał, czy też zmienił dostawcę surowca?

(3) Pochłanianie wilgoci przez PCB. Spróbuj wygrzać płytki przez co najmniej 2 godziny w 80-100 stopniach Celsjusza. Następnie pozwól im ostygnąć do temperatury pokojowej i dopiero wtedy skieruj do montażu.

(4) Problem z piecem rozpływowym. Sprawdź profil procesu reflow, czy aby na pewno się nie zmienił. Sprawdź, czy wyloty powietrza w piecu nie są zatkane. Również nagromadzenie topnika na częściach pieca może ograniczać wymuszony przepływ konwekcyjny temperatury, powodując nierównomierne nagrzewanie się płytek.

(5) Orientacja dużych płyt przy przejściu przez piec rozpływowy. Staraj się ustawić PCB większym rozmiarem równoległe do ​​przenośnika piekarnika, aby uniknąć nierównomiernego ogrzewania między krawędzią płytki drukowanej a jej środkiem, a także spróbuj zastosować podparcie środka PCB.

(6) Zła metoda panelizacji PCB. Użyj systemu v-score zamiast rozłamywania.

I jeszcze Tony Stanley z brytyjskiego oddziału Tyco Security Product: ‘Wielokrotnie widziałem problemy z nierównowagą miedzi w PCB. Przykładowo, dolna warstwa składała się głównie z litej miedzi, a górna warstwa zawierała rzadko rozmieszczone ścieżkami. Wprowadzenie miedzianej kratki znacznie poprawiła konstrukcję stacku, dając większą odporność na wyginanie się i ponadto dała lepsze parametry EMC. […] Zgadzam się również, że zmiany wilgoci i materiału wydają się bardziej prawdopodobne niż problemy z maszyną, ale w przypadku większości firm sprawdzenie profilu byłoby  pierwszym krokiem’.