PCB-bocht en -draaiing: oorzaken, meting en preventie

Introductie

Kromming en verdraaiing van printplaten zijn veelvoorkomende problemen bij de productie van printplaten die de nauwkeurigheid van de assemblage en de betrouwbaarheid van producten kunnen beïnvloeden. Het is belangrijk om de oorzaken, de meting en de preventiemethoden te begrijpen om kwalitatief hoogwaardige en gelijkmatige printplaten te produceren. Deze gids behandelt alles wat u moet weten over kromming en verdraaiing van printplaten, van ontwerpoverwegingen tot industriële richtlijnen, zodat u in uw eigen projecten printplaten kunt ontwerpen met minimale krommingseffecten.

Wat is Bow en Twist in PCB?

Bij PCB's treden kromtrekken en torderen op nadat de printplaat zijn vlakheid verliest, wat van invloed is op de assemblage en prestaties. Deze problemen worden tijdens of vóór de productie veroorzaakt door intrinsieke en extrinsieke materialen. Kennis van deze oorzaken helpt u kromtrekken van de printplaat in een vroeg stadium te voorkomen. Het productieproces van PCBTok is zeer streng om de specificaties voor vlakheid en planariteit te bereiken.

Intrinsieke buig- en draaioorzaken tijdens productie en ontwerp

Buigen en draaien zijn afwijkingen die ontstaan wanneer het geproduceerde object gebreken en fouten vertoont tijdens de productie en het ontwerp. De typische oorzaken zijn een defect van de lamineerpers, het kruislings aanbrengen van prepreg wanneer dit niet nodig is, en een inconsistente koperverdeling. Dergelijke krachten genereren spanningen in de lagen, wat kromtrekken veroorzaakt. Een goede materiaalkeuze en symmetrische stapeling in het ontwerp helpen intrinsieke vervorming te minimaliseren.

Extrinsieke buiging en draaiing - externe krachten op de vlakheid van de printplaat

Na het lamineren kunnen er door externe krachten krommingen en verdraaiingen optreden. Deze problemen worden meestal veroorzaakt door hantering, blootstelling aan hitte tijdens het uithardingsproces en procedures met chemische behandelingen zoals HASL of reflowsolderen . Vlakheidsproblemen kunnen worden verergerd door mechanische vervorming tijdens de assemblage. Het identificeren van de risico's helpt u bij het nemen van de juiste corrigerende maatregelen en het voorkomen van vervorming van de printplaat op de lange termijn.

Waarom is de vlakheid van een PCB belangrijk?

Platte printplaten spelen een cruciale rol in de beginfase van de productie, vanaf het eindproduct. Een scheefstand op de machine kan al ontstaan door een kleine buiging of verdraaiing, wat kan leiden tot soldeerfouten. Wanneer de printplaten kromtrekken tijdens het snelle assemblageproces, kunnen ze vastlopen op transportbanden of kunnen de kleine onderdelen kwijtraken. Dan kan het onmogelijk zijn om de printplaat in de behuizing te krijgen. Door ervoor te zorgen dat uw printplaten vlak zijn, voorkomt u dure nabewerkingen en vertragingen.

Wanneer uw printplaat niet perfect waterpas ligt, heeft dit invloed op elke fase van het proces. Het printen van soldeerpasta leidt in dit geval ook tot een onjuiste afzetting van de soldeerpasta vanwege het oneffen oppervlak. Bij pick-and-place kunnen componenten zoals de 0402's scheeflopen. Zelfs kromgetrokken printplaten kunnen vastlopen in laadsystemen, waardoor de productielijn stilvalt. Een kromming of verdraaiing in het eindproduct kan problemen veroorzaken bij het aandraaien van schroeven of het sluiten van behuizingen. Daarom is het belangrijk om de vlakheid al op jonge leeftijd en met regelmatige tussenpozen te controleren.

Wat veroorzaakt kromtrekken en draaien van een PCB?

Interne spanningen, samen met materiaalonevenwichtigheden en zelfs externe krachten tijdens de productie/assemblage, veroorzaken kromtrekken en verdraaien. Asymmetrische stapelingen en ongelijkmatige koperverdelingen spelen een grote rol. Het risico neemt ook toe door vocht, snelle verhitting en onzorgvuldige behandeling. Kennis van deze factoren helpt u bij het produceren van vlakkere en stabielere PCB's.

Gebrek aan uniformiteit van de koperverdeling: een belangrijke factor die kromtrekken van PCB's veroorzaakt

Grote koperen vlakken of geconcentreerde sporen tijdens de fabricage kunnen leiden tot een ongelijke uitzetting en krimp van de verschillende materialen die bij de productie van computerchips worden gebruikt. De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van koper en diëlektrische materialen verschilt, waardoor ze niet in hetzelfde tempo uitzetten. Dit veroorzaakt een onevenwicht, met als gevolg spanning, buiging en verdraaiing. Om dit te voorkomen, is het belangrijk om de koperen vlakken gelijkmatig te verdelen en, waar nodig, koperen geleiders aan te brengen om de thermische balans te behouden.

Laagstapeling en interne spanningen asymmetrisch

Veelvoorkomende oorzaken van interne spanning in meerlaagse printplaten zijn een asymmetrische opbouw, verschillende koperdiktes, kerndiktes en materiaalsoorten. Ter illustratie: kromtrekking ontstaat wanneer een dikke koperlaag aan één laag wordt toegevoegd, terwijl de andere lagen dun zijn. Een goede koperverdeling vermindert dit risico aanzienlijk door de dikte van de koperlagen in evenwicht te brengen. De juiste persparameters en materiaalkeuze zijn ook van groot belang om vervorming te minimaliseren.

Factoren gerelateerd aan de omgeving en assemblage die leiden tot PCB-vervorming

Buigen en draaien kan worden verergerd door externe factoren zoals vochtopname, hoge reflow-snelheden, slechte uitlijning van de assemblageband, enz. Er zit vocht vast in de printplaat, dat uitzet bij contact met warmte, waardoor de printplaat kromtrekt. Door printplaten in een gecontroleerde omgeving en een goed georganiseerd assemblageproces te plaatsen, wordt het risico op vervorming geminimaliseerd.

IPC-richtlijnen en preventie van PCB-buiging en -draaiing

PCB's zijn nooit relatief vlak, en daarom zijn er normen die een acceptabel niveau vaststellen. IPC-6012 stelt een maximale kromming en torsie van 0.75 procent vast voor printplaten met oppervlaktegemonteerde componenten en 1.5 procent voor de overige printplaten. Het verminderen van de stack-up-onbalans, het gebruik van materialen met een lage CTE en het goed behandelen van de printplaten tijdens de productie zijn allemaal mogelijkheden om kromtrekken te verminderen. Deze maatregelen verbeteren de stabiliteit en prestaties op lange termijn.

Het meten van buiging en draaiing in PCB-normen

PCB's moeten vlak zijn en bepaalde prestaties leveren, omdat kromtrekken en torsie worden gemeten volgens de IPC-norm. Deze normen geven definities van kromtrekkingsmethoden en toegestane kromtrekkingsgrenzen. Metingen stellen u in staat om mogelijke vervorming al in een vroeg stadium te detecteren. Dergelijke methoden zorgen ervoor dat uw PCB's tijdens de assemblage binnen redelijke grenzen blijven.

Boogmeting

Een kromming is een vorm waarbij de printplaat een bolle of holle vorm vertoont in de lengte of breedte. Deze wordt gemeten volgens IPC-TM-650 Methode 2.4.22.1: de meting gebeurt met een eenvoudige opstelling:

• Een strak gespannen draad/touwtje wordt diagonaal op het oppervlak van de printplaat aangebracht.
• Met een meetklok kan de maximale verticale afwijking tussen de draad en het oppervlak van de printplaat worden gemeten.
• Het boogpercentage kan als volgt worden verkregen:

Boog % = (Boogafstand/Board) x 100 %

• De bowDist is de grenswaarde van de boardafstand van de referentiedraad. LBoard is de lengte van de board.

Draaimeting

Verdraaiing treedt op wanneer de hoeken van de printplaat niet in hetzelfde vlak liggen, waardoor een rotatievervorming ontstaat. Hoe u deze conditie kunt meten, wordt beschreven in IPC-TM-650 Methode 2.4.22C:

• Twee van de tegenoverliggende hoeken van de printplaat zijn met pinnen en elastiekjes aan elkaar bevestigd.
• Het hoogteverschil tussen de andere twee hoeken wordt bepaald.
• Het percentage van de draaiing wordt op deze manier berekend:

Twist % = ( TwistDist/ 2 x DBoard ) x 100 %

• TwistDist is de maximale afwijking van het referentievlak.
• Er is een Letters D-bord. Dit is de diagonale maat van het bord.

IPC-normen voor Bow en Twist

De IPC-A-600-specificatie definieert duidelijke grenzen voor de buiging en torsie, zodat er een kwalitatief hoogwaardige PCB ontstaat. Deze beperkingen verschillen afhankelijk van de dikte van de printplaat:

• Bij PCB's < =1.6 mm dik:

Boog: 0.75 % <=
Twist:

• Voor PCB's met een dikte van 1.6–3.2 mm:

Boog: ≤0.5%
Twist: ≤0.75%

• Bij PCB's met een dikte van 3.2 mm of groter:

Boog: 0.5 procent of minder
Twist: 0.75% of minder

• De buig- en torsievooruitgang mag niet meer dan 2% van de diagonale afmeting van de plaat bedragen.
• Op PCB's gelden nauwere toleranties als er gebruik wordt gemaakt van verstevigingen of metalen kernen.

Buig- en draaitestprocedures

De tests op kromtrekking en verdraaiing tijdens het productieproces bepalen of deze intrinsiek of extrinsiek zijn. Dit proces garandeert een grondige oorzaakanalyse en elimineert problemen met de vlakheid tijdens de assemblage. Wat betreft het meten en verifiëren van kromtrekking, maakt het naleven van IPC-normen het mogelijk om kromtrekking te meten en te verifiëren.

Procedure-aanbeveling voor buig- en draaitesten

Om de bron te identificeren, moet een percentageberekening van de buiging en de verdraaiing worden uitgevoerd, als volgt:

Meet de buiging en de draaiing van de binnenkomende planken wanneer de IPC-TM-650 Methode 2.4.22 wordt gebruikt.

De platen moeten worden gebakken bij een temperatuur van 10 °C boven de temperatuur van het materiaal. Ze moeten vlak en naast elkaar worden gestapeld. Er mag geen druk of contact tussen de platen plaatsvinden.

De platen moeten geleidelijk afkoelen tot kamertemperatuur (met 1 °C per minuut) met de deur van de oven gesloten.

Terugwikkelhoek en verdraaiing van kunststoffen met IPC-TM-650 Methode 2.4.22 na afkoeling.

Analyseer resultaten:

• Wanneer er volledig vlakke planken worden gebruikt, ligt de oorzaak volledig buiten onszelf.
• Als de planken kromgetrokken zijn, kan dit alleen een interne oorzaak hebben.
• Als er enige verbetering wordt waargenomen, is er sprake van een intrinsiek en extrinsiek probleem.
• Dergelijke testen helpen klanten en fabrikanten bij het identificeren van de bron van kromtrekken en het implementeren van corrigerende maatregelen.

Verbeteringen aan Bow en Twist

De oplossing voor het probleem van kromtrekken en verdraaien ligt in het bestuderen van de interne oorzaken en het ontwikkelen van zowel ontwerp- als productieprocessen. Wat u moet doen, is alle productiestappen nauwgezet controleren. Strategische aanpassingen kunnen worden toegepast om een hogere PCB-vlakheid en prestatieniveaus te bereiken die buiten de gespecificeerde toleranties vallen.

lamineerproces:

De lamineerproductie is eenvoudig te optimaliseren wat betreft kosten en tolerantie-eisen. Om kromtrekking en torsie te verbeteren, kunnen de persduur worden verlengd, wat zorgt voor een effectievere hechting van het materiaal en spanningsvermindering. Optimalisatie van de lamineerinstellingen minimaliseert mogelijke kromtrekking van complexe meerlaagse platen.

Prepreg en binnenkernen

Stabiliteit vereist de selectie van sterke prepregs en symmetrische kernstructuren. Een volledig uitgebalanceerde stack-up vermindert de interne spanning door thermische cycli. Hoewel dit enige invloed kan hebben op de impedantie, garandeert een herberekening van de waarden dat het ontwerp zowel qua prestaties als vlakheid kan worden gecombineerd.

Koperdistributie

De koperverdeling over de verschillende lagen is geoptimaliseerd om een ​​onevenwicht in de uitzetting door warmte te voorkomen. De gepaarde lagen in het midden van de stapel kunnen helpen om de kopergewichten op elke laag op elkaar af te stemmen en zo symmetrie te bereiken. Het is raadzaam om grote gedeelten met weinig of geen koper te vermijden, omdat deze het risico op kromtrekken tijdens verhitting met zich meebrengen.

Lagedrukgebieden

PCB's met een groot aantal lagen kunnen tijdens het lamineren te maken krijgen met een lage drukzone, wat kan leiden tot kromtrekken. Dit kan worden geminimaliseerd met dummy pads, kopervulling of kruislings koper. Deze veranderingen verhogen de gelijkmatigheid van de druk en de vlakheid.

Gesplitste grondvlakken

Gesplitste grondvlakken kunnen als scharnierpunt fungeren in de constructie, wat buiging bevordert. Het gebruik van herhaalde gesplitste vlakpatronen op meer dan één laag vergroot het risico op verdraaiing. Het introduceren van doorlopende grondvlakken, waar mogelijk, vermindert dit probleem.

Afscheidsgebieden

Een andere passieve factor die bijdraagt aan kromtrekken en verdraaien zijn afbreeklipjes, die vaak worden genegeerd. Let op: het koper in deze gebieden weerspiegelt de koperpatronen van de PCB zelf op elke laag. Depanelisatie voorkomt spanningsconcentratie op de afbreekpunten.

Stappen om buigen en draaien te voorkomen

Kromming en verdraaiing in printplaten kunnen worden voorkomen door een zorgvuldig ontwerp, een juiste materiaalkeuze en gecontroleerde productieprocessen . Dit soort problemen komt vooral voor bij meerlaagse printplaten, en proactief handelen is essentieel om vlakheid en betrouwbaarheid te garanderen.

Materiaalbehandeling en evenwichtige stapeling

Een symmetrische stapeling van koperlagen, prepregs en kernen minimaliseert interne spanningen. Het gebruik van verschillende materiaalsoorten moet door verschillende leveranciers worden vermeden, zodat de printplaat bij verhitting consistent warmtegedrag vertoont. De lay-up vermindert ook het risico op kromtrekken dankzij de juiste oriëntatie van schering en inslag.

Gewicht en samenstelling van koperlagen

Een onevenwichtige gewichtsverdeling van het koper zal ook leiden tot ongelijke uitzetting, met kromming en verdraaiing als gevolg. Ontwerpers dienen een gelijkmatige verdeling van koper en kopervulling toe te passen op de plaatsen met een lage dichtheid. Ook moet symmetrie in het massieve vlak en de signaallagen rondom het midden van de printplaat worden bereikt om spanningen in de componenten te verminderen.

Het verzachten van buig- en draai-effecten tijdens de montage

Hoewel de vlakheid van PCB-panelen wenselijk is, zijn vervorming en kromming van de PCB soms onvermijdelijk. Dergelijke defecten kunnen tijdens de montage worden verholpen om het effect ervan te beperken en de betrouwbaarheid van de printplaat te waarborgen. Dit kan als volgt gebeuren:

Robuuste componentbeveiliging

Bevestigingsmiddelen of connectoren, zoals lijm, worden gebruikt om componenten zoals koellichamen stevig vast te zetten. Dit helpt verdere spanning te voorkomen en zorgt ervoor dat de printplaat niet verder vervormt.

Boardversteviging

Aan de achterkant van de printplaat worden verstevigingselementen, zoals metalen strips of kunststof roosters, bevestigd. Dit zorgt voor extra versteviging en ondersteuning tijdens de montage, zodat de printplaat vlak genoeg is.

Spanningsverlichtende gloeiing

Ze verwarmen volledig belaste platen tot boven de 100 °C en koelen ze vervolgens, na verloop van tijd, onder gecontroleerde omstandigheden af. Dit vermindert inherente spanning en vermindert vervormingen.

Selectieve conforme coating

Breng een conforme coating aan op de plekken op de printplaat waar spanningen optreden. Dit versterkt de printplaat en zorgt ervoor dat deze niet verder kan verdraaien of buigen tijdens gebruik.

Dekenschuimlaag

Aan de achterkant van de printplaat moet een schuimlaag worden aangebracht om mechanische spanning en vervorming van de printplaat te absorberen tijdens het hanteren en monteren.

Klemmen tijdens het solderen

Gebruik fittingen of verzwaarde doppen bij het reflow-solderen. Dit maakt de printplaat plat en vermindert beweging door thermische uitzetting.

Paneelmontage

Houd PCB's in hun gepaneelde toestand tot het einde van de assemblage om de spanning die ontstaat door het depaneliseren te minimaliseren.

Conclusie

Het beheersen van de tolerantie van de printplaat voor kromtrekking en torsie is belangrijk voor een betrouwbare werking. Een betrouwbare printplaat met één laag en voldoende tussenruimte is mogelijk, maar dit is lastiger bij meerlaagse of printplaten met een hoge dichtheid . Door een passend ontwerp, de juiste materiaalkeuze en gecontroleerde assemblageprocessen te combineren, kan het risico op kromtrekking aanzienlijk worden geminimaliseerd.

Klaar om kromtrekken en torderen van uw printplaten te elimineren? PCBTok heeft meer dan 20 jaar productie-ervaring – wij weten hoe we kromtrekken moeten aanpakken. Vraag een gratis DFM-analyse en offerte aan. Stuur ons vandaag nog uw Gerber-bestanden!

Veelgestelde vragen

Hoe meet ik of mijn bord de IPC-buig- en draaicriteria overschrijdt?

IPC-TM-650, paragraaf 2.4.22, beschrijft een concrete procedure voor het meten van kromming en torsie. Bij printplaten met oppervlaktemontage mag de kromming niet hoger zijn dan 0.75%. Bij andere printplaten moet de kromming 1.5% of lager blijven.

Hoe worden zeer dunne en flexibele printplaten getest op kromtrekken en torsie?

Dunne platen worden getest door ze tussen stukken metaal te plaatsen. Dit geeft de printplaat tijdelijk voldoende stijfheid om kromming en torsie zonder vervorming te kunnen meten.

Heeft het maskeringsproces van soldeer invloed op de buiging en de draaiing?

Ja. Buig- en draaivervormingen kunnen ontstaan of verergerd worden door slechte hechting van het soldeermasker of door een ongelijke maskerdikte aan verschillende zijden van het paneel.

Kan het soldeerproces kromtrekken van de printplaat veroorzaken of verergeren?

Ja. Solderen kan een ongelijkmatige thermische spanning veroorzaken wanneer onderdelen slechts aan één kant van de printplaat worden geplaatst. Dit is waar een bias optreedt, en in de meeste gevallen kan het paneel buigen of verdraaien tijdens het reflow- of golfsolderen.

Speelt vochtopname een rol bij het buigen en draaien van PCB's?

Absoluut. Spanningen die ontstaan door de verhoogde hydratatie van diëlektrische lagen door vocht, ontstaan sneller dan die van koper, waardoor kromtrekken of verdraaien ontstaat.

Hoe verminder je kromming en torsie in meerlaagse HDI-printplaten?

Dunne prepregs en een symmetrische opbouw in lagen. Plaats dummy-metaalvullingen om de koperdichtheid te stabiliseren en gebruik selectieve verstevigingen als extra versterkt steunmateriaal.